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单晶势垒层磁性隧道结隧穿磁阻的偏压效应研究

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单晶势垒层磁性隧道结隧穿磁阻的偏压效应研究

作者：臧璇南京邮电大学

学位级别：硕士

在自旋电子学研究领域中,磁性隧道结是一类重要的物理器件。由于存在无序散射,基于非晶态Al-O的磁性隧道结隧穿磁阻(TMR)较低,无法满足下一代自旋电子器件的要求。因此,以单晶Mg O作为势垒层的Mg O基磁性隧道结逐渐成为研究热点。人们发... 详细信息

在自旋电子学研究领域中,磁性隧道结是一类重要的物理器件。由于存在无序散射,基于非晶态Al-O的磁性隧道结隧穿磁阻(TMR)较低,无法满足下一代自旋电子器件的要求。因此,以单晶Mg O作为势垒层的Mg O基磁性隧道结逐渐成为研究热点。人们发现,Mg O基磁性隧道结具有很多与Al-O结截然不同的物理效应。其中,偏压效应得到了广泛的研究。实验结果表明,单晶Mg O基磁性隧道结TMR随偏压变化存在非单调特性,无法为传统磁性隧道结理论模型所解释。为此,本论文通过引入衍射物理方法来计入单晶势垒层的周期性及其带来的相干性的影响,构建了单晶势垒层磁性隧道结理论模型,并利用该理论模型计算了单晶势垒层磁性隧道结隧穿磁阻的偏压效应。主要的研究成果如下:1.对于普通铁磁电极情形,研究发现平行电导G(parallel conductance)、反平行电导G(antiparallel conductance)以及TMR均随偏压振荡,其物理机制来源于单晶势垒的周期势对隧穿电子的相干衍射。通过计算在不同的半劈裂能(35)、化学势μ、势垒层散射势分量v(K)下G、G以及TMR随偏压的变化曲线,本文研究了铁磁电极和势垒层材料对于偏压效应的影响。理论计算结果表明:G、G和TMR随偏压振荡的周期均随?单调递增,而随v(K)单调递减;G随偏压振荡的周期随化学势μ单调递增;G和G随偏压振荡的振幅均随化学势μ单调递增。2.对于普通铁磁电极情形,理论计算结果表明:0～100 m V范围内的偏压不会明显改变G、G以及TMR随势垒厚度振荡的特性。但是,当偏压增加到8 V时,G、G以及TMR随势垒厚度振荡的振幅和频率都会显著降低。此外,由于铁磁电极的能带劈裂,G的直流分量会随偏压增大而显著减小,而G的直流分量随偏压增大基本保持不变。3.通过引入晶格畸变作用,研究了普通铁磁电极情形下偏压对于温度效应的影响。理论计算结果表明:0～100 m V范围内的小偏压对于TMR几乎没有影响。在该偏压范围内,TMR随温度单调下降,且TMR的变化主要来源于G随温度的改变。上述结果与Mg O基磁性隧道结实验结果一致。当偏压增大到1 V时,G和G随温度变化呈非单调特性。当偏压进一步增大到8 V时,G、G以及TMR随温度基本不变。此外,G随偏压振荡的周期和振幅均随温度升高而减小。4.在半金属铁磁电极情形下,G随偏压变化的行为与普通铁磁电极情形下有本质区别,即G随偏压单调递增而不随偏压振荡。在物理上,G不随偏压振荡可作如下解释:对于半金属铁磁电极情形,对应于所有入射隧穿电子波矢的散射波矢p和q只能为虚数,因此散射电子p和q分波波函数是衰减型的而非振荡型的。G随偏压单调递增是因为:对于G通道,有贡献的隧穿电子和可供隧穿电子跃迁的空态同时随偏压增大而增多。此外,G和TMR的偏压效应与普通铁磁电极情形类似。

关键词：磁性隧道结隧穿磁阻偏压效应自旋极化输运自旋电子学

大跨无中墙连拱隧道偏压效应及结构承载特性研究

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大跨无中墙连拱隧道偏压效应及结构承载特性研究

作者：熊文超中南大学

学位级别：硕士

随着我国中西部高速公路建设的发展,连拱隧道因其在选线、线型规划等方面优势显著,桥隧、路隧相连工程中大量采用连拱隧道结构型式,近几年国内也提出了无中墙连拱隧道结构型式并在云南省多条高速公路建设中推广应用,但工程实践表明浅埋... 详细信息

随着我国中西部高速公路建设的发展,连拱隧道因其在选线、线型规划等方面优势显著,桥隧、路隧相连工程中大量采用连拱隧道结构型式,近几年国内也提出了无中墙连拱隧道结构型式并在云南省多条高速公路建设中推广应用,但工程实践表明浅埋、偏压条件下大跨度无中墙连拱隧道存在偏压作用显著和衬砌结构承载特性不明等突出问题。为此,本文依托新疆建设兵团师域发展创新支持计划项目《浅埋偏压无中墙大跨径连拱隧道施工技术研究》,以云南某隧道为工程依托,采用现场测试、数值模拟等方法,研究了浅埋偏压条件下三车道大跨无中墙连拱隧道偏压效应及结构承载特性,在此基础上提出了大跨度无中墙连拱隧道结构优化措施并分析了效果。论文主要完成了以研究工作:(1)开展了浅埋偏压三车道大跨无中墙连拱隧道支护结构内力和山体深部位移等现场测试。基于现场测试数据,总结了支护结构内力变化特征,分析了后行洞开挖对先行洞支护结构内力的影响规律。结果表明,偏压作用对大跨无中墙连拱隧道结构内力和山体稳定性影响显著,导致先、后行洞结合部位局部衬砌承载能力不足而发生开裂等问题,并根据测试结果,初步总结了衬砌开裂原因。(2)针对浅埋偏压大跨无中墙连拱隧道施工过程中边坡位移较大的问题,结合现场施工情况进行施工过程数值模拟,分析了大跨无中墙连拱隧道动态施工过程中围岩塑性区、围岩位移和支护结构内力变化规律。结果表明,后行洞初支钢架直接搭接于先行洞钢架上易引起较大的集中力作用,加之地形偏压和后行洞施工偏压的叠加作用,导致先、后行洞搭接部位局部承载力不足而发生开裂现象,该部位为先行洞衬砌承载薄弱位置。同时浅埋侧先行洞覆盖层约束薄弱,导致山体发生较大水平位移,局部出现失稳趋势。(3)针对大跨无中墙连拱隧道偏压效应显著的问题,采用数值模拟方法开展了平坦地形、倾斜地形条件与不同围岩等级多种组合工况下围岩塑性区、围岩位移、衬砌内力等对比分析。结果表明,三车道无中墙连拱隧道偏压效应由地形偏压、施工偏压共同叠加影响。基于分析结果,探讨了大跨无中墙连拱隧道结构型式宜应用于围岩条件较好的IV级围岩及其以上地层。(4)针对大跨无中墙连拱隧道后行洞施工扰动作用大,先后行洞钢架连接质量差的施工难题,对大跨无中墙连拱隧道提出开挖施工优化措施及初支钢架优化措施,并进行数值模拟验证,发现优化后的钢架连接型式有利于改善先行洞衬砌不利截面受力状态,提高衬砌结构的承载能力。图140幅,表31个,参考文献79篇。

关键词：隧道工程无中墙连拱隧道承载特性偏压效应

单晶二维材料势垒层磁性隧道结的偏压效应研究

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单晶二维材料势垒层磁性隧道结的偏压效应研究

作者：吕涛涛南京邮电大学

学位级别：硕士

磁性隧道结(MTJ)作为一类重要的自旋电子器件,在数据存储等方面得到广泛的应用。随着对存储容量需求的不断提升,人们对磁性隧道结的尺寸和性能提出新的要求。二维材料由于具有原子层级的厚度以及诸多新奇的物理特性,将有利于缩小磁性隧... 详细信息

磁性隧道结(MTJ)作为一类重要的自旋电子器件,在数据存储等方面得到广泛的应用。随着对存储容量需求的不断提升,人们对磁性隧道结的尺寸和性能提出新的要求。二维材料由于具有原子层级的厚度以及诸多新奇的物理特性,将有利于缩小磁性隧道结的尺寸以及提高其性能。因此,以单晶二维材料作为势垒层的磁性隧道结得到了广泛的研究。实验发现,在单晶二维材料势垒层磁性隧道结中,隧穿磁阻会随外加偏压振荡。该偏压特性无法通过传统理论模型得以解释。为此,本文基于光学衍射的方法,构建了适用于单晶二维材料势垒层磁性隧道结的理论模型。该理论模型将单晶势垒层视作周期性光栅,因而可以充分计入二维材料势垒层的周期性及其带来的相干性。进一步地,利用该理论模型,本文分别计算研究了普通铁磁电极和半金属铁磁电极情形下,单晶二维材料势垒层磁性隧道结的偏压效应。主要研究内容如下:1、研究了普通铁磁电极情形下,隧穿电导和TMR的偏压特性以及普通铁磁电极参数对该偏压特性的影响。理论计算发现:由于单晶二维材料势垒层对隧穿电子的相干散射,平行隧穿电导G、反平行隧穿电导G和TMR均随偏压振荡,且TMR随偏压振荡的振幅随半交换劈裂能Δ单调递增,而随化学势μ单调递减。此外,偏压对于铁磁电极材料的选取几乎没有影响,即在不同的偏压下,均应选取低化学势μ和高半交换劈裂能Δ的铁磁电极材料以实现高TMR。2、分别研究了普通铁磁电极情形下,二维材料势垒层参数对偏压效应以及偏压对势垒层厚度振荡效应的影响。研究结果表明:G、G和TMR随偏压振荡的周期均随势垒层厚度和散射势傅里叶分量v(K)单调减小。此外,当偏压低于0.1 V时,偏压对隧穿电导的厚度变化曲线影响较小;当偏压继续增大时,反平行隧穿电导G的厚度变化曲线会显著依赖于偏压。3、研究了半金属铁磁电极情形下,隧穿电导和TMR的偏压特性以及半金属铁磁电极参数对该偏压特性的影响。结果表明:与普通铁磁电极的情形不同,由于完全的自旋极化破坏了隧穿电子波的相干性,G此时不再随偏压振荡,而是随偏压单调递增。与普通铁磁电极的情形类似,G和TMR均随偏压振荡,且TMR的偏压特性曲线在低偏压区域的变化率随半交换劈裂能Δ单调递增,而随化学势μ单调递减。此外,偏压对半金属铁磁电极材料的选取与普通铁磁电极时的情形类似。4、分别研究了半金属铁磁电极情形下,二维材料势垒层参数对偏压效应以及偏压对势垒层厚度振荡效应的影响。研究表明:G和TMR随偏压振荡的周期均随势垒层厚度和散射势傅里叶分量v(K)单调减小,而G 的偏压特性几乎不受势垒层厚度的影响。此外,对于G和TMR,偏压对厚度振荡效应的影响与普通铁磁电极的情形类似,而G的厚度变化曲线会随偏压增大而整体向下平移。

关键词：磁性隧道结二维材料隧穿磁电阻偏压效应自旋极化输运自旋电子学

考虑偏压效应的边坡与基坑工程永临结合设计的研究

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城市勘测 2024年第2期 175-180页

作者：万鑫张杰青汪彪黎亦丹骆进武汉市勘察设计有限公司湖北武汉430022 中国地质大学(武汉) 湖北武汉430000

相较于单一的边坡或者基坑工程,永-临结合工程目前缺乏成熟的支护理论和方法。永久支护(设计使用寿命超过2年)和临时支护(设计使用寿命不超过2年)结合的工程常分开设计,而忽略相互间的作用和影响。近年来,城市地下空间呈现迅猛发展的态... 详细信息

相较于单一的边坡或者基坑工程,永-临结合工程目前缺乏成熟的支护理论和方法。永久支护(设计使用寿命超过2年)和临时支护(设计使用寿命不超过2年)结合的工程常分开设计,而忽略相互间的作用和影响。近年来,城市地下空间呈现迅猛发展的态势,出现了越来越多的基坑紧邻既有山体边坡的工程。此工程的基坑开挖改变了边坡原有的应力分布状态,对边坡的稳定产生不利影响;同时,边坡对基坑的偏压荷载使得基坑支护体系受力变得更加复杂。针对这一问题,武汉市某永-临结合工程在充分考虑了边坡-基坑结合支护下应力和位移相互影响,利用有限元分析方法分析了施工过程位移与沉降变化规律,并通过监测反馈进行验证。结果表明考虑了偏压效应的联合支护方案与监测结果较为吻合,在边坡偏压影响的区域,边坡与基坑需要共用围护体时应提升基坑临时性支护为永久性支护。

关键词：武汉市永临结合设计偏压效应数值模拟

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公路隧道偏压效应与衬砌裂缝分析

工程建设与设计 2024年第14期 77-79页

作者：孙卫广山东省公路桥梁检测中心有限公司山东东营257091

对公路隧道偏压效应和裂缝进行了研究,分析了偏压效应引起裂缝的机理和特点,以及裂缝对偏压效应的影响和反馈作用,同时总结了公路隧道偏压效应和裂缝的现状和危害,介绍了隧道设计和施工时需要考虑的因素,以及裂缝的检测和监测方法。

关键词：公路隧道偏压效应衬砌裂缝

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MgO基磁性隧道结温度-偏压相图的理论研究

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物理学报 2021年第10期70卷 268-273页

作者：吕杰方贺男吕涛涛孙星宇南京邮电大学电子与光学工程学院南京210023

MgO基磁性隧道结是自旋电子器件研究的热点问题,其温度特性和偏压特性在实际应用中极其重要.因此,亟需在理论上计算得到MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图.本文构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论.该理论将单晶势垒层视作周期性光栅... 详细信息

MgO基磁性隧道结是自旋电子器件研究的热点问题,其温度特性和偏压特性在实际应用中极其重要.因此,亟需在理论上计算得到MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图.本文构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论.该理论将单晶势垒层视作周期性光栅,利用光学衍射理论处理势垒层对隧穿电子的衍射,因此可以很好地计入隧穿电子波的相干性.根据此理论,同时计入温度和偏压的影响计算了MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图.理论结果表明,通过调节MgO基磁性隧道结的铁磁电极半交换劈裂能Δ、化学势μ以及势垒层周期势v(K_(h))可以优化其温度特性和偏压特性.该结果为MgO基磁性隧道结的应用提供了坚实的理论基础.

关键词：磁性隧道结隧穿磁阻效应温度效应偏压效应

复合式连拱隧道曲中墙施工力学行为时空演化规律

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隧道建设（中英文） 2022年第6期42卷 1022-1032页

作者：徐晴张素磊刘昌张国栋陈德刚青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033 青建集团股份公司山东青岛266071 北京交通大学城市与地下工程教育部重点实验室北京100044

为解决连拱隧道开挖过程中曲中墙安全承载问题,依托浙江省某在建复合式曲中墙连拱隧道,采用数值计算及现场监测手段对施工阶段曲中墙力学演化规律及偏压机制进行分析,并从设计、施工层面分别就曲中墙厚度及主洞施工步距对曲中墙应力及... 详细信息

为解决连拱隧道开挖过程中曲中墙安全承载问题,依托浙江省某在建复合式曲中墙连拱隧道,采用数值计算及现场监测手段对施工阶段曲中墙力学演化规律及偏压机制进行分析,并从设计、施工层面分别就曲中墙厚度及主洞施工步距对曲中墙应力及偏压影响规律进行研究。研究结果表明:1)连拱隧道主洞上台阶开挖对曲中墙应力分布影响显著,此阶段应力增量约占应力终值的50%,曲中墙以承受竖向应力为主,横断面最小截面为受力最不利位置。2)连拱隧道非对称开挖造成曲中墙承受偏压荷载,导致曲中墙发生向先行洞一侧偏转,偏转现象在先行洞开挖过渡至后行洞开挖阶段尤为显著。3)曲中墙厚度对其应力分布、偏转效应影响显著,曲中墙厚度的减小降低了结构承载能力;当曲中墙厚度为1.3 m时,曲中墙墙身应力急剧增大,曲中墙可能发生压溃失稳。4)主洞施工步距对曲中墙应力分布影响较大,但不改变曲中墙应力终值;随着主洞施工步距增大,曲中墙偏压弯矩越大,偏转效应持续时间越长。

关键词：复合式连拱隧道曲中墙现场监测力学特性偏压效应曲中墙厚度施工步距

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软弱围岩浅埋连拱隧道施工优化及支护受力研究

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软弱围岩浅埋连拱隧道施工优化及支护受力研究

作者：赵金鹏北京交通大学

学位级别：硕士

连拱隧道由于其独特的结构型式,结构受力在隧道建设过程中复杂多变,为了进一步探究连拱隧道受力变形规律以及施工方法的合理性问题,本文依托广东省江门市南山路连拱隧道与芦霞连拱隧道,结合有限元软件Midas GTS等数值模拟计算软件,对连... 详细信息

连拱隧道由于其独特的结构型式,结构受力在隧道建设过程中复杂多变,为了进一步探究连拱隧道受力变形规律以及施工方法的合理性问题,本文依托广东省江门市南山路连拱隧道与芦霞连拱隧道,结合有限元软件Midas GTS等数值模拟计算软件,对连拱隧道的施工优化以及支护受力进行研究。主要进了以下工作:(1)总结科研工作者以往提出的连拱隧道围岩荷载理论,并在此基础上进行改进和修正荷载分布形式,取消了中隔墙上方三角形荷载,推导出了连拱隧道深埋、浅埋以及偏压连拱隧道围岩压力计算方法,并对典型的几种方法的计算结果对比分析,同时也对连拱隧道深浅埋分界判别基准做出讨论。(2)阐述了连拱隧道的典型施工方法,针对偏压连拱隧道的正洞不同开挖顺序,利用有限元软件进行模拟计算,通过对计算结果的分析,得出先开挖浅埋侧正洞较优的结论,并与现场隧道结构变形监测数据进行了对比分析。(3)采用平面应变模型,针对地形偏压坡比影响连拱隧道中隔墙以及初期支护体系变形受力的问题进行研究,将连拱隧道地表偏压坡比分别取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2进行模拟计算,分析了偏压坡比对连拱隧道围岩位移、中隔墙位移以及初期支护受力的影响,定量的分析施工偏压与地形偏压的影响效应,并结合现场监测数据进行了对比验证。(4)提出不同的连拱隧道中隔墙基底加固技术,利用有限元软件对中隔墙不同基底加固技术进行模拟计算,对模拟结果进行对比分析,综合评价了不同中隔墙基底加固技术的优劣,并结合现场中隔墙水平位移进行对比验证。(5)分别从等效刚度、承载比、经济效益等角度评价格栅拱架与型钢拱架的优劣;依托现场实际工程,利用现场监测的方法,对比分析型钢拱架和格栅拱架在连拱隧道初期支护体系中的作用效果,剖析两种支护方式的力学机理,为以后支护体系方式的选择提供一定的技术参考。

关键词：连拱隧道偏压效应现场监测数值模拟

MgO基磁性隧道结温度-偏压相图的理论研究

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MgO基磁性隧道结温度-偏压相图的理论研究

作者：吕杰南京邮电大学

学位级别：硕士

MgO基磁性隧道结是自旋电子器件研究的热点问题,其TMR会随着外加偏压和温度显著变化,因此,在实际应用中,需要优化外加偏压和温度来实现最大的TMR,这相当于在MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图中寻找TMR最大的相点。为此,本文构建了适用于... 详细信息

MgO基磁性隧道结是自旋电子器件研究的热点问题,其TMR会随着外加偏压和温度显著变化,因此,在实际应用中,需要优化外加偏压和温度来实现最大的TMR,这相当于在MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图中寻找TMR最大的相点。为此,本文构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论。该理论将单晶势垒层视作周期性光栅,利用光学衍射理论处理势垒层对隧穿电子的衍射,因此可以很好地计入隧穿电子波的相干性。根据此理论,本文计算了单晶MgO基磁性隧道结的偏压特性,温度特性以及温度-偏压相图。研究结果如下:1.本文研究了普通铁磁电极情形下MgO基磁性隧道结的偏压效应和温度效应,并分别计算了在不同势垒层周期势,半交换劈裂能以及化学势下的隧穿电导以及TMR。计算结果表明:在不同势垒层周期势,半交换劈裂能以及化学势下,隧穿电导以及TMR均随偏压和温度振荡,在物理上,这来源于电子隧穿过程中势垒层周期势对其散射而带来的相干性。此外,隧穿电导以及TMR随偏压和温度振荡的周期和振幅会受到势垒层周期势,铁磁电极半交换劈裂能和化学势的调制。2.本文分别计算了不同势垒层周期势,铁磁电极半交换劈裂能和化学势下的MgO基磁性隧道结的温度-偏压TMR相图。理论结果表明:温度-偏压TMR相图显著依赖于势垒层周期势。同时,研究发现,可以通过调节半交换劈裂能使得TMR极大的相点处于室温区域中。此外,可以通过调节化学势改变TMR最大的相点对应的偏压。上述结果说明,通过调节铁磁电极半交换劈裂能、化学势和势垒层周期势可以优化MgO基磁性隧道结的温度特性和偏压特性,进而有利于MgO基磁性隧道结的实际应用。3.本文研究了半金属铁磁电极情形下MgO基磁性隧道结的偏压效应和温度效应,并计算了在不同势垒层周期势,半交换劈裂能以及化学势下的隧穿电导以及TMR。计算结果表明:反平行电导的大小随着温度和偏压均单调递增。这是由于铁磁电极的半金属性导致隧穿电子50%的分波为衰减波,进而破坏了隧穿分波间的相干性以及透射系数的振荡性。此外,温度的升高有助于反平行通道电子跃迁的实现,而偏压越高,两侧铁磁电极的化学势差别越大,反平行通道中对隧穿有贡献的电子也就越多,两者均会导致反平行电导变大。平行电导和TMR随偏压和温度振荡的特性与普通铁磁电极磁性隧道结类似。4.本文分别计算了不同势垒层周期势、铁磁电极半交换劈裂能和化学势下的半金属铁磁电极MgO基磁性隧道结的温度-偏压TMR相图。理论结果表明:与普通铁磁电极情形类似,半金属铁磁电极磁性隧道结的温度-偏压TMR相图对势垒层周期势比较敏感。此外,在本文选取的参数范围内,半金属铁磁电极磁性隧道结TMR最大的相点均处于低偏压区域,且可以通过调节铁磁电极半交换劈裂能和化学势使TMR最大的相点处于室温区域。因此,相比于普通铁磁电极MgO基磁性隧道结,半金属铁磁电极MgO基磁性隧道结更加符合实际应用的需求。

关键词：磁性隧道结隧穿磁阻效应温度效应偏压效应