GaN基半导体/Terfenol-D复合结构磁-力-电-光多场耦合行为研究

Functional materials and structures are used in many important applications such as MEMS. There is not a single one-material that can be effective for exploring the multicoupling effects among magnetic, mechanical, electric and optical interactions, therefore, novel multifuctional composites are needed. Magnetoelectric composites, that have ability to mutual induct of an electric field and a magnetic field, have stimulate a sharply increasing number of academic and engineering research activities. So far, many investigations have focused on the perovskite ceramics. There are few reports on the ME effect based on the composites consisting of semiconductors and magnetostrictive materials. To efficiently control MEMS devices, an accurate description of the relations between the input and the output of devices, is essential. Since the electrical and optical behavior of the composites is magnetic field and stress field dependent, the purpose of this project is to model the magneto-mechano-electro-optical coupling characteristic of the behavior of GaN-based semiconductors/Terfenol-D composite. ME effect and the effect of magnetic field on the optical properties of composite changed will be discussed. The predicted results by the model will be of significant benefit to the application of nitride semiconductors in magneto-optical and magnetoelectric engineering.

现代高新技术装备对功能材料的需求日益迫切。由于单一材料在电、光、力、磁激励下无法同时存在良好的多重特性，因此具备功能集成化和多样化特点的新型功能复合材料逐渐成为研究热点，其中具有磁电转换能力的磁电复合材料是该研究领域的前沿课题。对于磁电复合材料的研究主要集中在利用陶瓷作为压电层，而半导体具有与压电陶瓷不同的电学特性，目前关于半导体压电效应的研究极少，对于其磁-力-电-光多物理场耦合行为的研究更是刚刚起步。本项目拟针对GaN基半导体/Terfenol-D复合结构的磁-力-电-光耦合行为展开研究，全面分析多物理场耦合机制，给出磁学、力学、电学、光学各物理量之间的定量关系，实现对其磁电效应的定量预测，揭示磁场、变形场对复合结构光学性能的影响。本项目的实施拟解决新型材料和结构多物理场耦合行为的准确刻画这一科学问题，项目的研究结果可为磁-电-光相互关联和控制的智能器件的设计研发提供理论基础和依据。

现代高新技术装备对功能材料的需求日益迫切。由于单一材料在电、光、力、磁激励下无法同时存在良好的多重特性，因此具备功能集成化和多样化特点的新型功能复合材料逐渐成为研究热点，其中具有磁电转换能力的复合材料是该研究领域的前沿课题。本项目针对GaN基半导体/Terfenol-D复合结构的磁-力-电-光耦合行为展开研究，全面分析多物理场耦合机制，给出磁学、力学、电学、光学各物理量之间的定量关系，实现对其磁电效应的定量预测，揭示磁场、变形场对复合结构光学性能的影响。针对本项目中周期性复合结构，本项目基于二阶位移场理论建立了高保真的广义单元微力学方法，相比于有限元方法，在满足同等精度条件下可以减少离散化需求，降低计算难度和复杂度；建立了一个可以描述电磁复合结构的有效行为和内部场分布的微力学模型，可以预测不同环境下任意组分、体积分数的复合物的应变分布和电磁场分布，在此基础上建立了GaN薄膜力-电耦合的非线性模型以描述压电效应；针对GaN/Terfenol-D复合结构建立了一套磁-力-电非线性多场耦合理论，可以预测外磁场和预应力对极化电荷的作用规律；针对GaN/Terfenol-D复合结构建立了一个磁-力-电-光多场耦合的非线性模型，分析预应力、磁场、压电场对复合结构能带的作用规律。针对磁性颗粒复合高弹体材料建立了动态磁粘弹性本构模型，可以反映复合材料分别在静态、动态加载下本构关系曲线的一些主要实验现象。针对已有的本构模型无法预测各向异性铁磁结构且无法捕捉多轴加载下铁磁结构的力磁耦合行为的问题，本项目建立了弱磁场下考虑角度效应的铁磁材料的各向异性力磁耦合模型。建立了一个磁性结构的疲劳损伤力磁耦合模型，提出了利用材料表面的磁场强度信号判断材料疲劳状态的定量化方法。建立了一个微弱磁场下磁-热-弹塑性多场耦合模型，系统澄清了材料所处复杂环境中的磁场、载荷、弹塑性状态等因素是如何影响磁性结构表面磁场分布以及这些因素之间的耦合机制。本项目的研究结果可为磁-电-光相互关联和控制的智能器件的设计研发提供理论基础和依据。

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