在實(shí)驗(yàn)和表征之外,科研領(lǐng)域還有兩大法寶:理論計(jì)算和仿真模擬。理論計(jì)算自是不必說(shuō),而對(duì)于仿真模擬,很多人則并不是十分了解。通過(guò)仿真模擬,有助于提高對(duì)很多領(lǐng)域各個(gè)物理過(guò)程的理解和認(rèn)識(shí),節(jié)省時(shí)間和實(shí)驗(yàn)成本,提高科研效率,獲得優(yōu)質(zhì)的科研成果。

 

仿真模擬的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣,今天我們主要介紹常用的六大領(lǐng)域:

  1. 力學(xué)與柔性器件
  2. 微納光學(xué)
  3. 半導(dǎo)體器件與光學(xué)
  4. 電磁學(xué)與MEMS器件
  5. 流體與微流控器件
  6. 電池與電化學(xué)

 

一、力學(xué)與柔性器件

柔性器件在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變分布,太陽(yáng)能電池彎曲應(yīng)力分析。

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二、微納光學(xué)

1. 光的傳播與散射

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2. 光學(xué)超材料設(shè)計(jì)

超材料就是通過(guò)人工構(gòu)造的周期性結(jié)構(gòu)使得材料具有實(shí)現(xiàn)通常狀態(tài)下材料不可能具有的屬性,例如負(fù)折射率、負(fù)磁導(dǎo)率等。同過(guò)超材料能實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身、全相位相片、超級(jí)透鏡等特殊的光學(xué)效果。在設(shè)計(jì)超材料的過(guò)程當(dāng)中理論上的模擬計(jì)算當(dāng)然是必不可少的,有限元方法則是模擬計(jì)算中最常用的數(shù)值計(jì)算方法。

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Science,2015, 347(6228): 1342-1345.

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3. 光催化

不同位置由于電場(chǎng)局域程度不一樣,催化效果也對(duì)應(yīng)的改變。通過(guò)模擬計(jì)算得到了納米金塊不同區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度和反應(yīng)的活化能,結(jié)果顯示電場(chǎng)強(qiáng)的區(qū)域活化能更小,反應(yīng)速率更快。

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Naturecommunications, 2017, 8: 14542.

 

4. 極化激元

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Nature Communications, 2017, 8: 15624.

極化激元能過(guò)增強(qiáng)局部電場(chǎng)強(qiáng)度,從而在光譜,催化等材料科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。圖中設(shè)計(jì)二維材料的納米棒,通過(guò)在納米棒不同位置激發(fā),可以通過(guò)電磁場(chǎng)分析產(chǎn)生的極化激元的情況。

5.光學(xué)器件設(shè)計(jì),天線、光纖、波導(dǎo)、濾波器、調(diào)制器、傳感器(Nature Photonics,2017, 11(8): 486.)

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文章中設(shè)計(jì)了二維材料和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu),通過(guò)此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成低損耗的光波導(dǎo)器件,在分析器件工作之前,可先通過(guò)模擬計(jì)算得到器件的波導(dǎo)模式分布和損耗。在光學(xué)器件的設(shè)計(jì)中提前模擬計(jì)算往往是必不可少的。

 

6.光譜計(jì)算(可見(jiàn)、紅外):各種器件、二維材料和分子等光譜計(jì)算(Science, 2018,360(6393): 1105-1109.)

 

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三、半導(dǎo)體器件與光學(xué)

主要包括光電器件的TCAD有限元模擬、FDTD時(shí)域差分電磁場(chǎng)模擬以及基于通用計(jì)算平臺(tái)的載流子動(dòng)力學(xué)模擬等。所涉及的材料體系包括常規(guī)半導(dǎo)體(如硅、砷化鎵、氮化鎵,鈣鈦礦等),半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)(如量子點(diǎn)/薄膜,納米線/柱/片等),金屬納米結(jié)構(gòu)(如金屬納米顆粒)等。主要研究應(yīng)用場(chǎng)景包括:

 

1. 光電轉(zhuǎn)換器件物理:

常規(guī)器件光電轉(zhuǎn)換效率的全流程模擬,包括器件光電響應(yīng)仿真、光生載流子動(dòng)力學(xué)模擬、內(nèi)外量子效率計(jì)算、伏安曲線、轉(zhuǎn)換效率等;

 

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圖 1使用TCAD仿真軟件模擬實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的全流程性能仿真,獲得伏安曲線、內(nèi)外量子效率等器件特性參數(shù)(Nat.Commun., vol. 4,no. May, p. 2950, 2013.)

納米光學(xué)結(jié)構(gòu),如金屬等離子激元、波導(dǎo)、光子晶體等,在太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用

 

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圖 2采用光學(xué)模擬探究各類光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能電池光吸收效能的影響,如背部金屬電極、正表面金屬結(jié)構(gòu)、光子晶體、其他納米諧振結(jié)構(gòu)等(NanoLett., vol. 12, no. 1, pp. 214–218, 2012.)

 

其他微米至納米級(jí)尺度光電器件和結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)仿真:

 

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圖 3 (左) GaN納米柱內(nèi)部光場(chǎng)共振模式模擬與陰極射線熒光譜(CL)對(duì)比 (NanoLett., pp. 10–1021, 2018.);(右)InGaAs/GaAs超晶格納米線激光遠(yuǎn)場(chǎng)干涉圖樣仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(Nano Lett., vol. 16, no. 6, pp.3524–3532, 2016.)

 

2. 光電表征環(huán)境模擬與參數(shù)提?。?/h4>

半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)表征激發(fā)模擬,如共焦雙光子的激發(fā)光場(chǎng)與熒光響應(yīng)、平衡/非平衡光生載流子分布及其熒光響應(yīng),半導(dǎo)體材料熒光壽命圖像(FLIM)的曲線擬合與參數(shù)提取等;

 

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圖 4通過(guò)對(duì)GaN納米柱熒光壽命(TRPL)衰減曲線的建模擬合分析,提取半導(dǎo)體材料的性能參數(shù),如載流子壽命,遷移率,結(jié)構(gòu)表面缺陷密度等(GalliumNitride Materials and Devices XII, 2017, vol. 10104, p. 101040U.)

 

3. 半導(dǎo)體材料超快光譜,包括超快熒光光譜(TRPL)、超快透射譜(TA)的曲線擬合與參數(shù)提?。?/h4>

 

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圖 5通過(guò)對(duì)鈣鈦礦材料超快透射光譜(TA)的建模分析擬合,提取出相關(guān)載流子的弛豫動(dòng)力學(xué)參數(shù) (Nat. Commun., vol. 8, p. 14120, 2017.)

 

4. 近場(chǎng)光學(xué)效應(yīng)模擬:

金屬/半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的局域場(chǎng)(LocalField)增強(qiáng)效應(yīng),即Purcell Effect模擬,包括基于光子晶體共振腔、波導(dǎo)、金屬結(jié)構(gòu)表面等離子激元等場(chǎng)景;

 

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圖 6使用硅納米線制作的納米光學(xué)諧振腔。通過(guò)模擬獲得其內(nèi)部光場(chǎng)分布(左下)并計(jì)算出局部態(tài)密度增強(qiáng)系數(shù)(Purcell Factor)(右下)(Nat. Photonics, vol. 7, no. March, pp. 285–289,2013.)

 

四、電磁場(chǎng)分析與 MEMS多物理場(chǎng)模擬

1. 電容、電阻、摩擦電、壓電傳感器

模擬各種電學(xué)傳感器的電流、電場(chǎng)、電勢(shì)分布

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2. 麥克斯韋方程組分析與仿真模擬

通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)

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3. 磁性材料和永磁體有限元仿真

永磁體設(shè)計(jì)、永磁電機(jī)、磁性軸承以及與電磁相關(guān)的有限元數(shù)值模擬。

 

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4. 電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和熱場(chǎng)多物理場(chǎng)耦合有限元仿真

與電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和熱場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合相關(guān)的電磁場(chǎng)相關(guān)領(lǐng)域的有限元仿真

 

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五、流體與微流控器件

1. 渦流和流場(chǎng)模擬

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2. 電滲流以及物質(zhì)在微流通道內(nèi)的擴(kuò)散

以下案例分析了一個(gè)U型電滲流器件中的溶質(zhì)輸運(yùn)和擴(kuò)散,使用模擬計(jì)算進(jìn)行流體通道拐彎處幾何優(yōu)化,可以將彎曲引起的溶質(zhì)彌散降至最低程度。

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3. 介電泳

介電泳(Dielectrophoresis)是在外加電場(chǎng)作用下,由于懸浮顆粒與溶劑之間介電常數(shù)差異造成的作用力。介電泳作用力會(huì)將介電常數(shù)小于溶劑的顆粒拉往電場(chǎng)強(qiáng)度較低的地方。另外介電泳力的大小還與顆粒半徑有關(guān),所以介電泳常被用來(lái)分離大小不同的顆?;蚣?xì)胞。

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4. 兩相流

T型管利用兩種不互溶液體來(lái)產(chǎn)生各種大小的微液滴,但液滴形成的大小和兩個(gè)入口的流速,表面張力都有關(guān)系。利用兩相流模擬方法能夠準(zhǔn)確模擬T型管中液滴的形成過(guò)程,還可以研究流體流動(dòng)和添加劑化學(xué)品等因素,了解它們?nèi)绾斡绊懸旱未笮〖靶纬伞?/p>

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5. 各種親疏水和浸潤(rùn)性現(xiàn)象

在固體表面親疏水性和液滴表面張力作用下,液滴會(huì)發(fā)生各種不同的浸潤(rùn)性現(xiàn)象。

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6. 電浸潤(rùn)

電浸潤(rùn)就是通過(guò)外加電場(chǎng)操控液滴在固體表面的接觸角。在一個(gè)原本疏水的表面,液滴具有較大的接觸角,當(dāng)施加一定的電壓能使接觸角變小。通過(guò)電極的設(shè)計(jì)和不對(duì)稱施加電場(chǎng),就能定向操控液滴的運(yùn)動(dòng)。電浸潤(rùn)的另一種應(yīng)用場(chǎng)景是制作變焦透鏡,通過(guò)電壓調(diào)節(jié)液滴表面的曲率實(shí)現(xiàn)透鏡曲率的調(diào)節(jié)。

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7. 馬蘭格尼效應(yīng)

馬蘭格尼(Marangoni)效應(yīng)是液體表面張力梯度引起的流體運(yùn)動(dòng)。模擬液滴蒸發(fā)過(guò)程中形成的馬蘭格尼流動(dòng)。

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六、電池與電化學(xué)

1. Nature Energy, 2018, 3(12), 1076. Stable metal battery anodes enabled by polyethylenimine sponge hosts by way of electrokinetic effects. 仿真模擬研究多孔電極對(duì)電解液中電流密度和電極上鋰沉積機(jī)理經(jīng)行研究。

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2. Science advances,?2018, 4(11), eaat3446. An ion redistributor for dendrite-free lithium metal anodes. 通過(guò)模擬說(shuō)明增加固態(tài)空間電荷層對(duì)鋰離子分布的影響。

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3. Advanced Materials,?2017, 29(40), 1703729. Stable Li metal anodes via regulating lithium plating/stripping in vertically aligned microchannels. ?通過(guò)模擬計(jì)算展示多孔電極中的電極電流密度分布。

 

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以上這些高水平文章都有一個(gè)共同點(diǎn)那就是使用了COMSOL數(shù)值模擬來(lái)幫助闡述科學(xué)問(wèn)題。

COMSOL是功能非常強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算軟件,能夠根據(jù)研究者的需要自由地求解各種形式的偏微分方程。COMSOL越來(lái)越多地出現(xiàn)在高檔次文章,越來(lái)越多的研究者將其應(yīng)用于自己的研究,它可以模擬電磁,光學(xué),聲學(xué),力學(xué),流體,化工,電池與電化學(xué)等等各種能用偏微分方程來(lái)描述物理和化學(xué)過(guò)程。

如今在高檔次文章中結(jié)合COMSOL仿真模擬來(lái)解釋科學(xué)問(wèn)題,展示物理機(jī)制的方式已經(jīng)變得越來(lái)越常見(jiàn)。特別是對(duì)于這種機(jī)理解釋型文章,一些仿真模擬可以說(shuō)是必不可少的。

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