《新型電磁功能表面及其Casimir排斥力的電磁調控機理研究》是依託清華大學，由趙乾擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：新型電磁功能表面及其Casimir排斥力的電磁調控機理研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：趙乾
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
微機電系統中由器件表面間距減小而導致的Casimir引力增大會引起器件粘著失效，限制其向更小尺度發展。本課題擬開展新型電磁功能表面及其Casimir斥力的電磁調控機理研究。由Lifshitz理論和散射矩陣理論出發，研究不同類型電磁回響色散介質對Casimir力的影響規律，探索新的Casimir斥力實現機理與方法；利用電磁超-超常介質（Meta-metamaterial）的設計理論，結合EMG理論和擴展Onsager理論等，研究超順磁納米顆粒的形狀、大小、電磁參數和填充率等對電磁功能表面有效電磁參數的影響規律，探索滿足Boyer條件的新型功能表面的設計與實現方法；研究電磁功能表面組成基元的磁化狀態隨外磁場的回響特性，揭示其外場調控Casimir引力與斥力轉變的機理；採用微納加工與自組裝方法構建MEMS摩擦副，並驗證其電磁調控特性。該研究為改善MEMS器件的粘著失效與摩擦主動控制提供了可能。
結題摘要
本項目按照計畫執行，順利完成研究計畫。所取得的成果如下：（1）表面間Casimir引力與斥力的實現機理與理論計算方法研究：基於多層膜間Casimir力的理論計算方法，進行了多層膜結構模型的設計與數值計算，提出了一種通過多層膜結構參數的最佳化設計來調節MEMS中摩擦副間Casimir力的思路，並以此研究了金屬和電介質材料膜層的影響、超-超常材料膜層的影響和外加場的影響。（2）基於超-超常介質理論的新型電磁功能表面設計與參數控制理論：基於超-超常介質的設計思想，利用非均勻的超順磁納米顆粒設計了一種人為構造的新型電磁功能表面，研究了顆粒尺寸的非均勻性等對電磁表面電磁參數的影響，以及對電磁表面Casimir力的影響，同時通過計算金球與電磁表面在各類液體中的Casimir力，發現Casimir斥力相比於自然材料顯著增強，進一步發現Casimir斥力效應源於電磁表面的低介電特性。另外，基於表界面電磁微納結構設計，理論提出並驗證了長方體介質微納結構實現各向異性電磁回響效應以及構築特定各向異性的電磁參數的可行性。（3）外場調控Casimir斥力的實現機理、計算理論與數值仿真：基於Mie諧振介電超構材料實現液體介質中的Casimir穩態平衡及懸浮，並研究此穩態平衡及懸浮間距受介電超構材料構造參數和系統的幾何參數的影響規律，給出介電超構材料的設計準則，並基於溶液濃度配比實現微球Casimir穩態懸浮。（4）新型電磁功能表面構建及其外場調控Casimir斥力的實驗研究：利用原子力顯微鏡，進一步排除靜電力，水動力和粗糙度等因素對測量實驗的影響，精確測量了金-乙醇-金，金-乙醇-二氧化矽和金-環己烷-聚四氟乙烯三個體系中的Casimir力，其中首次測得金-環己烷-聚四氟乙烯體系當中的Casimir斥力。同時實驗結果與利用不同介電模型得到的理論結果進行對比分析，研究了現有的液體介電模型的可靠性，並得到van Zwol等人提出的介電模型理論與實驗結果的一致性最好。
