晶体与非晶体题型分析

晶体与非晶体题型分析（精选七篇）

晶体与非晶体题型分析 篇1

石英晶体振荡器, 简称晶振器, 是利用有压电效应的石英晶体片制成的。石英晶体自从被发现到现在有近百年时间, 二战后期才得到广泛使用。在受到外加交变电场作用时, 晶振会表现出谐振的特性, 利用这种性质它可以取代LC振荡电路、滤波器等。晶振体有很好的频率稳定性, 所以一般在要求频率稳定的振荡电路中作为谐振元件使用。近年来, 移动通信和汽车行业发展迅猛, 基站建设和汽车电子行业对于石英晶体振荡器的需求也就更多, 更是以集成化、数字化形式出现, 振荡器的体积和重量与以前的谐振器相比缩小数十倍。

2 晶体振荡器的组成和分类

2.1 晶体振荡器的组成

2.1.1 振荡电路

晶体振荡电路分为并联和串联两种电路模式, 一般使用的是并联晶体振荡电路。常用的振荡电路为克拉泼振荡电路, 这是一种电容反馈三点式电路, 它与考必兹振荡电路相比, 在电感支路有一个电容, 可以减小三极管对回路的影响, 进一步提高振荡电路的频率稳定性。晶振体振荡电路如图1所示。

2.1.2 输出电路

输出电路的主要作用是对振荡电路获得的信号进行缓冲、放大、整形, 得到需要的输出, 传输给后级门电路, 经常会使用到逻辑电平转化电路和分频电路。

在表示输出正弦波电平时, 需要住上谐波控制比, 方波或矩形波输出电平应注明TTL、CMOS或者其它, 是否要支流, 还要表示出占空比、上升时间、下降时间等参数。

2.2 晶体振荡器的分类

(1) 筒式晶振 (PXO)

(2) 压控晶振 (VCXO)

(3) 温补晶振 (TCXO)

(4) 恒温晶振 (OCXO)

(5) 组合晶振 (VCXO、VCTCXO、VCOCXO)

3 晶体振荡器电路分析方法

当晶体振荡器元件无法使用后, 首先要先将元件的各个参数进行标记, 包括各引脚的特性, 还要收集其输出波形、稳态工作电流、输出频率、引脚间的Ⅳ特性等数据信息, 并将这些数据信息和完好的晶振体元件进行数据比对, 初步判断元件失效的可能性。进行初步判断后, 将晶振体进行开封, 先使用用石英晶体测试仪判定谐振器是否有故障, 检测恒温晶振中采用的谐振器时, 要将谐振器的管脚与PCB板分离, 延长管脚再进行测试, 保证测量的准确性。对谐振器进行操作时, 要保证谐振器可以恢复检测前的状态。近些年来, 使用的贴片式普通晶振在侧端有测试点, 不需要拆封就可以对晶振器进行检测。初步判断完后, 接下来要测试振荡电路中的三极管, 由于皮尔斯电路中的三极管基极和集电极之间有一个电容, 所以根据这个特性在电路中比较容易找到。测试过程是使用示波器探测振荡器在动态工作时的波形, 然后将谐振器断开测量静态工作点, 将所测数据信息与正常数据进行比对, 判断是否发生在静态工作点发生故障。输出电路部分出现故障的所表现出来的一般是无输出、输出异常和输出波形幅度较小等。在测试过程中, 要先将谐振器断开, 测试放大电路比较器的输入端, 再测输出对地的Ⅳ特性或电阻值。若比较器输入电平异常, 测试控制整形放大的电路故障;若输出对地的Ⅳ特性或电阻值异常, 则大多是比较器芯片受损。对恒温电路的故障分析判断, 可以通过测量元件表面温度来判断, 若出现加电后没有没有明显升温或电流没有大幅度变化的情况, 则可以判断此恒温电路失效, 可以对热敏电阻和运算放大器进行单独测量比对分析。

4 晶体振荡器失效案例

4.1 静态工作点异常的案例

案例异常现象:晶体振荡器在静态模式下无输出信号。

案例处理过程:

(1) 将元件开封, 测试谐振器工作正常。

(2) 测试皮尔斯电路中三极管基极、集电极和发射极, 发现被测元件的静态工作点数据与完好的晶体振荡器有差别, 可确认为确定静态工作点的电路失效。

(3) 使用万用表等测试仪器判断静态工作点电路中哪个电子元件发生故障。

案例处理结果:1kΩ电阻失效, 更换电阻后晶振器正常工作。

4.2 动态振荡电路失效的案例

案例异常现象:晶体振荡器在动态模式下无输出或异常输出。

案例处理过程:

(1) 对被测元件进行开封电路分析, 测试皮尔斯电路静态工作点工作是否正常。

(2) 判断静态工作点工作正常, 比较器输入电平正常。

(3) 初步判断电路动态振荡电路异常。

(4) 对影响电路的动态状态元件逐一检查, 对各个接触点进行测试分析。

案例处理结果:电感线圈接头不牢, 重新焊接紧密后, 晶振器工作正常。

4.3 整形放大电路失效的案例

案例异常分析:三个晶体振荡器无法正常工作, 晶振器A无输出信号, 晶振器B输出波形异常, 晶振器C输出波形的高电平偏低。

4.3.1 案例处理过程:

(1) 对被测元件开封电路分析, 初步判断静态工作点工作正常。

(2) 测量三极管, 判断静态工作点正常。

(3) 断开谐振器, 测试放大电路比较器的输入端。

(4) 测量输出对地的Ⅳ特性和电阻值。

(5) 更换怀疑故障电子元件, 检查是否能够恢复正常工作状态。

4.3.2 处理结果:

三个失效品均是由于输出端过电, 导致比较器芯片受损, 振荡器失效。更换比较器后, 晶体振荡器恢复正常工作。

结语

石英晶体振荡器的失效情形有很多, 振荡器的各种失效所对应的表达形式各不相同, 甚至有时几种故障同时发生, 但只要对晶振体的结构和原理能够熟练掌握, 就可以很快的确定真正的失效机理。

摘要：本文首先介绍了晶体振荡器的结构、组成和分类, 之后通过具体的案例, 对晶体振荡器失效现象以及分析流程进行了分析研究, 最终确定了发生失效现象的机理。

关键词：晶体振荡器,振荡电路,输出电路,失效分析

参考文献

[1]赵声衡.石英晶体振荡器[M].湖南:湖南大学出版社, 1998.

晶体与非晶体题型分析 篇2

关键词：晶体硅光伏组件,在线固化,环形输送机

0 引言

在晶体硅光伏组件封装过程中, 须对密封粘结组件四周铝合金边框的硅胶进行固化, 其工艺要求为:将装框后的组件存储在温度为 (25±2) ℃、相对湿度大于70%的环境中4h以上, 确保组件防潮、防湿, 满足组件在野外环境下工作的可靠性。

目前, 大多数组件厂普遍采用的是离线固化方式, 即将装框后的组件相互堆叠码垛在木托上, 用铲车搬运至非组件封装生产线的场所 (如仓库) 进行集中固化。搬运过程中的振动、磕碰等因素易造成: (1) 组件电池片隐裂; (2) 硅胶溢出, 造成组件污染, 增加后道清洁工序工作量; (3) 由于硅胶的溢出造成组件密封不佳; (4) 边框铝型材划伤。这些都直接影响了组件质量, 导致全过程流水线生产模式无法实现。

为解决上述生产技术实际问题, 实现组件封装的在线固化, 研制了环形输送机, 并将其直接布置在组件封装生产线上, 使之成为整条封装生产线的一个生产单元。

1 技术方案分析

由于组件封装连续生产节拍约在1~1.25min左右。根据组件固化的工艺时间要求, 在该固化输送机上存储的组件数量至少要达到 (4×60) ÷1=240块。

考虑组件存放架的结构、承载重量、组件自动取料机械手的工作范围, 每个组件存放架设计为可存储15块组件, 则该输送机最少需配备存放架数目为240÷15=16件, 也就是最少须布置16部台车 (图1中画了12部台车) 。

根据最大组件的尺寸规格及输送机最优化占地的布局, 并避免台车在弯轨内运行时相互干涉, 确定每相邻台车间距为2 700 mm, 台车内侧车轮在弯轨内的回转半径为1 400 mm。

为满足组件生产节拍, 台车在输送机上的运行速度可调。在组件自动存储 (上料) 或自动卸料期间, 输送机停止运行, 而且组件的自动存储与自动卸料这2个过程是同时进行的。也就是说, 输送机的运动采用脉动步进方式, 每辆台车的运行节拍亦在1~1.25min左右。

当台车沿轨道运行一周后, 待固化的组件正好达到固化工艺要求的规定时间, 就可以完成组件固化。

2 设备结构

该环形输送机采用一种新颖的推式输送机结构, 其驱动装置、线体全都安装在地面上部。由组件存放架1、台车2、牵引链条3、轨道系统4、安装支架5、驱动装置6和张紧装置7等部分组成 (8为待固化的组件) , 如图1所示。

(1) 轨道系统为输送机的骨架, 由直轨和弯轨构成, 包括牵引链条的导向轨和台车运行的承载轨, 承载轨位于导向轨的两侧。轨道系统与安装支架连接并通过安装支架固定在地面上。

(2) 驱动装置又称为驱动站。由调速电机、减速箱、驱动轴总成、履带式驱动链条总成等部分组成。调速电机通过减速箱将动力传至驱动轴总成, 安装在驱动轴总成上的驱动链轮带动履带式驱动链条总成, 再由驱动链条总成上的拨爪推动牵引链条上的十字节, 使牵引链条向前运动。

驱动轴总成上安装有驱动链轮、传动链轮、过载保护器、离合器等部件。当线体过载时, 离合器断开, 使过载保护器工作, 行程开关动作, 切断电源, 调速电机停止工作, 线体也随之停止运行, 实现对牵引链条的保护。

驱动装置直接安装在地面上, 避免了传统推式输送机驱动装置需要开设地沟、地坑的缺陷, 因此也可以安装在楼层结构的厂房内。

(3) 牵引链条是由驱动装置驱动在导向轨道内作连续运行的部件, 在输送机中起到连接及传递台车的作用。牵引链条采用双向铰接, 因此, 它除了能作直线运动外, 还可随着导向轨道的曲线形状完成水平或垂直面内的空间曲线运动。

牵引链条每节长度为300mm, 包含有2个行走轮、1个导向轮和2个十字节。行走轮和导向轮各用双链板通过十字节和销轴相连接。行走轮和导向轮都采用滚珠轮结构。

牵引链条在每相邻规定节数长度的行走轮上安装有驱动台车运行的推杆头。

(4) 张紧装置由张紧螺杆、水平弯轨、伸缩轨、内框构成。当台车运行一段时间后, 牵引链条会出现销轴磨损、配合间隙变大、链条松动等现象, 此时可通过调节张紧螺杆的长度来驱动伸缩轨、水平弯轨及内框的运动, 实现链条张紧度的调节。

(5) 台车承载组件存放架装有4个尼龙材质的脚轮, 并在其上布置有驱动台车运行的推杆头安装套和控制台车运行方向的导向轴。

(6) 组件存放架设计为货架堆栈形式, 每层存放一块组件, 即组件间互不接触, 以避免硅胶对组件的污染。在存放组件的搁梁上套装橡胶管, 防止组件铝型材划伤或台车运行时组件滑落。

3 结论

(1) 实现了组件封装全过程流水线生产方式, 使组件在固化输送过程中平稳、可靠;用自动传输的方法确保了组件完全达到固化规定的时间, 且组件固化时采用货架存储方式, 固化效果好, 质量稳定。

(2) 该单元可根据组件生产厂实际情况, 布置在不同的场地 (如楼房) ;还可根据产能的大小来配置承载台车的数量, 从而确定线体的长度和形状, 灵活性强。

参考文献

[1]蒋俊祁, 蓝婷.光伏组件制造工艺及应用[M].北京:高等教育出版社, 2011

二维光子晶体波导的能带分析 篇3

光子晶体的概念最早是由C.Yablonvitch[1]和S.John[2]在1987年分别独立提出的, 光子晶体是一种介电常数呈周期性的新型光学材料, 目前光子晶体被发现的主要特征是光子禁带、光子局域和负折射效应。特殊的结构使其具有奇特的控制光子传播状态的特性, 产生了许多崭新奇特的物理性质, 可以用来制作全新概念和以往所不能制作的高性能光学器件, 拓宽了光子技术的应用领域[3]。

本文利用PWE分析含有线缺陷的二维光子晶体的能带分布。

1 平面波展开法

平面波展开法是应用Bloch定理将电磁波以平面波的形式展开, 将麦克斯韦方程组化成一个本征方程, 求解该方程的本征值便可以得到传播的光子的本征频率。此方法可以用来计算无限周期的光子晶体能带结构, 结合超原胞的方法还可以计算光子晶体缺陷模的位置[4,5]。

电磁波在二维光子晶体中的本征方程为:

$\begin{array}{l}\frac{1}{\epsilon (\mathit{r})}\nabla \times [\nabla \times \mathit{E}(\mathit{r})]=\frac{\omega {}^2}{c{}^2}\mathit{E}(\mathit{r})(1)\\ \nabla \times \left[\frac{1}{\epsilon (\mathit{r})}\nabla \times \mathit{{\rm H}}(\mathit{r})\right]=\frac{\omega {}^2}{c{}^2}\mathit{{\rm H}}(\mathit{r})(2)\end{array}$

由于光子晶体的介电常数、电矢量、磁矢量均为周期函数, 把$\frac{1}{\epsilon (\mathit{r})},\mathit{E}(\mathit{r}),\mathit{{\rm H}}(\mathit{r})$结合Bloch定理展开成傅里叶级数:

$\begin{array}{l}\frac{1}{\epsilon (\mathit{r})}={\displaystyle \sum _G\epsilon }{}^{-1}(\mathit{G})\text{e}{}^{i\mathit{G}\cdot r},(3)\\ \mathit{{\rm H}}(\mathit{r})={\displaystyle \sum _{G}h}(\mathit{G})\text{e}{}^{i(k+\mathit{G})\cdot r}(4)\\ \mathit{E}(\mathit{r})={\displaystyle \sum _{G}e}(\mathit{G})\text{e}{}^{i(k+\mathit{G})\cdot r}(5)\end{array}$

将倒格子空间展开式代入 (3) (4) (5) 式中计算得到:

$\begin{array}{l}{\displaystyle \sum _{{\mathit{G}}^{\prime }}\epsilon }{}^{-1}(\mathit{G}-{\mathit{G}}^{\prime })|k+\mathit{G}||k+{\mathit{G}}^{\prime }|e(\mathit{G})=\frac{\omega {}^2}{c{}^2}e(\mathit{G})(6)\\ {\displaystyle \sum _{{\mathit{G}}^{\prime }}\epsilon }{}^{-1}(\mathit{G}-{\mathit{G}}^{\prime })|k+\mathit{G}||k+{\mathit{G}}^{\prime }|h(\mathit{G})=\frac{\omega {}^2}{c{}^2}h(\mathit{G})(7)\end{array}$

(6) 式和 (7) 式就是TE和TM的特征方程。

给定一个k值, 用N×N列平面波来近似 (即G取N个不同的值) , 可以求得一组本征值, i连续从1取到N, 我们就可以得到N个同样形式的方程。把这些方程等号左边的部分和等号右边的部分分别相加, 就可以得到方程 (6) 的完全展开式, 把这个完全展开式化成矩阵形式,

$\left[\begin{array}{cccc}a{}_{11}& a{}_{12}& \cdots & a{}_{1{\rm N}}\\ a{}_{21}& a{}_{22}& \cdots & a{}_{2{\rm N}}\\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ a{}_{{\rm N}1}& a{}_{{\rm N}2}& \cdots & a{}_{{\rm N}{\rm N}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}e(\mathit{G}{}_1)\\ e(\mathit{G}{}_2)\\ \cdots \\ e(\mathit{G}{}_{{\rm N}})\end{array}\right]=\frac{\omega {}^2}{c{}^2}\left[\begin{array}{c}e(\mathit{G}{}_1)\\ e(\mathit{G}{}_2)\\ \cdots \\ e(\mathit{G}{}_{{\rm N}})\end{array}\right](8)$

然后将矩阵做变换, 化为对角矩阵, 就可以得到一系列的本征值。在坐标纸上, 以k为自变量, $\frac{\omega {}^2}{c{}^2}$为其函数画出一条条曲线。这些曲线就可以展示出光子晶体TE极化情况的能带结构, 从中就可以看出带隙的位置和宽度。

2 能带分析

本文设计的二维光子晶体波导的结构如图1所示, 是在25×13的二维圆柱正方晶格光子晶体的中心引入线缺陷形成的[6], 应用平面波展开法对其能带分布进行数值模拟, 在这里我们只研究TE模变化的情况。

2.1 介质折射率的影响

二维光子晶体波导是由两种以上不同折射率的介质组成, 我们选取背景材料为空气 n=1, 圆柱材料的折射率大于1, 晶格周期a=1 μm, 介质柱的半径r=0.2 μm, 取如图2所示的晶胞单元, 在简约布里渊区对称点Γ、K、M、Γ的每两个点之间插入四个中间点, 设定能带数为12。介质柱折射率分别取不同的值, 在其他参数不改变的情况下, 得出不同折射率对应的带隙的数目以及宽度如表1所示。

从表1中我们可以发现, 在折射率小于3.2时, 没有带隙存在;当折射率大于3.2时, 出现带隙, 随着折射率的增大, 带隙分布的上、下限均下移, 即禁带频率减小, 并且带隙宽度先增大后减小, 在折射为6.9处出现拐点。图3为两个极值点3.2和6.9时的带隙分布图, 图中f=ωa/2πc。

从图中可以很清楚的看到带隙分布的区别, 还可以看出是否出现带隙以及宽度的大小主要在于第9条能带, 在n=3.2以下时, 此能带很陡峭, 从而导致没有带隙出现, 而随着折射率的增大此能带逐渐变平缓, 出现了带隙, 并且宽度逐渐增大, 由于每条能带对应的频率是减小的, 所以宽度不可能一直增大, 肯定会出现一个极大值。

2.2 介质柱占空比的影响

我们选取介质柱的折射率为6.9, 其他参数不改变, 只改变介质柱的半径, 即可得出不同的占空比 (2r/a) 对应的带隙的数目以及宽度, 如表2所示。

从表中我们发现当占空比在0.13到0.87的区间内存在带隙, 在3.6处出现极大值, 三个极值对应的带隙图如图4所示, 通过图形我们还可以发现对带隙分布起关键作用的能带仍是第9条。

3 结 论

通过对二维光子晶体波导的介质柱折射率和半径的分析, 得到在介质柱折射率为0.69, 占空比2r/a=0.36时, 对应的二维光子晶体的带隙最宽, 还分析出了其变化规律, 为制作实际的光子晶体波导奠定了基础, 在实际应用中也可以参考其数值确定直线波导中传播最佳波段的条件。

参考文献

[1]Yablonovitch E.Inhibited spontaneous emission in solidstatephysics and electronics[J].Phys Rev Lett, 1987, 58:2059-2061.

[2]John S.Strong localization of photons in certain disordereddielectric superlattices[J].Phys Rev Lett, 1987, 58:2486-2488.

[3]Zhong Zhi-rong, Zhang Li-hua, Yang Hong-qin.New design of2-D photonic crystal waveguide couplers[J].OptoelectronicsLetters, 2006.2 (5) :334-335.

[4]冯帅, 任承.光子晶体理论计算与实验制备[M].北京:中央民族大学出版社.2008.

[5]杜威.平面波展开法在二维光子晶体能带计算中的应用[D].北京:北京大学物理学院, 2003.

晶体结构与性质考点探究 篇4

一、晶体常识

1. 晶胞

( 1) 概念: 描述晶体结构的基本单元.

( 2) 晶体中晶胞的排列———无隙并置. a. 无隙: 相邻晶胞之间没有任何间隙. b. 并置: 所有晶胞平行排列、取向相同.

2. 晶格能

( 1) 定义: 气态离子形成1 mol离子晶体释放的能量,通常取正值,单位: k J·mol- 1.

( 2) 影响因素: a. 离子所带电荷数: 离子所带电荷数越多,晶格能越大. b. 离子的半径: 离子的半径越小,晶格能越大.

( 3) 与离子晶体性质的关系: 晶格能越大,形成的离子晶体越稳定,且熔点越高,硬度越大.

例1如图1是甲、乙、丙三种晶体的晶胞,则甲晶体中x与y的个数比是_____,乙中a与b的个数比是_____,丙中一个晶胞中有_____个c离子和______个d离子.

二、分类比较晶体的熔、沸点

1. 不同类型晶体的熔、沸点高低一般规律: 原子晶体 > 离子晶体 > 分子晶体.

2. 原子晶体: 由共价键形成的原子晶体中,原子半径小的键长短,键能大,晶体的熔、沸点高. 如熔点: 金刚石 > 石英 > 碳化硅 > 硅.

3. 离子晶体: 一般地说,阴、阳离子所带电荷数越多,离子半径越小,则离子间的作用就越强,其离子晶体的熔、沸点就越高,如熔点: Mg O > Mg Cl2> Na Cl > Cs Cl.

4. 分子晶体: 1分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高; 具有氢键的分子晶体,熔、沸点反常的高. 如H2O > H2Te > H2Se >H2S. 2组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,熔、沸点越高,如Sn H4> Ge H4> Si H4> CH4,F2< Cl2< Br2< I2.

例2下列分子晶体中,关于熔、沸点高低的叙述中,正确的是()

( A) Cl2> I2( B) Si Cl4< CCl4

( C) NH3> PH3( D) C( CH3)4> CH3CH2CH2CH2CH3

解析: ( A) ( B) 项属于无氢键存在的分子结构相似的情况,相对分子质量大的熔、沸点高; ( C) 选项属于分子结构相似的情况,但存在氢键的熔沸点高; ( D) 项属于相对分子质量相同,但分子结构不同的情况,支链少的熔、沸点高. 答案: ( C) .

例3下列说法中,正确的是()

( A) 冰融化时,分子中H—O键发生断裂

( B) 原子晶体中,共价键越强,熔点越高

( C) 分子晶体中,共价键键能越大,该分子晶体的熔、沸点一定越高

( D) 分子晶体中,分子间作用力越大,该物质越稳定

解析: ( A) 项,冰为分子晶体,熔化时破坏的是分子间作用力,故( A) 项错误; ( B) 项,原子晶体熔点的高低取决于共价键的强弱,共价键越强,熔点越高,故( B) 项正确; ( C) 项,分子晶体熔、沸点的高低取决于分子间作用力的大小,而共价键的强弱决定了分子的稳定性大小,所以( C) 项错误,( D) 项也错误.答案: ( B) .

三、几种常见的晶体模型

1. 分子晶体

( 1) 干冰晶体中,每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个( 如图2甲所示) .

( 2) 冰的结构模型中,每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接,含1 mol H2O的冰中,最多可形成2 mol“氢键”( 如图2乙所示) .

2. 离子晶体

( 1) Na Cl型: 在晶体中,每个Na+同时吸引6个Cl-,每个Cl-同时吸引6个Na+,配位数为6. 每个晶胞含4个Na+和4个Cl-( 如图3甲所示) .

( 2) Cs Cl型: 在晶体中,每个Cl-吸引8个Cs+,每个Cs+吸引8个Cl-,配位数为8( 如图3乙所示) .

例4下面有关晶体的叙述中,不正确的是()

( A) 金刚石网状结构中,由共价键形成的碳原子环中,最小的环上有6个碳原子

( B) 氯化钠晶体中,每个Na+周围距离相等的Na+共有6个

( C) 氯化铯晶体中,每个Cs+周围紧邻8个Cl

( D) 干冰晶体中,每个CO2分子周围紧邻12个CO2分子

解析: 氯化钠晶体中,每个Na+周围距离相等的Na+共12个. 每个Na+周围距离相等且最近的Cl-共有6个. 答案: ( B) .

例5关于Si O2晶体的叙述中,正确的是()

( A) 通常状况下,60 g Si O2晶体中含有的分子数为NA( NA表示阿伏加德罗常数)

( B) 60 g Si O2晶体中,含有2NA个Si—O键

( C) 晶体中与同一硅原子相连的4个氧原子处于同一四面体的4个顶点

( D) Si O2晶体中含有1个硅原子,2个氧原子

解析: 60 g Si O2晶体即1 mol Si O2,晶体中含有Si—O键数目为4 mol( 每个硅原子、氧原子分别含有4个、2个未成对电子,各拿出一个单电子形成Si—O共价键) ,含4NA个Si—O键;Si O2晶体中含有无数的硅原子和氧原子,只是硅氧原子个数比为1∶2. 在Si O2晶体中,每个硅原子和与其相邻且最近的4个氧原子形成正四面体结构,硅原子处于该正四面体的中心,而4个氧原子处于该正四面体的4个顶点上. 答案: ( C) .

四、均摊法

特别提醒: 在使用均摊法计算晶胞中微粒个数时,要注意晶胞的形状,不同形状的晶胞,应先分析任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共有,如六棱柱晶胞中,顶点、侧棱、底面上的棱、面心依次被6、3、4、2个晶胞所共有( 如图4所示) .

例6钛酸钡的热稳定性好,介电常数高,在小型变压器、话筒和扩音器中都有应用. 钛酸钡晶体的晶胞结构示意图如图5所示,它的化学式是( )

( A) Ba Ti8O12( B) Ba Ti4O6

( C) Ba Ti2O4( D) Ba Ti O3

解析: 由晶胞结构示意图可知,Ba在立方体的中心,完全属于该晶胞; Ti处于立方体的8个顶点,每个Ti有1 /8属于该晶胞; O处于立方体的12条棱的中点,每个O有1 /4属于该晶胞.即晶体中N( Ba) ∶N( Ti) ∶N( O) = 1∶( 8×1 /8) ∶( 12×1 /4) = 1∶1∶3. 答案: ( D) .

五、四种晶体性质比较( 见表 1)

例7下列推论正确的()

( A) Si H4的沸点高于CH4,可推测PH3的沸点高于NH3

( B) NH+4为正四面体结构,可推测出PH+4也为正四面体结构

( C) CO2晶体是分子晶体,可推测Si O2晶体也是分子晶体

( D) C2H6是碳链为直线形的非极性分子,可推测C3H8也是碳链为直线形的非极性分子

解析: NH3分子间存在氢键,沸点反常偏高大于PH3,( A)项错误. N、P是同主族元素,形成的离子: NH+4和PH+4结构类似都是正四面体构型,( B) 项正确. CO2是分子晶体,而Si O2是原子晶体,( C) 项错误. C2H6中两个—CH3对称,是非极性分子,而C3H8是锯齿形结构,是极性分子,( D) 项错误. 答案:( B) .

例8下列判断错误的是( )

( A) 熔点: Si3N4> Na Cl > Si I4

( B) 沸点: NH3> 3> As H3

( C) 酸性: HCl O4> H2SO4> H3PO4

( D) 碱性: Na OH > Mg( OH)2> Al( OH)3

晶体与非晶体题型分析 篇5

现代无线通信技术的高速发展对天线提出更高的要求,希望系统天线低成本、高效率、小型化,特别是毫米波和微波技术,正处于高速发展阶段。而多媒体业务,包括电话、有线电视(CATV)、数字电视和Internet的快速和全面发展,对电路带宽和容量的要求急剧增加,对传输与接收技术提出更高的要求。THz频段是指位于0.1 THz到10 THz之间的频段,由于具有带宽宽、成本低、可靠性好和结构紧凑等优点,研究和探索太赫兹天线技术已成为新兴的研究领域[1],在生物和医药、天文、大气和环境、成像和波谱、仪器和物性研究以及安全和国防等方面有很宽广的应用空间。THz波的频带很宽,在通信方面的应用,前景也无限[2]。中国科学院微电子研究所刘洪刚等在太赫兹核心器件研究方面取得进展,使得太赫兹波在公共安全、无损检测、射电天文、环境监测、宽带通信、空间探测、生物医学等方面具有更重要的应用前景[3]。

微带天线由于具有重量轻、体积小、剖面薄、散射截面小及易于制造等优点,引起众多科研人员的极大研究兴趣,广泛应用于现代通信系统。为了尽可能地提高微带天线的辐射效率,很多学者已取得了重大突破[4,5,6,7,8]。但由于微带天线增益很低,带宽也比较窄,使得其应用受到较大限制。近年来出现的PBG(Photonic Band Gap)光子带隙材料,也称光子晶体(Photonic Crystals),为提高微带天线的整体性能提供了新的研究思路[9,10]。Singh and Tiwari[11,12]将光子晶体应用在THz频段微带矩形贴片天线。Agi and Malloy[13]通过实验和计算研究了集成微带贴片天线和二维光子晶体衬底。最近,Nasser[14]已经尝试了将二维等离子体晶体材料应用于微带天线的设计中,已取得丰富的研究成果。光子晶体的应用研究已经成为最热门的前沿科研课题之一。

1 THz频段矩形微带天线的分析与设计

1.1 天线理论分析[15]

根据矩形微带天线的设计要求,辐射贴片的尺寸可根据公式估算

$w=\frac{c}{2f}(\frac{\epsilon {}_{\text{r}}+1}{2}){}^{-\frac{1}{2}}(1)$

$L=\frac{c}{2f\sqrt{\epsilon {}_{\text{e}}}}(2)$

式中:c表示真空中的光速;f表示天线的工作频率;εr表示介质的相结介电常数;εe表示有效介电常数,且

$\epsilon {}_{\text{e}}=\frac{\epsilon {}_{\text{r}}+1}{2}+\frac{\epsilon {}_{\text{r}}-1}{2}(1+12\frac{h}{w}){}^{-\frac{1}{2}}(3)$

式中:h表示介质层厚度;w表示微带贴片的宽度。为了抑制表面波辐射的产生,介质基片的最大厚度h应满足

$h\le \frac{0.3c}{2\text{π}f\sqrt{\epsilon {}_{\text{r}}}}(4)$

天线工作在TM10模式,W方向一般取在中心点,即yf=0。输入阻抗等于50 Ω时的馈点位置可由公式计算

$x{}_f=\frac{L}{2\sqrt{\xi {}_{\text{r}\text{e}}(L)}}(5)$

式中,$\xi {}_{\text{r}\text{e}}(L)=\frac{\epsilon {}_{\text{r}}+1}{2}+\frac{\epsilon {}_{\text{r}}-1}{2}(1+12\frac{h}{L}){}^{-\frac{1}{2}}$。

1.2 普通矩形微带天线模型仿真

为设计一款位于THz频段的微带天线,根据天线理论分析,本设计要求中心频率为0.1 THz,采用微带线馈电。这里选取1 000 μm×1 000 μm×100 μm的基材,介质板材选用Rogers TMM10,相对介电常数εr=9.2,损耗正切tanφ=0.002 2,辐射贴片天线尺寸L=600 μm,W=395 μm,微带线尺寸L1=270 μm,W1=50 μm,如图1所示。在HFSS12中仿真,在频率f=0.1 THz时,天线回波损耗为-19.45 dB,驻波比(VSWR≤2)的阻抗带宽为3.0%。

1.3 光子晶体带隙介质微带天线模型仿真

为提高增益,使用光子晶体带隙为介质进行优化。通过光子晶体的带隙及在光子晶体中制造各种缺陷,比如线缺陷或点缺陷,可以有效地抑制表面波的辐射,减少天线的回波损耗。本设计拟在介质中钻出周期性空气柱,改变介质的有效介电常数,同时使中心频率落在光子晶体禁带范围内。根据文献[16]报道,在2D光子晶体中,只要钻出三列孔就可以满足禁带要求。禁带的中心频率f0是PBG结构周期的函数,即与d相关,具体关系为

$f{}_0=\frac{0.5c}{d\sqrt{\epsilon {}_{\text{e}}}}(6)$

式中:f0为禁带中心频率;c为真空中的光速;d为孔之间的周期距离;εe为微带线的有效介电常数。取光子禁带中心频率f0=0.1 THz,可计算得出d=60 μm。因此,从馈点处开始中,在光子晶体基底介质上钻出5×7空气孔PBG结构[17],空气孔半径r=100 μm,L方向孔距d1=60 μm,W方向孔距d2=120 μm,微带线L1=270 μm,W1=50 μm,如图2所示。在HFSS12中进行了仿真,天线的传输效能明显提高。图3仿真结果显示微带天线中心频率右移,在107 GHz的回波损耗达-41 dB,比原来减少约22 dB,驻波比(VSWR≤2)的阻抗带宽为4.1%,比原来提高1.1%。图4则显示天线在频率0.11 THz处远场辐射E平面和H平面的增益,最大增益天线辐射方向达到8.8 dB。

2 结果分析

结果分析内容如下:

1) 光子晶体带隙能有效地抑制表面波的辐射。通过选择适当的孔径和孔距,使谐振频率点落在光子晶体禁带,能有效地将能量耦合到辐射场。由于光子晶体空气隙的引入,有效介电常数变小,导致工作频率稍微增大。空气孔半径越大,工作频率右移越明显。图5显示了不同孔径下天线的回波损耗,当空气孔半径r=15 μm时,回波损耗达-41 dB。图6显示了不同孔距下天线的回波损耗,当空气孔距d=60 μm时,回波损耗达-41 dB。

2) 阻抗匹配也是影响天线性能的重要参数,微带线的宽度会影响天线的输入阻抗和回波损耗。图7显示了微带线在不同宽度下天线的回波损耗,当宽度W1=50 μm时,天线的回波损耗达到最小,天线性能最优。

3 结论

二维光子晶体带隙结构的应用研究是目前最热门的研究课题,它将广泛应用于THz/毫米波技术领域中。本文通过对一款0.1 THz矩形微带天线的设计与优化,引入光子晶体带隙结构,基于HFSS12.0软件进行仿真,结果显示天线的回波损耗从-19.45 dB降至-41 dB,带宽从3%增至4.1%,极大地抑制天线表面波的反射,降低了天线的回波损耗,提高了光子晶体微带天线的实用性,有效地提高天线的传输性能,对研究天线结构具有一定的参考价值。

晶体与非晶体题型分析 篇6

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1.1.1 试剂

4-氰基吡啶为试剂纯;硫酸连胺, 水合连胺, 丙二酸, 无水甲醇, 无水乙醇, 乙二醇, Cu Br2为分析纯。

1.1.2 仪器

配合物的红外光谱采用美国Nicolet仪器公司的FT-IR红外光谱仪以KBr压片在4000-220cm-1范围内进行测定;配合物的单晶结构采用德国Bruker公司的APEX-II CCD X-射线单晶衍射仪由专业人士进行测定。

1.2 共配体的合成

实验中所需的共配体:4-氨基-3, 5双 (4-吡啶基) -1, 2, 4-三唑主要依据文献合成。

配体4-bpt的合成 (见图1) :称取4-氰基吡啶7.9835 g, 硫酸连胺15.8219 g及80%的水合连胺11.9654 g, 置于三颈瓶中, 随后加入约40 ml乙二醇, 在氮气保护下加热至130℃, 并在此温度下反应9 h, 冷却, 抽虑, 空气干燥。产率:5.3652 g (78.95%) 。

1.3 配合物[Cu (4-bpt) (HCOO) (H2O) ]Br·2H2O的合成

将Cu Br2 (0.0209 g, 0.1 mmol) 水溶液 (5 ml) 滴加到沸腾的4-bpt (0.198g, 0.1 mmol) 乙醇溶液 (20 ml) 中并持续沸腾搅拌30 min, 之后在向混合溶液中滴加1 ml的甲酸水溶液 (0.1 mmol/ml) , 室温下持续搅拌1 h, 最后用Na OH水溶液调节该混合溶液的p H值约等于6, 静置过滤封闭。滤液静置放置四周后, 收集到适合单晶X-衍射的淡蓝色块状晶体。

1.4 配合物晶体结构的测定

在显微镜下选取测定所需要的大小合适的单晶, 在Bruker APEX-II CCD衍射仪上于室温下进行X-射线衍射测定分析。使用经过石墨单色器单色化的Mo-Kα射线 (λ=0.71073�) 以ω-Φ扫描方式收集衍射点, 用最小二乘法最终来确定晶胞的各参数。

2 结果与讨论

配合物[Cu (4-bpt) (HCOO) (H2O) ]Br·2H2O的晶体结构分析:

分析结果显示该配合物结晶于三斜晶系的P-1空间群如图2。

该配合物中有两个晶体学独立的Cu原子 (图2) 。Cu1原子处于畸变的八面体配位环境中, 与来自两个4-bpt配体吡啶环上的N1原子 (Cu1N1=2.052 (3) �) 和两个甲酸根阴离子的羧基氧原子O2 (Cu1O2=1.997 (3) �) 共同构成一个赤道平面, Cu1原子的两个顶点位置被两个配位水分子的氧原子O3所占据 (Cu1O3=2.408 (3) �) 。Cu1周围顺式OCu O/N的键角在79.10 (11) °100.90 (11) °的范围内。Cu2原子则处于由两个4-bpt配体中吡啶环上的N6原子 (Cu2N6=2.034 (3) �) 和两个甲酸根阴离子的羧基O1原子 (Cu2O1=1.962 (3) �) 构成的四方平面配位环境中。

3 结论

本论文选取甲酸和具有弯曲骨架的联吡啶类共配体-4-氨基-3, 5-双 (4-吡啶基) -1, 2, 4-三唑 (4-bpt) , 在室温下通过溶液法合成得到了过渡金属配合物, 并对其进行了晶体结构分析。

结果显示甲酸, bpt与金属盐反应所得配位聚合物的结构取决于共配体bpt的类型和结构。

参考文献

[1]戴安邦编著.配位化学[M].上海:科学出版社, 1987, 56-58.

[2]游效曾, 孟庆金, 韩万书.北京:配位化学进展[M].高等教育出版社, 2000, 156-163

[3]Alivisatos P., Barbara P.F., Cast leman A.w., From molecules to materials current trends and Future directions, Adv Mater, 1998, 10 (42) :1297-1336

[4]Noro S.I., Kitaura r., Kondo M., Framework, Engineering by anions and porous functionalities of Cu/4, 4’-bpy coordination polymers, J.Am Chem.Soc, 2002, 124 (324) :2568-2583

《晶体光学》课程教学改革与思考 篇7

一、《晶体光学》课程的基本特点

《晶体光学》是研究光对透明矿物晶体作用所引起的一系列光学现象及其规律的一门科学, 其基本理论是光率体, 应用的仪器是偏光显微镜, 主要是将矿物或岩石磨制成薄片, 在镜下测定矿物的光学性质等[1,2]。该课程中的立体概念和实践性强, 它既是一门方法课, 又是一门理论联系实际很强的学科。在有限的学时范围内, 依传统的教学方式难于掌握教学大纲内容;又由于《晶体光学》是地学中较成熟的一门专业基础学科, 也难于对内容方面进行大量的修改。为顺利完成本课程的教学任务, 提高教学质量, 应具备两点: (1) 充分调动学生的学习积极性, 发挥其主观能动性, 引起求知欲望, 善于思考, 并做到课前预习、课后复习; (2) 要求教师做到精选内容, 精讲重点、难点, 启发思维及教学方法多元化, 避免传统灌入式的教学方法, 提倡教与学的双向互动。

二、改进教学手段, 提高教学效率

针对《晶体光学》课程具有抽象性、空间性和实践性强的特点, 为了在有限学时内达到较好的教学效果, 对教学方法、内容进行了改革和实践。教学改革的一个重要方面就是引入辅助教学多媒体, 打破了传统的叙述性讲授。由于该课程涉及的立体抽象概念较多, 镜下矿物的光性特征多样化, 对于想象力弱或缺少实践经验的学生来说, 理解上存在一定难度, 如不同矿物具有不同的光学性质, 其光率体类型也不同, 锥光镜下的干涉图特征各异等。笔者将多媒体技术与教学内容相结合, 制作了一套多媒体课件, 将岩石矿物照片、视频及课堂板书有机结合。课堂教学内容丰富、形象、直观, 扩大了教学信息量, 适应课时缩减的需要, 如:可用三维动画生动地把不同晶体的光率体的立体几何图形呈现出来, 还可以展示镜下的岩石矿物微观照片、视频等, 从而提高了教学质量和学习效率。实验内容在偏光显微镜下完成, 教师在黑板上难于形象地把各矿物的光学性质表述清楚, 如相邻两矿物相对折射率有关的光学性质:贝克线、糙面、突起等级等。在地学类国家级实验教学创新项目的支撑下, 于2010年笔者制作了与晶体光学理论教学同步的《晶体光学实验教程》多媒体CAI软件, 并获全国地球科学类国家级实验教学创新性实验竞赛二等奖, 它美观、简洁、易操作, 集文字、岩石矿物照片、动画和视频于一体, 具有教学目的明确、教学内容直观、交互性强等优势[3]。此外, 另配有晶体光学实习教程[4]。该软件充分考虑了教学需要和课程特点, 以示教型和自学型为主, 兼有资料型的特点, 可对实验教学内容进行任意地反复浏览和操作, 让学生了解实验课所观察的矿物光学性质, 增强学生的直观感性认识、独立分析和解决问题的能力, 有助于提高学习效率。

三、加强和完善实验室建设

随着科技的发展, 传统的一人一镜观察, 教师逐一指导的实验教学模式严重滞后于课程改革要求。为实现创建“省内一流、全国知名、部分学科达到国际领先水平”的办学目标, 应加大力度改建实验室。当前, 进行创新教育, 培养学生创造性思维, 并引导其进行研究性学习是目前教学的趋势, 但由于偏光显微镜使用的特殊性和个体性, 传统的镜下观察使学生很难得到教师的有效指导。随着数码显微镜和数码互动教室的引入和应用, 使传统灌入式的教学方法变为师生互动的、图像共享的、高效率的教学体系。在教与学的过程中, 实现了师生在同一视域中达成相互理解和自我理解, 将双方的视野和见解相互融合。多年来, 在实验标本和薄片库的建立方面, 地质系全体教师投入了巨大的精力并做出了重大贡献。实验教学要求学生肉眼观察岩石矿物标本与显微镜下薄片鉴定同步进行。由于岩石矿物标本、薄片使用频繁, 耗损特别大, 尤其是岩石薄片。随之后来对岩石矿物薄片进行了补充, 但同一类岩石毕竟不是出自同一块或同一地区的岩石, 其矿物成分、含量和次生变化等肯定存在一定的差异, 给学生做实验造成一定的困惑。针对该情况, 我校对实验室加大力度投资建设, 确保每个学生使用的实验岩石标本和薄片完全配套。采用示教系统直观教学, 学生可独立操作, 通过本环节的实施, 学生既巩固深化了理论知识, 又掌握了基本技能, 从而为推进实验室建设和提高教学质量提供了物质基础上的保障。

四、完善考核办法

考核对教育活动具有很强的指导作用, 既是评价和改进教学, 使之有利于培养创新人才的基本途径, 也是引导学生主动、创造性地学习的重要手段。完善考核办法是检验和提高学生创新思维和创新能力, 也是教学改革的一项重要环节。该课程侧重考核学生对基本理论、基本概念等的掌握程度以及综合运用知识的能力。为达到检验教学质量和全面掌握知识的目的, 应采用综合考核办法: (1) 理论课堂表现情况和操作能力, 各占总评成绩的10%; (2) 平时作业、实验鉴定报告, 占总评成绩的8%; (3) 理论考试, 占总评成绩的42%; (4) 未知透明矿物的系统鉴定考试, 占总评成绩的30%。为了能更好地检验教师授课质量和学生对知识的掌握情况, 建议实行教考分离, 避免考试过程中的倾向性、暗示性或可能出现的不规范操作。

五、结语

高校教学改革的重要环节之一是教学模式的探索和创新。《晶体光学》是一门方法性课程, 其基本理论知识和概念比较抽象, 内容连贯性和实践性很强。教学方法的优化是教师长期的课题, 是一个优秀教师永远的追求。要坚定不移地推进教学方式, 应用多种教学手段, 激发学生的学习兴趣, 培养学生的科学思维能力和创新意识。

参考文献

[1]林培英.晶体光学与造岩矿物[M].北京:地质出版社, 2005.

[2]曾光策.晶体光学与光性矿物学[M].武汉:南京师范大学出版社, 2003.

[3]杜后发, 江琴, 刘军港, 等.《晶体光学实验教程》多媒体CAI软件的设计和制作[J].中国地质教育, 2010, (3) :74-77.