拓扑绝缘体薄膜生长与栅电压调控输运特性研究

文章讨论了三维拓扑绝缘体制备和输运性质研究方面的进展情况.首先介绍了拓扑绝缘体体材料和薄膜的制备,并介绍了文章作者利用分子束外延方法,在硅表面以及高介电常数材料钛酸锶表面生长高质量拓扑绝缘体Bi2 Se3薄膜的工作.然后介绍了拓扑绝缘体输运研究的现状,以及文章作者在栅电压调控拓扑绝缘体外延薄膜的化学势和输运性质方面的研究成果.     

拓扑绝缘体电子态的电场调控

文章简要介绍了对拓扑绝缘体性质的电场控制,主要包括三维拓扑绝缘体表面磁性的电场控制、电子在p-n结中的类光输运行为以及拓扑绝缘体量子点的特性.     

拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应

拓扑绝缘体是近年来发现的一类新的量子材料,已成为凝聚态物理的研究热点领域.厚度仅几纳米的拓扑绝缘体薄膜不但具有奇特的物理性质,而且还是拓扑绝缘体应用于平面器件的基础.文章以Bi2 Se3为例,介绍了Bi2 Se3家族拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长以及其能带、自旋结构和拓扑性质随层厚的演化.这些结果为人工调控拓扑绝缘体的电子结构和物理性质提供了指导.     

Z2拓扑不变量与拓扑绝缘体

文章回顾了几种Z2拓扑数的计算方法,并详细介绍了一种用非阿贝尔贝里联络表示绝缘体Z2不变量的计算方法.这种方法可以确定出一般能带绝缘体的拓扑性质,而不需要限定波函数的规范.利用这种新方法,文章作者计算了二维石墨烯(graphene)系统的Z2拓扑数,得到了和以前研究相一致的结论.     

石墨烯中自旋过滤态和量子自旋霍尔效应

采用拓扑不变量陈数和自旋陈数刻画交错磁场调制下石墨烯中的拓扑相变,并利用数值方法计算边缘态能谱.研究结果发现,通过调节交错磁场的强度和石墨烯的费米能量,系统中出现许多拓扑相,无能隙的边缘态可以在时间反演对称破缺的量子自旋霍尔体系中出现.进一步引入交换场,系统发生了从时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态到自旋过滤的量子霍尔态的拓扑相变.这些研究结果在自旋电子器件方面有着巨大的潜在应用价值.     

氧传感器

本文提供一个不会因为车辆的震动冲击而断裂的带有加热元件的氧传感器，这个氧传感器包括一个末端封闭的圆柱形氧检测元件和安装在氧检测元件中的加热元件。加热元件由绝缘体、螺旋地缠绕在它表面的发热体和导线构成。在绝缘体中，凹入的部分与导孔相连，导线从外圆周表面穿过导孔，发热体与导线在凹入的部分相连。发热体缠绕部分的外圆周表面比相连的绝缘体的外圆周表面的位置靠内。     

二维拓扑绝缘体退相干效应研究

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的热点.退相干效应对该体系的影响的研究不仅有重要的理论意义,而且也是实现未来量子器件的不可或缺的前期工作.文章作者从理论上研究了退相干对二维拓扑绝缘体特别是量子自旋霍尔效应的影响.研究结果表明,作为量子自旋霍尔效应的标志的量子化纵向电阻平台对不破坏自旋记忆的退相干效应(普通退相干)不敏感,但却对破坏自旋记忆的退相干效应(自旋退相干)非常敏感.因此,该量子化平台只能在尺寸小于自旋退相干长度的介观样品中存在,从而解释了量子自旋霍尔效应实验中所观测到的结果(见Science,2007,318:766).同时,文章作者还定义了一个新的物理量,即自旋霍尔电阻,并发现该自旋霍尔电阻也有量子化平台.特别是该量子化平台对两种类型的退相干都不敏感.这说明在宏观样品中也能观测到自旋霍尔电阻的量子化平台,因此更能全面地反映量子自旋霍尔效应的拓扑特性.     

随机响应约束下的桁架结构拓扑优化

研究随机响应约束下的桁架结构拓扑优化问题具有重要的工程应用前景.文章采用自适应遗传算法(AGA)求解了随机响应约束下的桁架结构拓扑优化问题.通过引入海明距离生成高质量的初始种群、采用自适应的交叉和变异算子以及对适应度函数进行线性标定这三个步骤改进了遗传算法的搜索效率以及收敛性.在拓扑优化列式中考虑杆件以及各自由度的拓扑变量以精确地模拟优化过程中杆件和结点的删除.建立了随机载荷作用下结构均方响应的表达式,并以此作为拓扑优化问题的约束条件.另外,提出了一些启发式算法来引导杆件和结点的删除.最后,通过对随机激励下的二维桁架以及三维桁架进行拓扑优化计算,证明了本文方法的实用性和有效性.     

基于复合材料的水下耐压结构拓扑优化探究

探究基于复合材料的拓扑优化设计方法在水下耐压结构设计中的应用.本文方法是在等值线方法、SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)模型、灵敏度过滤技术的基础上,推导复合材料的等效刚度矩阵.通过经典桥形结构优化算例、静水压作用下的结构拓扑优化设计以及空心水下耐压结构优化设计,分析了在拓扑相关载荷作用下,复合材料对于水下耐压结构的最优拓扑形式的影响.发现复合材料与各向同性材料结构的优化结果比较相似,而复合材料的铺层方式及角度的变化可能对优化结果产生较大的影响,本文对空心耐压结构的优化结果与MIT团队提出的耐压壳概念相类似,说明复合材料的拓扑优化研究对于未来水下耐压结构的设计具有重要的参考价值及指导意义.     

基于DAWSON法小水线面双体船模型兴波阻力及浮态预报

针对小水线面双体船型,基于Dawson法,通过船体局部网格快速划分迭代求解船体模型在不同航速下的兴波阻力、纵倾、升沉以及不同航态下的湿表面面积变化,并给出预报结果与模型试验结果的对比。