張中月
(陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710062)
張永元
(陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710062)
(西安科技大學理學院 陜西 西安 710054)
屈 瑜 田曉俊
(陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710062)
孫永偉①
(中國神華集團 北京低碳清潔能源研究所 北京 102209)
創(chuàng)新是一個民族發(fā)展進步的靈魂,是國家興旺發(fā)達的不竭動力.提高自主創(chuàng)新能力,建設創(chuàng)新型國家是國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心,是提高國家綜合國力的關鍵.創(chuàng)新的關鍵是人才,只有大批創(chuàng)新人才的涌現(xiàn),創(chuàng)新才能實現(xiàn).創(chuàng)新人才是先進生產力和先進文化的代表,是國家綜合國力的重要組成部分.我國正力爭在2020年建設成為創(chuàng)新型國家,如何以最快、最短的時間培養(yǎng)創(chuàng)新人才,提高其創(chuàng)新能力,一直是眾多科技工作者研究的熱點.“自主創(chuàng)新,方法先行”,應該首先從方法上解決創(chuàng)新的問題.科學的創(chuàng)新方法是提升自主創(chuàng)新能力的基礎和重要保證.
國內外關于技術創(chuàng)新的方法大約有300多種,發(fā)明問題解決理論(TRIZ)[1~3]是眾多創(chuàng)新方法中的一員.TRIZ是目前被證實最為有效的創(chuàng)新方法學論,是一套有系統(tǒng)的、科學的、行之有效的解決發(fā)明問題的工具.TRIZ方法可以幫助人們系統(tǒng)、全面地分析問題,快速發(fā)現(xiàn)問題根源或者矛盾,準確確定問題的探索方向,突破思維障礙,打破思維定式,以新的視角分析問題,加快創(chuàng)新的進程,提高研發(fā)項目的成功率.基于以上的優(yōu)點,2006年,中國政府就提出的“自主創(chuàng)新,方法先行”,將TRIZ作為國家重點推行的創(chuàng)新方法.
目前,TRIZ已經在世界大多跨國企業(yè)如三星、通用電氣、現(xiàn)代汽車、浦項制鐵等公司的工程技術領域發(fā)揮了巨大作用,成為企業(yè)創(chuàng)新的利器,但是在自然科學、社會科學、管理科學、生物科學等多領域的應用相對較少.本文以微納米光子學研究為例,應用TRIZ方法進行分析問題,驗證TRIZ理論在科學研究中的適應性及有效性.
TRIZ是“發(fā)明問題解決理論”俄文首字母的縮寫,是20世紀60年代前蘇聯(lián)學者根里奇·阿奇舒勒所提出的.阿奇舒勒長期工作在前蘇聯(lián)的專利領域,在他對大量專利進行了分析和研究后,發(fā)現(xiàn)不同領域的所解決的問題雖然不一樣,但在解決這些不同領域的問題時所用到的原理卻基本類似.他和他的團隊將這些基本原理進行了總結,并開發(fā)出了一系列的工具來更加有效地運用這些原理.并于1946年開始推廣這一套系統(tǒng)地解決技術沖突問題的方法.作為前蘇聯(lián)的機密,前蘇聯(lián)解體后,TRIZ開始被傳播到世界各地.經過60多年的發(fā)展,這門理論得到不斷的豐富和完善.特別是在近30年,TRIZ理論被引入到歐美的企業(yè)后,在解決企業(yè)實際問題的過程中逐步形成更為有效的現(xiàn)代TRIZ理論體系.其知識體系如圖1所示.
圖1 現(xiàn)代TRIZ理論體系
按照解決問題的步驟,可以分為3大部分,即識別問題、解決問題以及概念驗證.而每一大部分,都有大量工具提供支撐.
TRIZ的核心思想主要體現(xiàn)在3個方面:首先,無論是一個簡單產品還是復雜的技術系統(tǒng),其核心技術的發(fā)展都遵循著客觀的規(guī)律發(fā)展演變,即具有客觀的進化規(guī)律或模式;第二,各種技術難題和矛盾的不斷解決是推動這種進化過程的動力;第三,技術系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用最少的資源實現(xiàn)最大效益的功能.
TRIZ的基本思路是:首先,對具體問題進行全面、深入的分析,將我們所遇到的表面問題(或具體問題)轉化為可以解決的關鍵問題然后,將這個關鍵問題轉換為一個TRIZ的問題模型,比如技術矛盾、物理矛盾、物場模型,Howto模型等等.最后再利用相應的工具提出一般化的解決方案,比如矛盾矩陣和40個發(fā)明原理,分離原理,標準解,功能導向搜索等等.最后將這些一般化的解決方案轉化為具體的、可實施的解決方案.
表面等離極化激元(SPPs)是沿著金屬和介質的界面?zhèn)鬏數(shù)碾姶挪ǎ诖怪庇诮缑娣较蛏弦灾笖?shù)形式衰減,因此SPPs被局域在金屬和介質界面在亞波長范圍內傳播,能夠突破衍射極限.正是由于SPPs的這一特性,使得SPPs波導能夠實現(xiàn)亞波長尺度的光信息傳輸與處理,從而實現(xiàn)光子與電子元器件在納米尺度上的結合[4,5].
在SPPs波導中,人們希望波導結構對場的局域性要好,即模式尺度要小,以降低波導的折彎損耗以及提高光子芯片中回路和元件的密度.我們嘗試應用TRIZ中的組合原理優(yōu)化設計波導.組合原理是TRIZ發(fā)明原理中的第5號原理,該原理包括兩個含義:在空間上將同類或需要連續(xù)操作的物體組合起來;從時間上將同類的部分或需要持續(xù)操作的部分組合起來.TRIZ對該原理的解釋是:“使一個系統(tǒng)的各功能、特性或部分之間建立一種聯(lián)系,其可產生一種新的、想要的或唯一的結果.通過對先前的已有功能進行組合,可以生成新的功能”.研究表明,金屬與介質間的狹小空間可以限制SPPs;在金屬微納結構外包裹介質也可以將SPPs限制在介質中.將上述兩種方法組合,我們設計了如圖2所示波導.V形銀納米線置于硅介質襯底上,間距為d,并且在V形銀納米線外包覆二氧化硅.我們應用COMSOL軟件對所設計的波導結構進行模式分析,激發(fā)光波長為1 550nm,結果如圖3.從圖中可以看出,包覆二氧化硅后,模式面積減小,波導對SPPs的限制性更好.
圖2 波導結構的橫截面
圖3 歸一化模式面積
1998年,Ebbesen等人在金屬膜上刻蝕周期孔陣列,發(fā)現(xiàn)即使當入射光波長是孔徑10倍時仍有很強的光透過,并且透射率高出孔面積與薄膜面積比值的1~2個數(shù)量級,這種現(xiàn)象被稱為光增強透射現(xiàn)象enhancedopticaltransmission(EOT).EOT現(xiàn)象在微腔量子電動力學、光子學器件、高密度數(shù)據(jù)存儲、近場光學、光濾波器、納米感應等相關領域都具有巨大的應用潛力.當光入射到金屬孔洞時,激發(fā)SPPs,當孔洞周期與SPPs波長匹配時,才能產生強透射,故一般EOT現(xiàn)象的頻帶較窄.在實際應用中,較窄頻帶的應用受到限制,研究非共振引起的EOT現(xiàn)象,從而實現(xiàn)寬頻帶激發(fā)與收集,具有更廣泛的意義[6,7].
下面將應用TRIZ中功能分析工具和流分析工具來分析EOT問題,以期產生新的想法.功能分析是指對系統(tǒng)進行分解,得到正常、不足、過量、有害作用,幫助工程師更詳細地理解工程系統(tǒng)中組件之間的相互作用.運用功能分析,可以重新發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)組件的目的和其性能表現(xiàn),進而發(fā)現(xiàn)問題的癥結,并運用TRIZ理論中其他解決問題的工具進一步加以改進.流分析是一種識別工程系統(tǒng)內物質、能量(場)、和信息流動的缺陷的分析工具,可以識別功能分析未揭示出的缺陷,彌補功能分析的不足,并能對工程系統(tǒng)建立物質、能量和信息的模型,從另外一個視角來分析系統(tǒng).
圖4 金屬孔陣列的俯視圖
圖4為金屬孔洞結構的上表面(假設入射電場在圖3中左右偏振).我們將上表面劃分為3個區(qū)域:區(qū)域A(上下孔洞間的區(qū)域)、區(qū)域B(左右孔洞間的區(qū)域)、區(qū)域C(孔洞周圍區(qū)域).這樣以來,3個區(qū)域組成了整個上表面.同樣,金屬孔洞結構的下表面也被劃分為3個區(qū)域:區(qū)域A′,區(qū)域B′,區(qū)域C′.金屬內部被劃分為兩個區(qū)域:金屬部分和孔部分,孔部分包括空周圍的金屬.
圖5為對金屬孔洞結構進行的功能分析.超系統(tǒng)組件、系統(tǒng)對象為光.金屬支撐A,B,A′,B′.孔支撐C和C′.A,B,C間導向流;A′,B′,C′間導向流.
圖5中也畫出了對金屬孔洞結構進行的流分析.A,B,C均能耦合光到金屬表面,但是它們之間的能量流不足.如果要使得更多能量從孔流過,需要增強從A到C,從B到C的流.A′,B′,C′之間導向流不強,但是這對于透射問題是有力,所以它們之間的流是正常的.
當沿圖中左右方向偏振的光入射到金屬表面時,SPPs被激發(fā),即入射光與SPPs相互耦合形成共振.金屬中比較多的能流在A和B中流動,要使得從孔經過的能量流是寬頻的,則要加強從A到C,B到C的流.加強B到C的流要求更多電子聚集到C區(qū)域,當入射光波長較大時,SPPs波長增加,這點自然滿足.由于金屬部分的阻抗小于孔附近的阻抗,從A到C的能流不足.要使得能流盡量多的從小孔中流過,那么就要增加A部分的阻抗.可以通過改變電阻、電感、電容3個方面來增大阻抗.電阻依賴于材料、材料的尺寸、材料的形狀;電感依賴于材料的形狀、材料的尺寸;電容依賴于電容極板的面積、極板間的距離、極板間填充的材料.
圖5 系統(tǒng)的功能分析及流分析
通過以上分析,我們設計了圖6所示結構,應用二氧化硅填充的縫隙增加A部分阻抗,使得較多的寬頻能流從孔部分透過.圖7是該結構的透射光譜.當只有孔時,透射峰是窄帶的(黑線).應用二氧化硅填充的縫隙增加A區(qū)域阻抗后,出現(xiàn)了寬頻的透射光譜(紅線),實現(xiàn)了預先的構想.
圖6 SiO2填充縫隙的金屬孔洞結構
圖7 金屬孔洞結構的透射光譜
本文不僅應用TRIZ方法中組合原理設計了波導結構,以獲得更小模式面積,而且對金屬孔洞結構進行了功能分析和流分析,并給出了多種可能的實現(xiàn)寬頻透射的解決方案.這些結果說明將TRIZ方法引入到某些科學研究領域中,能夠幫助研究者更加快速、準確地找到問題本質及產生解決方案,從而加快創(chuàng)新過程,提升創(chuàng)新效率.
1 趙敏,史曉凌,段海波.TRIZ入門及實踐.北京:科學出版社,2009
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4BarnesWL,DereuxA,EbbesenTW.Surfaceplasmon subwavelengthoptics.Nature,2003,424(6950):824-830
5OzbayE.Plasmonics:mergingphotonicsandelectronicsat nanoscaledimensions.Science,2006,311(5758):189-193
6SubramaniaG,F(xiàn)oteinopoulouS,BrenerI.Nonresonant broadbandfunnelingoflightviaultrasubwavelength channels.Physicalreviewletters,2011,107(16):163902.
7ShenH,MaesB.Enhancedopticaltransmissionthrough taperedmetallicgratings.AppliedPhysicsLetters,2012,100(24):241104