人工聲子帶隙材料及聲學器件的研究

《人工聲子帶隙材料及聲學器件的研究》是依託南京大學，由陳延峰擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：人工聲子帶隙材料及聲學器件的研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：陳延峰
• 依託單位：南京大學

項目摘要

人工聲子帶隙材料包括聲子晶體和聲超構材料、聲學超晶格和離子型聲子晶體及壓電半導體量子阱構成的壓電超晶格。研究人工聲子帶隙材料中聲波的激發、傳播和耦合物理過程，通過材料、周期結構和人工原子等的設計，利用局域共振結構和壓電振動耦合，調製人工聲子帶隙材料的能帶結構，實現對聲場的調控。在此基礎上，一、設計製備聲子晶體和聲超構材料，研究聲學表面消失波及其亞波長物理效應，探索實現亞波長、小尺度、寬頻和高指向性的換能器陣列的新途徑；二、聲子晶體與聲表面波結合，調控聲表面波的色散，研究聲表面波器件設計的新方法；三、利用GaN基的半導體量子阱的壓電調製，設計製備周期為納米量級的聲學超晶格，探索甚高頻聲子（數十GHz）的激發和調控的新途徑；四、關注亞波長效應在聲相控陣換能器陣列中的作用，探索高性能相控陣聲納的新思路。發展人工聲子帶隙材料的設計理論和材料，為新一代超高頻、亞波長和寬頻聲學器件的發展鋪平道路。

結題摘要

在理論和實驗上深入地研究了人工聲子帶隙材料的設計、製備和物理效應及其器件套用。取得如下進展:（1） 在基礎物理方面,發展了拓撲聲學、狄拉克聲學、功能聲學材料等方向。在拓撲聲學方向，基於近鄰耦合，在雙Dirac錐附近實現能帶反轉，進而實現聲學類比的類Kramers簡併態的聲學量子自旋霍爾效應，從實驗上首次實現了聲的拓撲絕緣體。在狄拉克聲學方向，基於聲表面波聲子晶體，系統地研究了一種聲表面波類石墨烯，在該人工石墨烯系統中觀測到聲波的類擴散傳播以及彈道輸運，並首次觀測到聲表面波“顫動”效應，即實現了一種類Dirac粒子和反粒子的干涉現象。在功能聲學材料方向，設計了聲隱身地毯、全向聲吸收器件、聲波單向傳輸器件、聲頻譜分析器件、聲濾波器件。（2）材料體系上，發展了新的聲功能材料：研究了用於水聲換能器的聲阻抗匹配材料，利用石英尖錐陣列和環氧樹脂製備了適用於超聲換能器的寬頻梯度超構材料聲阻抗匹配層，由之裝配的換能器獲得了超過100%的-6dB頻寬，這個指標遠遠優於傳統的λ/4匹配層的頻寬。（3）在材料製備技術和表征技術方面取得重要進展：發展了基於FIB、光刻、濕法腐蝕與化學電鍍工藝相結合的LIGA技術,在LiNbO3晶體表面製備了表面波聲子晶體,其優點是換能器、聲子晶體、接收器相集成，工作於微波聲學波段。在表征技術方面，研製了三台基於雷射掃描干涉成像技術的高分辨聲振動探測設備：1、利用基於光折變晶體的外差雷射干涉技術，能夠實時、準確地捕捉頻率在百兆赫茲的彈性體聲波的振幅及相位信息。2、進一步集成微米量級的二維雷射干涉掃描系統，成功實現了聲表面波聲場的成像測量。3、基於脈衝雷射的“泵浦-探測”原理，研製了一套超快皮秒相干儀以及時域熱反射譜系統，可高效、無損地探測固體材料的彈性力學參數。本項目在實驗和理論方面的進展，以及製備技術和聲振動探測技術的進展，為下一步對聲功能材料和物理的深入研究奠定了基礎。