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高压直流电缆聚丙烯绝缘电场调控

物理学报 2023年第6期72卷 325-334页

作者：俞葆青夏兵杨晓砚万宝全查俊伟北京国电富通科技发展有限责任公司北京100071 南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司) 南京211106 北京科技大学化学与生物工程学院北京100083

高压电缆是决定电力输送质量和容量的关键要素.聚丙烯由于自身优良的耐热性、绝缘性和绿色环保性被广泛关注,并应用于电缆绝缘材料开发.高压电缆聚丙烯绝缘材料需要承受脉冲电压和直流额定电压,容易引起电场畸变从而引发空间电荷积累.此... 详细信息

高压电缆是决定电力输送质量和容量的关键要素.聚丙烯由于自身优良的耐热性、绝缘性和绿色环保性被广泛关注,并应用于电缆绝缘材料开发.高压电缆聚丙烯绝缘材料需要承受脉冲电压和直流额定电压,容易引起电场畸变从而引发空间电荷积累.此外,电缆运行过程中,温度会急剧升高,严重影响电缆的绝缘性能,导致电树枝的引发和生长.因此需要对高压电缆进行电场调控从而抑制电场畸变、局部放电、电树枝化等劣化现象的出现.本文重点介绍了高压直流电缆聚丙烯绝缘材料电场调控的理论与方法,分析了当前电场调控的重点,最后展望了聚丙烯电缆绝缘的应用前景.

关键词：高压电缆聚丙烯电场调控绿色环保

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磁性多层膜中磁电输运性质和电场调控研究

磁性多层膜中磁电输运性质和电场调控研究

作者：韩洋佳山西师范大学

学位级别：硕士

近年来,随着全球数据信息总量迅速增长,人们对于存储器件的要求也越来越高。与传统的存储器相比,磁性随机存储器(MRAM)因其功耗更低、速度更快、寿命更长等特点受到广泛的关注。磁场驱动的传统MRAM存在相邻单元互相干扰问题,基于自旋转... 详细信息

近年来,随着全球数据信息总量迅速增长,人们对于存储器件的要求也越来越高。与传统的存储器相比,磁性随机存储器(MRAM)因其功耗更低、速度更快、寿命更长等特点受到广泛的关注。磁场驱动的传统MRAM存在相邻单元互相干扰问题,基于自旋转移矩(STT)的STT-MRAM虽然实现了电流驱动磁化翻转,但在耐久度方面存在不足;而基于自旋轨道转矩(SOT)的SOT-MRAM将读/写路径分开,有效解决了这些问题;目前,SOT-MRAM还存在着临界翻转电流密度偏高、需外辅助磁场实现翻转等问题。随着自旋流材料以及界面工程的发展,人们发现可以使用电场来控制垂直磁各向异性从而达到降低翻转电流的目的,同时还可以实现零外场电流驱动磁化翻转。由于电场相比于磁场更好操控,且可在局部施加,符合存储器高存储密度、低能消耗和高稳定性的要求。本论文中,我们使用超高真空磁控溅射-电子束蒸发设备生长了Ta/Pt/Co/Ta和Ta/Pt/Co/Mo O多层膜,将其加工成具有栅极电压的Hall bar器件单元,对其电输运性质进行对比研究,探究电场调控垂直各向异性(PMA)的机理。本论文研究具体研究内容如下:(1)采用磁控溅射生长出表面光滑的垂直磁化Ta/Pt/Co/Ta磁性多层膜,制备成栅极电极的Hall bar器件单元。研究了其反常霍尔效应、平面霍尔效应以及各向异性场等,得到0.3%的自旋霍尔磁电阻和数值为7.99±1.07(-6.65±0.69)Oe/(10 A/cm)的类阻尼转矩效率(?),实现了电流诱导SOT驱动的磁化翻转,室温临界翻转电流密度为10A/cm数量级;尝试了电场对多层膜磁性和SOT的调控,说明样品中氧离子浓度过低阻碍了电控磁的调控效应。(2)利用磁控溅射和电子束蒸发优化出表面粗糙度小且具有良好PMA特征的Ta/Pt/Co/Mo O磁性多层膜和Hall bar器件单元,获得具有较好方形度的反常霍尔曲线;样品具有良好的热稳定性和极弱的Co/Mo O界面扩散,在室温下实现了SOT驱动磁化翻转和约为6 Oe/(10A/cm)的类阻尼转矩效率;此外还研究了多层膜的各向异性场以及翻转电流密度与外磁场的关系。(3)利用KEITHLEY 2400源表对Ta/Pt/Co/Mo O(t=10-40 nm)多层膜器件单元施加电压,探究电压调控的磁性、转矩效率以及电流翻转密度等。发现正电压可把顺磁性的Ta/Pt/Co/Mo O转变为具有PMA特性的铁磁性,说明电压可有效驱动氧离子向Mo O转移;调控后样品的类阻尼效率显著增加,最大增幅超过2倍,同时伴随着临界翻转电流密度的降低,其内在原因可能是电压驱动氧离子迁移,在Co/Mo O界面处引起界面Rashba效应或自旋混合电导。

关键词：磁控溅射垂直磁各向异性自旋轨道转矩电流驱动磁化翻转电场调控

基于三明治结构的传热性能应变工程及电场调控研究

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基于三明治结构的传热性能应变工程及电场调控研究

作者：周娥湖南大学

学位级别：硕士

随着科学技术的发展,以石墨烯为代表的二维半导体材料的性质研究引起了广泛的关注,有望成为下一代新型半导体工业的核心材料。在材料制备技术快速发展的支持下,石墨烯、氮化硼、黑磷烯等多种二维材料先后被成功制备,并应用到电子器件等... 详细信息

随着科学技术的发展,以石墨烯为代表的二维半导体材料的性质研究引起了广泛的关注,有望成为下一代新型半导体工业的核心材料。在材料制备技术快速发展的支持下,石墨烯、氮化硼、黑磷烯等多种二维材料先后被成功制备,并应用到电子器件等多个重要领域。材料的热输运性质是影响器件使用性能及寿命的重要因素,有效预测和调控二维材料的传热性能是当下一个重要的研究课题。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了具有与石墨烯类似的蜂窝状结构的三明治结构的传热性能,以及应变工程和外加电场对其传热性能的调控规律,并从结构、声子色散关系、声子群速度、弛豫时间、散射相空间、格林奈森参数、电子结构和尺寸效应等多种表征声子输运性能的参数进行深层次的分析。首先进行组分设计,以中间层为碳原子,不同的元素填充外层原子的三明治结构,系统的对比研究了MgC、Mg Be C、BeC和MoC四种三明治结构的传热性质,其中Mg Be C是所预测出的一种新型Janus二维材料。四种三明治结构都具有较低的热导率,分别为3.74、8.26、14.80和5.13 W/m K,表明此类三明治结构的热输运性能的稳定性,不受元素种类的影响。在此基础上,通过对MgC和BeC施加双轴应力,研究了应变工程对三明治结构传热性能的调控作用。MgC和BeC对双轴应力的响应趋势明显不同,这与第三主族氮化物对双轴应力的一致表现不同。对各个应变下电子结构的对比分析中发现电子结构的杂化均匀程度可以很好的预测材料的热导率随双轴应变的变化趋势。费米能级附近杂化越均匀,则热导率越高。且应力随应变的一阶导数可以描述群速度随外加双轴应变的变化,因此可以作为描述符较为准确的预测热导率随应变的变化趋势。最后,以具有三明治结构的MgC为例,研究了面外方向电场对三明治结构传热性能的调控规律,并与具有类似蜂窝状结构的硅烯和锗烯进行了深入对比分析。与硅烯和锗烯中热导率随电场增加而迅速下降不同,MgC的热导率具有相对稳定的趋势。在0～0.3 V/(?)的外加电场下,MgC的热导率随电场强度的增加先降低后增大,且相对变化率小于一个数量级。这是由于MgC具有独特的三明治结构,其电子结构在电场作用下没有明显的变化,因此热导率具有相对稳定的表现。本论文预测了多种三明治结构的低热导率,并系统地研究了应变工程和电场对三明治结构材料传热性能的调控规律,将对电子器件的应用和传热性质的进一步研究工作提供研究基础和新的思路。

关键词：第一性原理计算三明治结构组分设计应变工程电场调控热输运性质

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外延交换偏置异质结的磁性及其电场调控

外延交换偏置异质结的磁性及其电场调控

作者：孟婧华东师范大学

学位级别：硕士

作为现代自旋电子器件的基础,交换偏置效应在自旋阀、磁隧道结及磁随机存储器中发挥着重要的作用。相比多晶交换偏置体系,外延交换偏置体系具有更可控的界面自旋构型且不同磁各向异性之间的竞争导致非同寻常的磁化翻转过程。利用电场调... 详细信息

作为现代自旋电子器件的基础,交换偏置效应在自旋阀、磁隧道结及磁随机存储器中发挥着重要的作用。相比多晶交换偏置体系,外延交换偏置体系具有更可控的界面自旋构型且不同磁各向异性之间的竞争导致非同寻常的磁化翻转过程。利用电场调控磁性既可以避免电流产生的焦耳热问题又具有低能耗的优势,为磁性调控提供了新的设计思路。应变介导的磁电耦合与交换偏置效应相结合给电控磁带来了全新的设计思想。基于外延FM/AFM异质结不同磁构型下的磁化翻转过程及其电场调控的研究,本文分为三个部分:1.采用磁控溅射方法在MgO(001)单晶衬底上制备了完全外延的Fe/FeRh/MgO(100)异质结中,研究其在低温下的交换耦合。尽管Fe/FeRh体系的磁滞回线在10-300 K温度区域内几乎没有偏移,但矫顽力(H)的增强证明了交换耦合的存在。交换耦合的方向垂直于冷却场(FC)方向,这与通常在反铁磁/铁磁(AFM/FM)界面中观察到的交换耦合现象不一致。矫顽力增加的行为可以通过spin-flop模型和界面中可旋转的FeRh磁矩来解释。几乎没有未补偿的钉扎AFM-FeRh磁矩,导致Fe/FeRh的交换偏置可以忽略不计。2.由于Fe/FeRh/MgO(100)没有明显的交换偏置,不利于进一步电场调控。因此第二部分工作采用磁控溅射方法在MgO(001)单晶衬底上制备了交换偏置分别沿着FeGa[100]和[110]方向的IrMn/FeGa外延交换偏置双层膜,研究了交换偏置取向对磁化翻转过程与磁化翻转场的影响。铁磁共振场随角度变化的测量与拟合表明样品存在不同取向的四重对称磁晶各向异性、单向交换磁各向异性0)0)0))和单轴磁各向异性的叠加。矢量磁光克尔效应测量表明0)0)0))∥[100]方向的样品中呈现出传统的矩形和特殊的两步磁滞回线;0)0)0))∥[110]方向的样品中表现出单边两步和双边两步磁滞回线。考虑不同交换偏置方向的畴壁形核和位移模型能够很好地解释磁化翻转路径随磁场方向的变化规律并拟合磁化翻转场的角度依赖关系,表明交换偏置方向的改变使得畴壁形核能发生显著变化。3.在第二部分工作的基础上,采用磁控溅射方法在PMN-PT(001)铁电衬底上插入3 nm的MgO缓冲层制备了IrMn/FeGa外延交换偏置双层膜,研究了电场对磁化翻转过程的影响。矢量磁光克尔效应测量表明,=0 k V/cm的样品呈现出矩形、传统的非对称和单边两步磁滞回线。90°畴壁形核和位移模型可以很好地解释磁化行为的变化,拟合结果表明初始态的磁结构是∥0)0)0))。通过电场调控使磁化翻转过程发生明显改变,=+6 k V/cm的样品表现为特殊的非对称磁滞回线和矩形磁滞回线,对于矩形磁滞回线对应的矫顽场则需使用180°畴壁形核位模型给出很好的结果,拟合结果表明施加电场使得磁构型转变为⊥0)0)0))。此外研究了特定角度下磁滞回线随着电场的变化关系,不同电场下K/M和ε°/M的变化呈非对称蝴蝶曲线,验证了在应力介导的磁电耦合作用下非易失性调控的实现。

关键词：外延交换偏置电场调控磁各向异性磁化翻转

CsPbBr3微晶的光辐射特性及电场调控研究

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CsPbBr3微晶的光辐射特性及电场调控研究

作者：潘欣美华中科技大学

学位级别：硕士

目前钙钛矿材料以其出色的光电性能和较低的生产成本受到科研人员的广泛关注,该材料具有光吸收系数高、载流子迁移距离长、发光波长可调以及制备工艺简单等多项优点,进而成为了光电器件领域的研究热点。相比于有机-无机钙钛矿材料,全无... 详细信息

目前钙钛矿材料以其出色的光电性能和较低的生产成本受到科研人员的广泛关注,该材料具有光吸收系数高、载流子迁移距离长、发光波长可调以及制备工艺简单等多项优点,进而成为了光电器件领域的研究热点。相比于有机-无机钙钛矿材料,全无机卤化铅钙钛矿材料具有更好的环境稳定性和毫不逊色的光电特性,在实现高性能器件方面展现出更优秀的发展潜力。然而对于晶体材料而言,缺陷始终是限制其性能提升的关键因素。针对该科学问题,本文通过配体辅助再沉淀法制备了高质量的CsPbBr钙钛矿微晶立方颗粒,并研究了其荧光和激光特性。此外本文结合电场对CsPbBr钙钛矿单晶表面卤素空位缺陷的调控,进一步开展聚合物薄膜对晶体表面缺陷钝化的研究。本论文的主要研究内容如下:(1)基于配体辅助再沉淀法,成功制备得到亚微米尺寸的CsPbBr立方晶体。在室温下加入油酸作为辅助配体,通过改变油酸的比例,进一步成功制备出微米带、矩形微盘等多种不同形貌的微腔。通过对样品进行光学显微镜、扫描电子显微镜以及X射线衍射仪等多种手段的系统表征,发现采用该种方法合成的样品具有较高的结晶质量,为制备高质量的全无机钙钛矿微纳结构提供了简单、有效的方法。(2)将CsPbBr亚微米晶体转移至金膜衬底构成Au/Si O/CsPbBr的复合结构微腔,并借助自主搭建的反射式光学微区测试系统对样品进行光学测试。在室温空气环境中采用400 nm飞秒激光的放大级激发样品,成功实现了高性能的单模激光。根据对多个样品测量的统计结果显示,该复合微腔结构的激光品质因数普遍在1600上下。而实验中测量得到该微腔的最低激光阈值为5.8μJ/cm,相应的品质因数高达2070。这表明通过配体辅助再沉淀法所制备的亚微米钙钛矿立方晶体具有作为高品质激光谐振腔的应用潜力。(3)对亚微米立方颗粒、微米带和微米片等三种不同形貌的CsPbBr单晶材料的发光特性进行了电场调控测试。在对微米带与微米片样品中的电场调控测试中,成功地实现了电场对晶体缺陷的钝化与激活。最后选择微米片样品作为研究对象,基于电场调控测试进一步研究聚合物薄膜对晶体缺陷的钝化作用。实验结果表明,聚苯乙烯薄膜对钙钛矿材料晶体表面缺陷具有较好的钝化作用,能够有效地改善材料的光致发光强度。这一研究为全无机钙钛矿材料的缺陷钝化提供了有效的方法,有利于提高钙钛矿材料的光电性能。

关键词：全无机钙钛矿单模激光电场调控缺陷钝化

晶须复配非线性电导材料性能及其电场调控优化研究

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晶须复配非线性电导材料性能及其电场调控优化研究

作者：龚阳智华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

非线性电导复合材料具有随外加电场强度变化而改变电导率的特性,对于场强分布极不均匀的高压设备而言,非线性电导复合材料提供了一种自适应地进行局部电场调控的方法,较传统的优化绝缘结构的均压方法而言,其在设计制造方面相对简单,有... 详细信息

非线性电导复合材料具有随外加电场强度变化而改变电导率的特性,对于场强分布极不均匀的高压设备而言,非线性电导复合材料提供了一种自适应地进行局部电场调控的方法,较传统的优化绝缘结构的均压方法而言,其在设计制造方面相对简单,有利于设备集约化布置。目前,非线性电导复合材料普遍存在填料体积分数较高的问题,影响了材料综合性能的优化,亟待研究解决。本研究制备了单一粒径碳化硅颗粒(SiCp)填充的硅橡胶(SR)基复合材料,材料在30vol%的较高体积分数下才能获得低于0.1MV/m的阈值场强,根据填料体积分数和粒径对复合材料电导率、介电和力学性能的影响,选择10μm SiCp与一维碳化硅晶须(SiCw)进行复配改性,以减小填料粒径和填充量,提升综合性能。研究发现,不同形状填料复配改性的15vol%SiCp+5vol%SiCw/SR复合材料的阈值场强远低于同体积分数单一粒径颗粒填充的复合材料,差距为2.04MV/m。与更大粒径更高填充量的30vol%40μm SiCp/SR相比,其低场强下的电导率是后者的137%,非线性系数是后者的128%,拉伸强度几乎达到后者的两倍。不同形状填料复配改性的非线性电导材料相较于大粒径高填充量的单一粒径颗粒填充材料具有更佳的非线性电导性能和力学性能,以及基本相当的介电性能,说明三维SiCp与一维SiCw复配改性能够在提升复合材料综合性能的同时,减小填料粒径和填充量。本研究仿真探究了非线性电导材料关键参数对500kV交流线路复合绝缘子电场调控效果的影响规律。结果表明,当材料阈值场强低于其所在位置的外加场强时,材料能降低绝缘子端部的高场强,阈值场强降低、非线性系数增大可进一步提升该效果。根据实测参数,仿真计算了所制备的SiC/SR材料对500kV交流线路复合绝缘子的电场调控效果。结果表明,15vol%SiCp+5vol%SiCw/SR可将绝缘子高压端伞裙护套表面的场强最大值从1.70MV/m降至0.76MV/m,降幅达55%,强于30vol%40μm SiCp/SR所达到的47%的降幅,证明了复配改性对材料非线性电导性能的提升作用明显,电场调控效果较大粒径高填充的SiCp/SR更优异。在此基础上,提出采用15vol%SiCp+5vol%SiCw/SR复合材料与均压环协同调控绝缘子电场分布的方案,该方案与均压环单独进行电场调控相对比,护套表面场强降至0.465MV/m左右所需的均压环尺寸从47mm减小到30mm,降幅达36%。更进一步地,协同调控时均压环的罩入深度还可由50mm降至30mm,仍满足场强小于0.5MV/m的指标。

关键词：非线性电导复配改性复合绝缘子电场调控

Fe_3O_4单晶薄膜磁性电场调控的微磁学仿真研究

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物理学报 2017年第13期66卷 216-224页

作者：杨芝张悦周倩倩王玉华武汉科技大学城市学院武汉430083 华中科技大学光学与电子信息学院武汉430074 武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室武汉430081

磁性薄膜磁学特性电场调控的相关研究对开发新型低功耗磁信息器件具有突出意义.本文基于电场调控磁性的基本理论,以OOMMF(Object Oriented Micro-Magnetic Frame)微磁学仿真软件为工具,研究了电场对生长于PZN-PT单晶衬底上Fe_3O_4单晶... 详细信息

磁性薄膜磁学特性电场调控的相关研究对开发新型低功耗磁信息器件具有突出意义.本文基于电场调控磁性的基本理论,以OOMMF(Object Oriented Micro-Magnetic Frame)微磁学仿真软件为工具,研究了电场对生长于PZN-PT单晶衬底上Fe_3O_4单晶薄膜磁学特性的调控.研究结果显示:无外加电场时,薄膜表现出典型的软磁特性;沿衬底[001]方向施加的外加电场可以使得薄膜矫顽力、矩形比等磁学特性发生显著改变:当外加磁场沿[100]([010])时,施加正值(负值)电场强度可以显著增大薄膜的矫顽力与矩形比,当电场强度不小于0.6 MV/m时薄膜矩形比达到1.这是因为外加电场导致薄膜产生单轴应力各向异性,使得薄膜的等效磁各向异性发生了从无外电场下的面内四重磁晶各向异性向高电场下的近似单轴磁各向异性的过渡.外加1 MV/m与-1 MV/m的电场时等效易磁化轴分别沿[100]与[010]方向.另外,外加1 MV/m(-1 MV/m)的电场强度可以使得铁磁共振的频率增大(减小)接近1 GHz.

关键词： Fe3O4单晶薄膜微磁学仿真磁性电场调控

电场作用下硬脂酸作为有机摩擦改进剂的润滑行为的分子模拟

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摩擦学学报 2024年

作者：李姗玲霍传腾易晓彬史俊勤范晓丽西北工业大学材料学院先进润滑与密封材料研究中心

采用分子动力学模拟方法研究电场作用下硬脂酸作为有机摩擦改进剂的边界润滑行为，从分子尺度揭示硬脂酸在SiO2表面的吸附和摩擦学特性.电场由表面电荷密度反映，其强度与方向决定了硬脂酸分子的极性基团与表面的相互作用强弱.微观构型... 详细信息

采用分子动力学模拟方法研究电场作用下硬脂酸作为有机摩擦改进剂的边界润滑行为，从分子尺度揭示硬脂酸在SiO2表面的吸附和摩擦学特性.电场由表面电荷密度反映，其强度与方向决定了硬脂酸分子的极性基团与表面的相互作用强弱.微观构型、密度分布以及分子倾斜率等分析表明，表面正电荷促进硬脂酸形成致密、规则的吸附膜，负电荷下吸附膜结构疏松，表面0电荷时吸附膜无序.摩擦过程模拟表明，电荷密度由负向正增大时摩擦系数显著降低，即通过电场调控可实现摩擦系数降低和润滑性能提升.

关键词：硬脂酸有机摩擦改进剂边界润滑电场调控分子动力学模拟

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电场调控表界面组装结构的STM研究进展

中国科学：化学 2017年第5期47卷 517-523页

作者：蔡镇锋王栋万立骏中国科学院化学研究所中国科学院分子纳米结构与纳米技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

功能分子在表界面上的自组装是制备分子纳米器件的重要途径.通过对外场因素如电场、磁场、光照与热场等的引入,可以实现对表界面分子组装结构的有效调控.本文从电场对表界面组装结构的调控出发,结合近年来本课题组与国内外的研究工作,... 详细信息

功能分子在表界面上的自组装是制备分子纳米器件的重要途径.通过对外场因素如电场、磁场、光照与热场等的引入,可以实现对表界面分子组装结构的有效调控.本文从电场对表界面组装结构的调控出发,结合近年来本课题组与国内外的研究工作,概述了电场对组装结构有序度、分子位向、二维乃至三维相转变以及表面反应等方面的研究进展,并展望了该领域的发展趋势.

关键词：自组装电场调控扫描隧道显微术