直流电渗流在微通道内的控制与仿真研究

双电层是电渗流形成的关键因素,通过分析双电层的产生过程,解释了电渗流的形成机制,探讨了与直流电渗流形成相关的Poisson—Boltzmann方程、Laplace方程及Navier-Stokes三个基本控制方程,并建立了与之相关的数学模型。通过对各控制方程边界条件的分析及合理简化,分别对zeta电势、外加垂直电场电势进行了求解和仿真,并且对zeta电势、外加垂直电场电势进行耦合求解,得到了直流电渗流在微通道内的流速表达式,并分析了微流体的特性参数、zeta电势、外加垂直电场电势对电渗流流速的影响,结果显示通过增加zeta电势可以有效降低微通道两端施加的垂直电场电压。     

微纳米通道电场调控电渗流研究及控制

在通道壁面垂直施加一个调控电场可以改变双电层电荷密度和Zeta电位势,实现对电渗流的调控。采用离子输运Nernst-Planck方程、液体流动Navier-Stokes方程、以及介电层-电解液耦合双电层Poisson方程,数值求解外加均匀调控电压下微纳米通道的电渗流动,得到表面Zeta电位势、电渗流速度与外加调控电压的关系特性。数值解与基于Poisson-Boltzmann方程双电层弱重叠近似和双电容串联模型的解析解相对比,进一步研究了控制外加调控电压以及控制电渗流的方法。     

对称电极组空间位阻效应交流电渗流研究

建立了一种对称电极组交流电渗流微泵结构,通过改变相邻电极间的AC信号相位,可以方便地实现对微通道流向的控制。根据双电层离子数的空间位阻效应修正,数值求解了双电层Poisson-Boltzmann方程和液体流动Navier-Stokes方程,得到了对称电极组交流电渗微泵的流动特性。分析了微泵流速与交流电压幅值、频率等参数的关系特性,并与双电层Debye-Hückel线性解进行比较。结果表明,空间位阻效应修正在低电压时与Debye-Hückel线性解一致,但是在高电压时会产生高频反向流。     

行波电渗微流体驱动仿真和实验研究

为了探讨在封闭通道内微流体在行波电渗作用下的流动状态,进行了行波电渗微流体驱动实验及仿真研究。通过对行波电渗微流体驱动原理的分析,建立了行波电渗微流体驱动数学模型。根据微通道内电势分布满足Laplace方程及通道内流体流动满足Navier-Storks方程,并利用建立的边界条件,确定了行波电渗在微通道内电势及电场的分布,通过对电场及流场问题的耦合求解,获得了微通道内行波电渗微流体驱动流场。分析表明,其仿真计算结果与实验结果具有较好的一致性,从而验证了行波电渗微流体驱动理论模型的正确性,为进一步研究和分析行波电渗微泵提供了理论工具和仿真手段。     

垂直腔面发射激光器的热学特性

通过求泊松方程、电流密度方程、载流子扩散方程以及有源层结压降方程自洽解的方法,计算了垂直腔面发射激光器(VCSEL)的电势分布,进而求解热传导方程,得到VCSEL的温度分布.详细分析了注入电流密度小于或等于阈值电流密度时,晶片键合结构垂直腔面发射激光器的键合界面阻抗、氧化层限制孔径、外加电压以及分布布拉格反射镜的热导率的大小对VCSEL内部温度分布的影响.     

垂直腔面发射激光器的热学特性

通过求泊松方程、电流密度方程、载流子扩散方程以及有源层结压降方程自洽解的方法，计算了垂直腔面发射激光器（VCSEL）的电势分布，进而求解热传导方程，得到VCSEL的温度分布．详细分析了注入电流密度小于或等于阈值电流密度时，晶片键合结构垂直腔面发射激光器的键合界面阻抗、氧化层限制孔径、外加电压以及分布布拉格反射镜的热导率的大小对VCSEL内部温度分布的影响．     

微扩散通道中的流动电位势和电黏性效应分析

采用电解质溶液离子输运的Nernst-Planck方程、液体运动的Navier-Stokes方程和电场的Poisson方程研究了微扩散管的双电层、电解质流动电位势和电黏性效应。采用有限体积法分析了微扩散管流动电位势、流动电阻力、流量损失和流动速度形态变化。结果表明,与均匀截面微通道不同的是,流动电位势在微扩散管内呈非线性增长,流动电阻力沿微通道截面扩张方向下降。在微扩散管的横截面上也会产生流动电位势和电阻力。在微收缩管流动的电黏性效应和流量损失率比微扩散管流动略大。论文数值解给出流动电位势从瞬态到稳态发展过程的时间尺度特征,并分析了微通道扩散角对电黏性效应产生的微通道流量损失率。     

台面尺寸对垂直腔面发射激光器电学特性的影响

采用求泊松方程、电流密度方程、载流子扩散方程以及有源层结压降方程自洽解的方法,计算了不同台面大小的台面结构垂直腔面发射激光器内部的电势分布和有源层中的注入电流密度、载流子浓度及结压降分布.结果表明,台面尺寸对垂直腔面发射激光器内部的电势分布和有源层中的注入电流密度、载流子浓度及结压降分布有重要影响.在一定的外加电压下,随着台面尺寸减小,有源层中心处的注入电流密度、载流子浓度和结压降急剧减小,垂直腔面发射激光器性能恶化.     

外加直流电场对光折变晶体中双波混频增益系数的提升作用

大多数氧化物光折变晶体研究都没有考虑外加直流 电场的影响。通过Kukhtarev 材料方程得出施加直流电场时光折变晶体双波混频空间电荷场的材料方程,对比研究无外加 电场和施加电场的情况下,归一化空间电荷场随归一化输入光强、归一化扩散场、中性施主 与受主陷阱浓度比以及归一化外加直流电场的变化趋势;分析外加直流电场对增益系数的提 升作用及其影响因素。结果表明:归一化扩散场较低时,施加直流电场可显著提升空间电荷 场,有外加直流电场的空间电荷场明显高于无外加直流电场的空间电荷场。但是在归一化扩 散场较高时,这种现象则不明显,此时空间电荷场受施加直流电场的影响较小;另外,当施 加直流电场时,增益系数增加更多,并且在20－27 dBm/cm²的最佳 光强范围内达到饱和值。同 时,最佳入射光强对应的峰值 增益随着外加直流电场的增加而增大。所得结果可为光折变晶 体双波混频的实际应用提供理论指导。     

微通道内诱导电渗流样品聚焦方法

介绍了一种在微通道内基于直流诱导电渗流的样品聚焦方法。在样品微通道两侧壁面布置一对平行金属板,当通道两端施加一定的直流电压时,金属壁面处会形成涡流并挤压样品流动,从而实现聚焦。数值模拟研究表明:当金属壁面尺寸一定时,样品聚焦宽度随外加电场强度的增加而减小,聚焦长度随外加电场强度的增加而增大;当外加电场强度一定时,样品聚焦宽度随金属壁面尺寸的增加而减小,聚焦的长度随金属壁面尺寸的增加而增大;获得相同的聚焦宽度时,采用本方法所产生的焦耳热远低于传统电动聚焦所产生的焦耳热。与传统聚焦方法相比,本方法极大地简化了芯片结构并缩小了系统尺寸,同时降低了焦耳热效应对生物样品的影响,具有较好的应用前景。     

叉指型微电极交流电渗泵的阻抗谱分析

阻抗谱的研究对于优化交流电渗泵的结构具有重要意义。通过分析交流电渗泵的结构和工作原理,指出双电层的电容特性和电解质溶液的电阻特性,建立了用来研究交流电渗泵阻抗谱的RC等效电路。在最佳电极结构参数设置下,得到了不同频率下的阻抗谱,分析了电极周期长度以及通道高度改变对交流电渗泵阻抗模以及幅角的影响,并对电解质溶液浓度对阻抗谱的影响做了估计。结果表明,工作频率的增加总体上会造成阻抗模的增大和阻抗角的减小,而同一频率下不同因素对阻抗谱的影响又有所不同。该结论对交流电渗泵的设计和功耗研究有一定的理论指导意义。     

Concerning lossy, compressible, magneto-ionic media-General formulation and equation decoupling

The governing equations for electromagnetic phenomena in lossy, compressible, magneto-ionic media are formulated in terms of a newly introduced compressivity tensor. The matrix forms of both the permittivity tensor and the compressivity tensor are given. From the new governing equations, a three-dimensional vector wave equation and a dispersion equation are derived. In a source-free region, a set of three simultaneous wave equations in the longitudinal components of the electric and magnetic fields and in the pressure distribution can be written. These equations can be decoupled in the lossless case by effecting a transformation. The required transformation matrix and the resulting uncoupled, second-order, differential equations are given. Formulas for the determination of the transverse components of the electric and magnetic fields are also derived.     

Electromagnetic induction in thin sheet conductivity anomalies at the surface of the earth

Lateral variations in the Earth's conductivity complicate considerably the calculation of the electromagnetic response of the Earth to an external inducing field which is uniform and horizontal. Although analytic solutions have been found for a few simple two-dimensional models in which the conductivity varies in one horizontal direction only, it is necessary, in general, to resort to numerical methods. If the conductivity variations of interest are confined to a surface layer it is often possible to represent the Earth mathematically as a uniform conducting half-space covered by an infinitely thin sheet of variable surface conductance. This simplification effectively reduces by one the number of dimensions over which the field equations need to be integrated numerically. It is shown that for a two-dimensional model the horizontal component of the electric field satisfies an integral equation on the surface of the thin sheet, which can be solved numerically for arbitrary sheet conductance. The accuracy of the numerical procedure is confined by applying it to E- and B-polarization induction in two adjacent half-sheets and then comparing the solution obtained with known analytic solutions of the same problem. In three-dimensions the two horizontal components of the surface electric field satisfy a coupled pair of double integral equations which can also be solved numerically for an arbitrarily varying conductance of the surface sheet.     

States of a one-dimensional electron flow

The steady states of a 1D electron flow of electrons interacting with their self electric field are studied. A system of equations taking into account the hydrostatic pressure is reduced to a first-order nonlinear equation; partial solutions of this system are obtained. The possibility of exceeding of the ion sound velocity by ions is demonstrated. The behavior of a flow described by the adiabatic state equation is considered.     

碳纳米管/氧化镍复合电极超大容量离子电容器

碳纳米管作为一种新型碳材料,具有质轻,高的有效比表面积和优良的导电性,是制备双电层电容器较为理想的电极材料。本文实验用硝酸回流处理碳纳米管,对其表面改性,通过sol-gel法在改性后的碳纳米管上沉积Ni(OH)2,经灼烧得到碳纳米管/氧化镍复合材料,制成电极装配成电容器单元。该电容器具有双电层电容和赝电容特性,其比电容量为160 F/g,频率响应特性较活性炭电极电容器有所提高,是一种极具发展潜力的储能器件。     

Double RESURF nLDMOS功率器件的优化设计

基于漂移区表面具有单个P-top层Double RESURF nLDMOS的结构和耐压机理,提出了具有P-top层终端结构的Double RESURF nLDMOS结构,并通过利用SENTAURUS TSUPREM4和DEVICES软件进行优化设计。P-top层终端结构不仅降低了击穿电压对P-top层参数的敏感度,而且在漂移区引入一个附加的电场峰值,使漂移区电场分布进一步趋于平坦化。与传统Single RESURF和普通Double RESURF器件相对比,击穿电压可以分别提高约13.5%和4%,导通电阻却提高了11.8%和6%,但在满足击穿电压相等的条件下,该结构通过控制P-top层的位置和漂移区剂量可以使导通电阻降低约37%。