CN103956159A - 一种缺陷态可热调谐的二维声子晶体结构 - Google Patents

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胡爱珍
吴福根
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Abstract

本发明公开了一种缺陷态可热调谐的二维声子晶体结构，本发明所述的二维声子晶体结构由若干个二维晶格单元周期排列组成，二维晶格单元由相互平行的钛酸锶钡柱体及缺陷钛酸锶钡柱体在环氧基树脂中按二维晶格排列；二维晶格单元的钛酸锶钡柱体至少五层，二维晶格的晶格常数a为1～10cm；所述的二维声子晶体结构由一种或几种密度不同的多层单元叠加组成，本发明获得缺陷态的二维声子晶体结构不需要改变柱体几何形状或其材料性质，只需简单的温度调节温度敏材料钛酸锶钡，即可获得缺陷态，并且缺陷态频率位置会随缺陷温度连续变化；其制作工艺简单，可设计性强。

Description

一种缺陷态可热调谐的二维声子晶体结构
技术领域
本发明涉及一种缺陷态可热调谐的二维声子晶体结构。
背景技术
人们在光子晶体的研究方面已取得了重大进展，鉴于声子晶体与光子晶体的类比性，近十几年来，声子晶体逐渐成为了新的研究热点。声子晶体的一个重要特征是其声波带隙，即在该带隙频率范围内弹性波（声波）不能通过声子晶体。人们进一步研究又发现，如果在具有周期性结构的声子晶体中引入缺陷，则可能在原本不允许声波通过的带隙（或禁带）中出现声子能带，称之为缺陷能带，对应的状态称为缺陷态，这使得声子晶体具有广阔的实际应用前景，比如，我们可以根据这一新思想和新理论设计和制造出一种获得某种特定频率缺陷带的材料。声子晶体材料可望在环保、建筑及精密仪器制造等领域得到广泛应用。
 目前声子晶体中引入缺陷的方法通常是：改变材料、散射体形状和方位、晶格结构、填充率等。本方法通过改变散射体的温度使其产生缺陷态，此方法对制备技术要求相对较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种缺陷态可热调谐的二维声子晶体结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提供的一种缺陷态可热调谐的二维声子晶体结构， 
所述的二维声子晶体结构由若干个二维晶格单元周期排列组成，所述的二维晶格单元由相互平行的第一钛酸锶钡柱体2及第一缺陷钛酸锶钡柱体3在环氧基树脂中按二维晶格排列；所述第一钛酸锶钡柱体2和第一缺陷钛酸锶钡柱体3的边长相等，其边长是0.755a；改变第一缺陷钛酸锶钡柱体3的温度，使其温度T d 不同于上述第一钛酸锶钡柱体2及环氧基树脂的温度T p , 其中a为晶格常数，T d 为第一缺陷钛酸锶钡柱体的温度，T p 为第一钛酸锶钡柱子及环氧基树脂的温度；所述第一钛酸锶钡柱体2及环氧基树脂温度固定，所述第一缺陷钛酸锶钡柱体3温度从30℃变化到50℃；所述的二维晶格单元的钛酸锶钡柱体至少五层，所述的第一缺陷钛酸锶钡柱体3位于二维晶格单元的中心，所述二维晶格的晶格常数a为1～10cm。
将缺陷钛酸锶钡柱体旋转至45度，本发明还提供一种缺陷态可热调谐的二维声子晶体结构， 
所述的二维声子晶体结构由若干个二维晶格单元周期排列组成，所述的二维晶格单元由相互平行的第二钛酸锶钡柱体5及第二缺陷钛酸锶钡柱体6在环氧基树脂中按二维晶格排列；所述第二钛酸锶钡柱体5和第二缺陷钛酸锶钡柱体6的边长相等，其边长是0.755a；先将第二缺陷钛酸锶钡柱体6旋转至45度再改变第二缺陷钛酸锶钡柱体6的温度，使其温度T d 不同于上述第二钛酸锶钡柱体5及环氧基树脂的温度T p , 其中a为晶格常数，T d 为第二缺陷钛酸锶钡柱体的温度，T p 为第二钛酸锶钡柱子及环氧基树脂的温度；所述第二钛酸锶钡柱体5及环氧基树脂温度固定，所述第二缺陷钛酸锶钡柱体6温度从30℃变化到50℃；所述的二维晶格单元的钛酸锶钡柱体至少五层，所述的第二缺陷钛酸锶钡柱体6位于二维晶格单元的中心，所述二维晶格的晶格常数a为1～10cm。
所述的二维声子晶体结构由一种或几种密度不同的多层单元叠加组成。
所述二维晶格单元排列结构为矩形、正方形或六角形。
所述二维晶格单元排列结构为正方形。
所述第一钛酸锶钡柱体2和第一缺陷钛酸锶钡柱体3的横截面形状为圆形、椭圆形、正方形、矩形、三边形或六边形。
所述第二钛酸锶钡柱体5和第二缺陷钛酸锶钡柱体6的横截面形状为圆形、椭圆形、正方形、矩形、三边形或六边形。
所述第一钛酸锶钡柱体2和第一缺陷钛酸锶钡柱体3及第二钛酸锶钡柱体5和第二缺陷钛酸锶钡柱体6的横截面形状为正方形。
所述结构中柱体的体积份数比均为57%。
所述二维声子晶体结构是由钛酸锶钡和环氧基树脂两种密度不同的单元叠加而成的：其中，钛酸锶钡柱体的密度为                                                ，从30℃变化到50℃，纵波波速从随温度增加至，横波波速从随温度增加至，环氧基树脂的密度为，纵波波速，随温度变化不明显，横波波速为，随温度变化不明显。
声子晶体中声波带隙的产生和大小主要受以下因素影响：一、组成介质的质量密度、弹性常数、声波速度等物理参数；二、分散介质的几何形状、体积分数和排列方位；三、晶体的排列结构。通过调节和改变这些因素即可获得满足特定频率要求的声子晶体。
基于上述三方面因素的考虑及现实可行性要求，选择钛酸锶钡柱体排列于环氧基树脂中构成的声子晶体结构。比如，将相互平行的钛酸锶钡柱体在环氧基树脂中作周期性排列而构成的二维声子晶体结构。由五层钛酸锶钡柱体在环氧基树脂中按正方晶格排列而成的声子晶体结构，即使引入点缺陷，也不会打破系统晶格的周期性，所以由五层钛酸锶钡柱体构成的声子晶体结构已可以达到要求。
本发明的有益效果：
 本发明所提供的一种缺陷态可热调谐的二维声子晶体结构，其方式与已有的学者作出的研究完全不同，不需要改变柱体几何形状或其材料性质，只需简单的改变单个钛酸锶钡柱子的温度，当温度满足条件（对于结构一温度条件为：缺陷温度低于居里温度且声子晶温度体高于居里温度。对于结构二温度度条件为:声子晶体温度高于居里温度）即可获得缺陷态，并且缺陷态频率位置可以连续调节，实现方法简单，可设计性强。
 
附图说明
    图1 表示由钛酸锶钡柱体按正方晶格排列于环氧基树脂中每五行五列改变缺陷钛酸锶钡柱体的温度（从30℃变化到50℃）的二维声子晶体能带结构图，两种结构中柱体的体积份数比都为57%；
 图2为实施例的结构一的横截面示意图；
 图3为实施例的结构二的横截面示意图；
 图4 为实施例中结构一对应能产生缺陷态的温度关系的示意图；
 图5 为实施例中结构一对应产生的缺陷态频率随缺陷温度变化的示意图；
 图6 为实施例中结构二对应能产生缺陷态的温度关系的示意图；
 图7 为实施例中结构二对应产生的缺陷态频率随缺陷温度变化的示意图。
 
具体实施方式
 对于由钛酸锶钡柱体分散于环氧基树脂中所形成的二维声子晶体结构，柱体横截面形状可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形、三边形或六边形等，排列结构也可以取矩形、正方形或六角形等二维晶格。经计算分析发现，柱体横截面形状为正方形且按正方形晶格排列时，比其它形状的柱体和晶格结构可产生较明显的缺陷态。本发明实施例即采用此最优结构，即在环氧基树脂背景中将钛酸锶钡柱体体按正方形二维晶格平行排列，结构一每五行五列改变缺陷钛酸锶钡柱体的温度（实施案例中：缺陷温度从30摄氏度逐渐改变到50摄氏度），结构二每五行五列将中心元胞旋转45度再改变缺陷钛酸锶钡柱体的温度（实施案例中：缺陷温度从30摄氏度逐渐改变到50摄氏度）。
 实施实例：本实施例选择的是钛酸锶钡（其弹性参数为：密度，纵波波速从随温度增加至，横波波速从随温度增加至）在环氧基树脂（其弹性参数为：密度，纵波波速随温度变化不明显，横波波速为随温度变化不明显）背景中按如上所述的最优结构构成的二维声子晶体。此时声子晶体的能带结构如图1所示。图2，3分别为本实施例的结构一和结构二的横截面示意图，由两个五层结构单元组成，两结构均先固定声子晶体的温度，再逐渐改变缺陷柱体的温度（变化范围为30℃至50℃）。图4、5分别为结构一中能出现缺陷态的温度条件及缺陷态频率随缺陷温度变化的示意图。图6、7分别为结构二中能出现缺陷态的温度条件及缺陷态频率随缺陷温度变化的示意图。此实施方案对获得满足某种特定频率要求的声子晶体方法简单、可连续调节、可设计性强。

Claims (10)

1. 一种缺陷态可热调谐的二维声子晶体结构，其特征在于：
所述的二维声子晶体结构由若干个二维晶格单元周期排列组成，所述的二维晶格单元由相互平行的第一钛酸锶钡柱体（2）及第一缺陷钛酸锶钡柱体（3）在环氧基树脂中按二维晶格排列；所述第一钛酸锶钡柱体（2）和第一缺陷钛酸锶钡柱体（3）的边长相等，其边长是0.755a；改变第一缺陷钛酸锶钡柱体（3）的温度，使其温度T d 不同于上述第一钛酸锶钡柱体（2）及环氧基树脂的温度T p , 其中a为晶格常数，T d 为第一缺陷钛酸锶钡柱体的温度，T p 为第一钛酸锶钡柱子及环氧基树脂的温度；所述第一钛酸锶钡柱体（2）及环氧基树脂温度固定，所述第一缺陷钛酸锶钡柱体（3）温度从30℃变化到50℃；所述的二维晶格单元的钛酸锶钡柱体至少五层，所述的第一缺陷钛酸锶钡柱体（3）位于二维晶格单元的中心，所述二维晶格的晶格常数a为1～10cm。
2. 一种缺陷态可热调谐的二维声子晶体结构，其特征在于：
所述的二维声子晶体结构由若干个二维晶格单元周期排列组成，所述的二维晶格单元由相互平行的第二钛酸锶钡柱体（5）及第二缺陷钛酸锶钡柱体（6）在环氧基树脂中按二维晶格排列；所述第二钛酸锶钡柱体（5）和第二缺陷钛酸锶钡柱体（6）的边长相等，其边长是0.755a；先将第二缺陷钛酸锶钡柱体（6）旋转至45度再改变第二缺陷钛酸锶钡柱体（6）的温度，使其温度T d 不同于上述第二钛酸锶钡柱体（5）及环氧基树脂的温度T p , 其中a为晶格常数，T d 为第二缺陷钛酸锶钡柱体的温度，T p 为第二钛酸锶钡柱子及环氧基树脂的温度；所述第二钛酸锶钡柱体（5）及环氧基树脂温度固定，所述第二缺陷钛酸锶钡柱体（6）温度从30℃变化到50℃；所述的二维晶格单元的钛酸锶钡柱体至少五层，所述的第二缺陷钛酸锶钡柱体（6）位于二维晶格单元的中心，所述二维晶格的晶格常数a为1～10cm。
3.如权利要求1或2所述的二维声子晶体结构，其特征在于：所述的二维声子晶体结构由一种或几种密度不同的多层单元叠加组成。
4.如权利要求1或2所述的二维声子晶体结构，其特征在于：所述二维晶格单元排列结构为矩形、正方形或六角形。
5.如权利要求4所述的二维声子晶体结构，其特征在于：所述二维晶格单元排列结构为正方形。
6.如权利要求1所述的二维声子晶体结构，其特征在于：所述第一钛酸锶钡柱体（2）和第一缺陷钛酸锶钡柱体（3）的横截面形状为圆形、椭圆形、正方形、矩形、三边形或六边形。
7.如权利要求2所述的二维声子晶体结构，其特征在于：所述第二钛酸锶钡柱体（5）和第二缺陷钛酸锶钡柱体（6）的横截面形状为圆形、椭圆形、正方形、矩形、三边形或六边形。
8.如权利要求6或7所述的二维声子晶体结构，其特征在于：所述第一钛酸锶钡柱体（2）和第一缺陷钛酸锶钡柱体（3）及第二钛酸锶钡柱体（5）和第二缺陷钛酸锶钡柱体（6）的横截面形状为正方形。
9.如权利要求1或2所述的二维声子晶体结构，其特征在于：所述结构中柱体的体积份数比均为57%。
10.如权利要求3所述的二维声子晶体结构，其特征在于：所述二维声子晶体结构是由钛酸锶钡和环氧基树脂两种密度不同的单元叠加而成的：其中，钛酸锶钡柱体的密度为                                                ，从30℃变化到50℃，纵波波速从随温度增加至，横波波速从随温度增加至，环氧基树脂的密度为，纵波波速，横波波速为。
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