从六大领域数十篇顶刊,看仿真模拟到底可以用来做什么?

在实验和表征之外,科研领域还有两大法宝:理论计算和仿真模拟。理论计算自是不必说,而对于仿真模拟,很多人则并不是十分了解。通过仿真模拟,有助于提高对很多领域各个物理过程的理解和认识,节省时间和实验成本,提高科研效率,获得优质的科研成果。

 

仿真模拟的应用领域非常广,今天我们主要介绍常用的六大领域:

  1. 力学与柔性器件
  2. 微纳光学
  3. 半导体器件与光学
  4. 电磁学与MEMS器件
  5. 流体与微流控器件
  6. 电池与电化学

 

一、力学与柔性器件

柔性器件在拉伸过程中的应力应变分布,太阳能电池弯曲应力分析。

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二、微纳光学

1. 光的传播与散射

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2. 光学超材料设计

超材料就是通过人工构造的周期性结构使得材料具有实现通常状态下材料不可能具有的属性,例如负折射率、负磁导率等。同过超材料能实现光学隐身、全相位相片、超级透镜等特殊的光学效果。在设计超材料的过程当中理论上的模拟计算当然是必不可少的,有限元方法则是模拟计算中最常用的数值计算方法。

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

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3. 光催化

不同位置由于电场局域程度不一样,催化效果也对应的改变。通过模拟计算得到了纳米金块不同区域的电场强度和反应的活化能,结果显示电场强的区域活化能更小,反应速率更快。

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Naturecommunications, 2017, 8: 14542.

 

4. 极化激元

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Nature Communications, 2017, 8: 15624.

极化激元能过增强局部电场强度,从而在光谱,催化等材料科学领域广泛应用。图中设计二维材料的纳米棒,通过在纳米棒不同位置激发,可以通过电磁场分析产生的极化激元的情况。

5.光学器件设计,天线、光纤、波导、滤波器、调制器、传感器(Nature Photonics,2017, 11(8): 486.)

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文章中设计了二维材料和半导体异质结构,通过此结构设计成低损耗的光波导器件,在分析器件工作之前,可先通过模拟计算得到器件的波导模式分布和损耗。在光学器件的设计中提前模拟计算往往是必不可少的。

 

6.光谱计算(可见、红外):各种器件、二维材料和分子等光谱计算(Science, 2018,360(6393): 1105-1109.)

 

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三、半导体器件与光学

主要包括光电器件的TCAD有限元模拟、FDTD时域差分电磁场模拟以及基于通用计算平台的载流子动力学模拟等。所涉及的材料体系包括常规半导体(如硅、砷化镓、氮化镓,钙钛矿等),半导体纳米结构(如量子点/薄膜,纳米线/柱/片等),金属纳米结构(如金属纳米颗粒)等。主要研究应用场景包括:

 

1. 光电转换器件物理:

常规器件光电转换效率的全流程模拟,包括器件光电响应仿真、光生载流子动力学模拟、内外量子效率计算、伏安曲线、转换效率等;

 

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图 1使用TCAD仿真软件模拟实现传统太阳能电池的全流程性能仿真,获得伏安曲线、内外量子效率等器件特性参数(Nat.Commun., vol. 4,no. May, p. 2950, 2013.)

纳米光学结构,如金属等离子激元、波导、光子晶体等,在太阳能电池上的应用

 

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图 2采用光学模拟探究各类光学结构对太阳能电池光吸收效能的影响,如背部金属电极、正表面金属结构、光子晶体、其他纳米谐振结构等(NanoLett., vol. 12, no. 1, pp. 214–218, 2012.)

 

其他微米至纳米级尺度光电器件和结构的光场仿真:

 

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图 3 (左) GaN纳米柱内部光场共振模式模拟与阴极射线荧光谱(CL)对比 (NanoLett., pp. 10–1021, 2018.);(右)InGaAs/GaAs超晶格纳米线激光远场干涉图样仿真与试验结果对比(Nano Lett., vol. 16, no. 6, pp.3524–3532, 2016.)

 

2. 光电表征环境模拟与参数提取:

半导体微纳结构的光学表征激发模拟,如共焦双光子的激发光场与荧光响应、平衡/非平衡光生载流子分布及其荧光响应,半导体材料荧光寿命图像(FLIM)的曲线拟合与参数提取等;

 

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图 4通过对GaN纳米柱荧光寿命(TRPL)衰减曲线的建模拟合分析,提取半导体材料的性能参数,如载流子寿命,迁移率,结构表面缺陷密度等(GalliumNitride Materials and Devices XII, 2017, vol. 10104, p. 101040U.)

 

3. 半导体材料超快光谱,包括超快荧光光谱(TRPL)、超快透射谱(TA)的曲线拟合与参数提取:

 

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图 5通过对钙钛矿材料超快透射光谱(TA)的建模分析拟合,提取出相关载流子的弛豫动力学参数 (Nat. Commun., vol. 8, p. 14120, 2017.)

 

4. 近场光学效应模拟:

金属/半导体纳米结构的局域场(LocalField)增强效应,即Purcell Effect模拟,包括基于光子晶体共振腔、波导、金属结构表面等离子激元等场景;

 

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图 6使用硅纳米线制作的纳米光学谐振腔。通过模拟获得其内部光场分布(左下)并计算出局部态密度增强系数(Purcell Factor)(右下)(Nat. Photonics, vol. 7, no. March, pp. 285–289,2013.)

 

四、电磁场分析与 MEMS多物理场模拟

1. 电容、电阻、摩擦电、压电传感器

模拟各种电学传感器的电流、电场、电势分布

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2. 麦克斯韦方程组分析与仿真模拟

通电线圈产生的磁场

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3. 磁性材料和永磁体有限元仿真

永磁体设计、永磁电机、磁性轴承以及与电磁相关的有限元数值模拟。

 

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4. 电磁场、声场和热场多物理场耦合有限元仿真

与电磁场、声场和热场等多物理场耦合相关的电磁场相关领域的有限元仿真

 

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五、流体与微流控器件

1. 涡流和流场模拟

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2. 电渗流以及物质在微流通道内的扩散

以下案例分析了一个U型电渗流器件中的溶质输运和扩散,使用模拟计算进行流体通道拐弯处几何优化,可以将弯曲引起的溶质弥散降至最低程度。

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3. 介电泳

介电泳(Dielectrophoresis)是在外加电场作用下,由于悬浮颗粒与溶剂之间介电常数差异造成的作用力。介电泳作用力会将介电常数小于溶剂的颗粒拉往电场强度较低的地方。另外介电泳力的大小还与颗粒半径有关,所以介电泳常被用来分离大小不同的颗粒或细胞。

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4. 两相流

T型管利用两种不互溶液体来产生各种大小的微液滴,但液滴形成的大小和两个入口的流速,表面张力都有关系。利用两相流模拟方法能够准确模拟T型管中液滴的形成过程,还可以研究流体流动和添加剂化学品等因素,了解它们如何影响液滴大小及形成。

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5. 各种亲疏水和浸润性现象

在固体表面亲疏水性和液滴表面张力作用下,液滴会发生各种不同的浸润性现象。

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6. 电浸润

电浸润就是通过外加电场操控液滴在固体表面的接触角。在一个原本疏水的表面,液滴具有较大的接触角,当施加一定的电压能使接触角变小。通过电极的设计和不对称施加电场,就能定向操控液滴的运动。电浸润的另一种应用场景是制作变焦透镜,通过电压调节液滴表面的曲率实现透镜曲率的调节。

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7. 马兰格尼效应

马兰格尼(Marangoni)效应是液体表面张力梯度引起的流体运动。模拟液滴蒸发过程中形成的马兰格尼流动。

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六、电池与电化学

1. Nature Energy, 2018, 3(12), 1076. Stable metal battery anodes enabled by polyethylenimine sponge hosts by way of electrokinetic effects. 仿真模拟研究多孔电极对电解液中电流密度和电极上锂沉积机理经行研究。

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2. Science advances, 2018, 4(11), eaat3446. An ion redistributor for dendrite-free lithium metal anodes. 通过模拟说明增加固态空间电荷层对锂离子分布的影响。

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3. Advanced Materials, 2017, 29(40), 1703729. Stable Li metal anodes via regulating lithium plating/stripping in vertically aligned microchannels.  通过模拟计算展示多孔电极中的电极电流密度分布。

 

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以上这些高水平文章都有一个共同点那就是使用了COMSOL数值模拟来帮助阐述科学问题。

COMSOL是功能非常强大的数值计算软件,能够根据研究者的需要自由地求解各种形式的偏微分方程。COMSOL越来越多地出现在高档次文章,越来越多的研究者将其应用于自己的研究,它可以模拟电磁,光学,声学,力学,流体,化工,电池与电化学等等各种能用偏微分方程来描述物理和化学过程。

如今在高档次文章中结合COMSOL仿真模拟来解释科学问题,展示物理机制的方式已经变得越来越常见。特别是对于这种机理解释型文章,一些仿真模拟可以说是必不可少的。

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