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关键词： 输电塔   小波包   多尺度分析   压电薄膜   损伤识别  

摘要： 随着我国电力需求的不断增长,远距离输电线路的发展势在必行,我国出现了越来越多的大跨度输电塔线系统。这些塔线系统的主要特点是大跨度和高度较高,导致对各种环境荷载敏感。输电塔是输电线路的重要组成部分,其可靠性对输电线路的安全影响很大。近年以来我国出现了许多大风导致的输电塔倒塌的灾害,这些灾害严重影响了国民经济和社会。螺栓松脱是最常见的风荷载作用下的受灾形式。螺栓松脱之后,杆塔受力结构完全改变,在导线舞动的作用下容易引发杆塔变形或倒塔事故。因此,判断输电塔节点板上螺栓松动的损伤程度,可以及时检修和加固,这对于保证输电杆塔的结构安全和正常运作具有重要意义。本文通过小波包分解得到的小波包能量构建损伤识别指标,采用数值模拟与试验验证相结合的方法,提出了一种判断输电塔节点板上螺栓松动损伤程度的方法,并将其应用到不同的研究对象上进行验证。主要研究内容和成果如下:1.用ABAQUS软件建立了输电塔多尺度模型,在环境荷载作用下对输电塔结构进行螺栓松脱损伤识别,选取输电塔塔腿的一块节点板进行分析,提出用小波包总能量变化率RES(the change rate of total energy)作为损伤识别指标,将测点处提取到的动应变数据带入小波包分解计算出损伤识别指标RES,结果表明测点处的应变对其附近的螺栓是否发生松动较为敏感,并把五个测点所得到的指标综合起来分析,得出所有工况下五个测点RES的最小值指标可以有效识别出节点板是否发生损伤以及损伤程度,即轻度损伤和重度损伤。2.以课题组制作的输电塔模型为试验对象,对数值模拟相对应的塔腿处一块节点板进行试验。使用高精度的PVDF(聚偏二氟乙烯,polyvinylidene difluoride)压电薄膜作为数据采集工具,以基于物联网技术的无线传感器为传输设备,采用激振器对输电塔的底部施加白噪声激励来模拟环境噪声的影响,在试验过程中保证激励位置和损伤前后施加的激励相同。结果验证了数值模拟中所得到的结论,即测点对附近螺栓松动的敏感性以及所有工况下五个测点RES的最小值指标的有效性,因此在该节点板上的螺栓附近粘贴的五个应变片测点可以有效地识别出节点板是否发生损伤以及损伤程度,为后续输电塔节点无人值守的健康监测方式打下了基础。3.对该损伤识别方法进行普遍适用性验证。从三个不同的研究对象探究此问题:(1)输电塔上部拐角处一块节点板;(2)改变塔腿处节点板的形状;(3)增加塔腿处节点板上的螺栓。采用和上述模拟时同样的建模方法和研究手段,将三种模型的测点处提取到的动应变数据带入小波包分解计算出损伤指标RES。得出在节点板研究模型发生改变时,测点处的动应变同样对其周围的螺栓是否发生松动较为敏感。并且所有工况下所布置测点RES的最小值指标依旧可以有效识别出节点板是否发生损伤以及损伤程度。

关键词： 分子反应动力学   量子波包方法   非绝热耦合   低温碰撞  

摘要： 玻恩-奥本海默（Born-Oppenheimer,BO）近似是分子反应动力学理论研究的基础。它假设原子核的运动可以由单个BO绝热势能面来描述,从而忽略了电子态之间的非绝热耦合。然而,很多情况下非绝热耦合对分子碰撞动力学起着重要作用,特别是在低温条件下,分子碰撞中的非绝热耦合效应则普遍增强。目前,低温反应动力学的研究,包括低温非绝热动力学的研究,主要采用了非含时密耦（Time-Independent Close-Coupling,TICC）方法。然而,由于TICC方法在数值计算上的限制性,使其很难扩展到复杂的反应体系。相比于TICC方法,量子波包（Quantum Wave Packet,QWP）方法具有更好的扩展性,可用于描述多原子体系的反应动力学。但是,常规的QWP方法很难应用到低温反应动力学的研究。为此,本文通过改进格点方法,发展了研究低温非绝热动力学的QWP方法。本文中,首先利用常规的QWP方法研究了Na（3p）+HD→Na H+D/Na D+H反应在较高温度下的非绝热动力学。由于该反应中的反应物和产物处于不同的电子态,因此反应过程中必然会通过非绝热耦合发生电子态跃迁。反应最小能量路径表明,该反应倾向于沿“插入”型反应路径发生。但是,QWP计算的结果表明该反应与经典绝热“插入”型反应具有不同的反应机理。通过比较绝热和非绝热计算的结果,发现该反应中的非绝热耦合会降低中间复合物的寿命。因此,尽管该反应沿“插入”型反应路径发生,但是不会像经典绝热“插入”型反应一样形成长寿命的复合物,而是入射的Na（3p）原子直接摘取H或D原子形成产物。最终,对该非绝热反应提出了“插入-摘取”反应机理。在低温反应动力学的研究中,QWP方法面临几个困难。一是由于低温下分子具有极长的德布罗意波长,计算中需要使用大量的格点。二是低温下的波包具有很慢的移动速度,计算中需要很长的演化时间。为了将QWP方法应用到低温反应动力学的计算,本文对QWP计算中常用的L型格点进行了改进。在改进的L型格点方法中,总格点空间分成了相互作用区和渐进区,并对两个区域使用了不同数量的振动和转动基组。改进的L型格点方法在节省计算格点数量的同时提高了演化效率,从而成功将QWP方法扩展到低温反应动力学的研究。利用QWP方法结合改进的L型格点,对非绝热H+Na D→Na（3s,3p）+HD反应在1～80 cm-1（约1～100 K）的碰撞能范围内进行了动力学研究。研究发现,在20～80 cm-1的碰撞能范围内,Na（3s）通道主要通过共线碰撞发生,而Na（3p）通道主要通过侧向碰撞发生。因此,H和Na D的相对碰撞角度对该非绝热反应的产物分支起着重要作用。当碰撞能低于20 cm-1时,Na（3s）和Na（3p）反应通道均由共振机理主导。此外,非绝热耦合在低温下会降低该反应的总反应性。在低温条件下,当碰撞分子处于电子激发态时,基于改进的L型格点的QWP计算将变得非常困难。为有效解决该困难,本文将总格点空间进一步分为相互作用区、渐进区和长程区（Interaction-Asymptotic-Long-range Regions,IALR）,提出了一种研究低温条件下电子激发态反应非绝热动力学的IALR-QWP方法。在IALR-QWP方法中,对三个区域使用了不同数量的振动和转动基组函数,尤其在长程区中仅使用了对应反应物初始振转态的一个基组函数。从而,大大降低了散射维度上的格点数量对总计算量的影响。利用IALR-QWP方法,研究了低温条件下Li（2s,2p）+HF反应的非绝热动力学。研究发现,Li（2p）+HF反应中电子激发的能量在低温下能够有效增加反应性。对于Li（2s）+HF反应,非绝热耦合对反应的影响很小,主要使反应几率出现较小的能移,并且在低温下非绝热耦合效应不会得到增强。此外,本文将IALR-QWP方法进一步扩展到非弹性散射的研究,并将其应用于三种典型的碰撞体系,证明了该方法能够准确描述低温下分子非弹性散射的绝热和非绝热动力学。本文着重研究了IALR-QWP方法在低温动力学计算中的效率和准确性。由于IALR-QWP方法具有较好的扩展性,因此可以用于研究更为复杂的碰撞体系在低温下的非绝热动力学。

关键词： 自旋   GeBi薄膜   CoFeB膜层   异质结   反常霍尔效应  

摘要： 自旋电子学的兴起和发展,为后摩尔时代集成电路的进一步发展提供了理论基础和前进方向。自旋相关效应和输运机制的深入研究,离不开材料体系的发现和蓬勃发展。随着微纳加工技术的成熟,磁性薄膜的制备和改良得到了长足的进步,使得新型器件的构建和应用成为可能,尤其对于SOT-MRAM储存单元中器件结构的创新尤为重要。CoFeB薄膜由于具有比普通铁磁性金属Fe、Co更高的自旋极化率,制备所得磁隧道结有较大的隧穿磁电阻等优点,吸引了大量的研究;除此之外,磁绝缘体薄膜具有低阻尼、低功耗等特点,也逐渐成为研究的热点。为了满足不同的使用需求,磁性薄膜的性能需要进行调制和优化。在此背景下,本文主要研究了GeBi薄膜对磁性薄膜CoFeB和Bi:Tm IG的影响,并希望以Bi:Tm IG薄膜构建磁存储单元,故制备了重金属/磁绝缘体自旋异质结,研究了其反常霍尔效应,为了进一步实用化,对其读写电路进行了设计和仿真。本文主要工作和相关研究如下:为了获得优异性能的GeBi薄膜进行后续研究,使用分子束外延设备制备了不同Bi含量的半导体GeBi薄膜,并进行了相关参数的测量分析。制备所得GeBi薄膜中Bi含量在2.76%～19.38%之间,载流子浓度在10cm量级。为了研究含有强自旋耦合效应的半导体材料GeBi薄膜对CoFeB薄膜磁性能的影响,制备了Si/GeBi(x)/CoFeB膜层结构,实验发现随着GeBi薄膜厚度的增加,对CoFeB薄膜矫顽力有较大的调制作用,为了验证是由于GeBi薄膜中Bi的磁耦合作用对磁性进行了调制,插入了Cu隔离层,制备了Si/GeBi(x)/Cu(3 nm)/CoFeB结构进行对比实验,Cu层存在的情况下,整体结构的薄膜磁性能无明显变化。最后针对不同的结构进行了铁磁共振测试。制备了GGG/Bi:Tm IG/GeBi结构,研究了GeBi薄膜的存在对整体结构磁光性能的影响。为了研究将Bi:Tm IG薄膜作为磁存储材料,通过光刻刻蚀工艺制备了Bi:Tm IG/Pt异质结,进行了反常霍尔效应研究,并尝试了通过GeBi掺Pt来增强反常霍尔效应。最后基于Bi:Tm IG/Pt异质结的特性,进行了磁存储单元的建模,并进行了基本读写电路的仿真设计,为进一步的实用化提供基础。

关键词： 次指数长时间稳定性   Birkhoff标准型   一维非线性薛定谔方程   非共振条件  

摘要： 本文证明了一维非线性薛定谔方程(NLS)在环面上解的长时间稳定性结果:iut=-uxx+V(x)*w+|u| 2u,x∈T:=(R/2πZ).考虑的相空间为Hilbert空间其中σ>0,[j]=max{|j|,e3}.在该空间下,本文有此结论:对于初值满足‖u(0,x)‖σ≤ε0(σ)的解在时间|t|≤ε-1/10|lnε|1/6内仍在原点附近,其中σ>0,ε0(σ)>0是只依赖于σ的充分小的数且0<ε<ε0(σ).

关键词： 石墨烯卟啉基分子器件   自旋逻辑门   自旋过滤效应   密度泛函理论   非平衡格林函数方法  

摘要： 基于集成电路的不断发展,以分子为单元来建构各种电子器件已成为元件不断小型化的有效手段之一。随着理论方法和实验工艺的提高和创新,利用电子的电荷和自旋双重属性设计制备分子自旋电子器件成为可能。与传统的硅基电子器件相比,分子自旋电子器件具有能耗低、响应速度快、集成度高等优势,使得其在信息化的新时代受到研究人员的广泛关注。在分子自旋电子器件发展过程中,石墨烯因其优异的导电和光学等性能成为理想的电极材料之一,同时,具有稳定平面结构的卟啉基分子因其优异的光电性能以及易于结合过渡金属展现出丰富的自旋特性深受人们青睐。因此以石墨烯电极和卟啉基分子构建的分子自旋器件成为了目前的研究热点。对于分子尺度上的自旋输运性质及其影响因素的理解是提高分子自旋器件性能和设计制备出多功能分子自旋器件的必要前提,也是推动分子自旋电子学发展必须探究的主要问题之一。本论文基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法研究了分子与电极接触、初始自旋构型等因素对石墨烯卟啉基分子器件的自旋输运特性的影响,在此基础上设计出具备多种功能的分子自旋电子器件。本论文的主要研究内容和结果概括如下:1.基于石墨烯铬卟啉配合物的多功能分子自旋器件对于纳米器件而言,量子干涉效应（Quantum Interference Effect,QIE）发挥着至关重要的作用。金属卟啉配合物在平面内能够自由地旋转,所以可以与石墨烯电极接触形成不同接触界面的分子器件。因此,我们将金属铬卟啉分子通过类似于环戊烷或苯环的接触构型桥接到扶手椅形石墨烯纳米片电极之间,研究分子与电极不同接触方式和QIE对分子器件自旋输运性质的影响。计算结果表明,两器件在平衡态下的透射谱中出现法诺共振和反共振峰。分析发现法诺共振是由能量相近的铬卟啉分子局域分子轨道与电极连续态之间的量子干涉所致,反共振峰的产生与相邻分子轨道电子空间分布的宇称失配相关。在费米能级附近,两分子结不仅都实现了理想的自旋过滤效应,而且通过接触界面的转换实现了自旋向上与自旋向下电子反共振峰的转换,从而实现了自旋过滤翻转。此外,接触界面的改变实现了p型、n型两种载流子的切换。因此,该工作对构建多功能器件以及提高器件的性能方面具有重要意义。2.基于石墨烯锰卟啉配合物的分子自旋逻辑门由一个或多个分子组成的自旋逻辑门非常有潜力成为应用于集成电路的基本模块。直接在单个分子上实现逻辑运算可以节约成本、减小占据空间,提高集成度。我们选用经六碳原子链连接的双锰卟啉分子为功能分子,在其两侧通过四碳原子链对称地连接到扶手椅形的石墨烯纳米带电极上构建分子器件。根据该分子结结构和自旋排序对称性的特点,研究了其中7种典型初始自旋构型的自旋输运性质。计算结果表明,自旋极化电流随电压的变化曲线依赖于过渡金属锰原子和电极与分子接触的锯齿形边缘碳原子的初始自旋构型。进一步分析得到不同的自旋构型影响左右两个锰卟啉分子的电子态分布以及它们之间的相互作用,从而产生不同的自旋极化电流-电压特性。详细地组合不同的自旋输入信号以及其自旋极化输出电流在合适的工作偏压区间,设计出了同时具备“是”、“非”、“或”、“或非”以及“异或”等多种逻辑功能的分子自旋器件。论文内容主要分为五部分:第一章对分子自旋电子学发展史、部分分子自旋电子器件、石墨烯性质与应用以及卟啉分子的相关内容进行简要介绍;第二章介绍了研究分子器件电输运性质的理论方法,并采用该方法研究了石墨烯作为电极在分子器件中的电输运性质。为后续石墨烯电极在自旋极化输运性质的研究提供理论支持;第三章研究了铬卟啉分子与石墨烯电极不同接触方式对其自旋极化输运性质的影响,研究其在自旋过滤以及载流子种类转换中的应用;第四章同时调节分子与电极的自旋态,研究不同的初始自旋组合对器件输运性质的影响;第五章对所做工作进行总结和展望。

关键词： Molecular dynamics  

摘要： We have investigated the peeling behavior between pressure-sensitive adhesive and silicon wafer by using molecular dynamics method. Our aim is to clarify the effect of the molecular weight of adhesives to the peeling behavior. We have conducted peeling simulations with various molecular weight of adhesives and various surface roughness of silicon substrate as modeled by amorphous SiO2. We focus on the stress-displacement curve, the maximum value of peeling stress and the energy required for the peeling. It was found that the larger molecular weight and larger surface roughness induced larger peeling energy. Peeling energy is dependent on the interface bonding status. On the contrast, maximum value of peeling stress partially correlates with the molecular weight. From the detailed observation of peeling process, it was found that peeling stress is dependent on the network of adhesive molecule chains. The maximum value of the peel stress increases as the number of partial molecular chains constrained to the substrate, and the number of the partial molecular chains connected to the constrained molecular chain via increase of cross-links. In addition, the number of interfaces of the connected partial molecular chain increases the maximum peeling stress. Our results provide a new insight to the design of adhesive. ©2022 The Society of Materials Science, Japan

关键词： 自旋波共振   体单轴各向异性   表面各向异性   界面单轴各向异性   层间耦合  

摘要： 本文采用线性自旋波近似和格林函数方法,研究了体单轴和界面单轴各向异性、表面各向异性、层间和界面耦合作用以及外加磁场等因素对磁性单层和双层薄膜的自旋波共振（SWR）频率的影响。我们发现调控这些因素均可以不同程度地影响磁性单层和双层薄膜中自旋波共振频率。首先,系统中各支模的SWR频率均随体单轴各向异性、外加磁场的增强而增大;表面各向异性有利于提高中低支模的SWR频率,且对同质对称双层薄膜系统中奇数模的SWR频率影响更大,对同质非对称双层薄膜系统中偶数模的SWR频率影响更大。其次,界面耦合作用对对称双层薄膜的偶数支模的自旋波共振频率贡献更大,且在较弱的层间耦合下,界面耦合作用对双层薄膜系统中最高支模的自旋波共振频率影响最大。最后,随着体单轴各向异性的增大,界面单轴各向异性明显增强了对异质双层薄膜中较低四支模的SWR频率的影响;且当A、B层的层间耦合作用增大时,有利于外加磁场对系统各支模的自旋波共振频率的提高。

摘要： Free radical induced oxidative stress has been reported to be involved in several diseases such as diabetes mellitus, neurodegenerative disorders, cardiovascular diseases (atherosclerosis and hypertension), respiratory diseases (asthma), cataract development, rheumatoid arthritis and in various cancers (colorectal, prostate, breast, lung, bladder cancers). Aldehydes are strong electrophilic compounds with terminal carbonyl groups making them highly reactive. Aldehydes may react with hydroxyl radicals forming radicals which, in turn, react with cellular components. Hydroxyl free radicals were generated by Fenton-based chemistry and reacted with aliphatic aldehydes to produce secondary radicals in the presence of the spin-trapping agent N-tert-butyl-a-phenylnitrone (PBN). Novel aldehyde related radicals were produced via Fenton chemistry and trapped using PBN to form stable adducts that could be analysed via the combined techniques of gas chromatography (GC) and mass spectrometry (MS). The significant findings of this work involve trapping various radicals such as propyl radicals, 2-methyl propyl radicals, butanal radicals (oxoallylic radicals), 2-methyl butanal radicals and methyl radicals in various conformations with PBN and its derivatives and elucidating the fragmentation patterns. The findings have been supported using deuterated isotopologues and PBN derivatives to aid in the understanding of the reaction mechanisms and structures.

关键词： 第一性原理   磁性原子掺杂   类石墨烯/炔纳米带   分子自旋电子器   自旋特性  

摘要： 随着芯片科技的不断发展,其内部传统硅基电子器只有不断缩小体积增大集成度才能满足人们未来对于电子设备的使用需求。可传统硅基电子器尺寸缩小至微观尺度时,电子器内部出现的量子效应会使其性能受到较大影响。以分子自旋电子学为基础而设计制造的分子自旋电子器可有效解决这一问题。而自旋电子的相互作用要比普通电荷间相互作用弱103倍,因此分子自旋电子器的能耗和稳定性是普通微型/分子电子器无法比拟的。而在分子自旋电子器材料的选择上,石墨烯由于其厚度很小（仅为单原子厚度）,并且在性能上有出色的载流子迁移率,电导率等特性;石墨炔是一种新型的碳纳米结构材料,其结构具有共轭体系大、表面间距宽、化学性质和半导体性能稳定等众多优良特点。对于类石墨烯或类石墨炔纳米带,其边缘碳原子的电子占据控制着自旋极化传输,因此可以通过如掺杂缺陷、边界改性等多种方式更容易制作具备特定功能的分子自旋电子器件。本论文运用第一性原理的密度泛函理论（DFT）与非平衡格林函数（NEGF）相结合的方法,研究了在类石墨烯/炔纳米带中掺杂磁性原子对其自旋特性的影响。研究工作包括以下三方面:（1）利用三种磁性原子（铁、钴、镍原子）掺杂到含氮锯齿型类石墨炔纳米带（N-ZGyNRs）中对于该结构自旋性质及电学性能影响的研究。研究结果表明:掺杂不同的磁性原子可以有效调控原始N-ZGyNR的自旋性质和电学性能,从而可以获得人们所需性能的分子自旋电子器。（2）利用三种磁性原子（铁、钴、镍原子）掺杂到双层锯齿型石墨烯-石墨炔纳米带（d-pure-ZG-GyNRs）双探针结构中对其自旋性质及自旋电子输运影响的研究。研究结果表明:掺杂了不同磁性原子（M）的d-M-ZG-GyNRs双探针结构存在层间耦合效应,对所有结构的自旋极化电流产生了增强效果,d-Fe-ZG-GyNRs和d-Co-ZG-GyNRs的自旋性质表现为明显的自旋分裂,其中d-Fe-ZG-GyNRs表现出较为明显的自旋过滤效应,对自旋过滤器的研究和设计应用提供了新的前景。同时还发现d-M-ZG-GyNRs的总最大功率Pmax（sum）均较d-pure-ZG-GyNRs高,因此对于分子自旋电子器的性能提升手段提供了思路。（3）利用磁性钴原子掺杂到单层锯齿型石墨烯-石墨炔纳米带（Co-ZG-GyNRs）,同时使中心散射区与左右电极区成一定角度θ的Co-ZG-GyNRs-θ耦合双探针结构,观察其自旋电子输运性质。研究结果表明,Co-ZG-GyNRs-θ中存在下自旋极化电流被完全抑制的自旋过滤效应,同时该结构存在耦合效应使得上自旋极化电流随θ增大而增大,因此该结构可为自旋过滤器的设计以及提升分子自旋电子器性能提供一定思路。