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基于相变材料的片上光电存算一体化器件的研发
现阶段所设计的存算一体器件单元结构如图 1 所示: 器件的基本结构由波导和功能层(由下到上分为加热层、电极层、保护层、相变材料(硫系化合物)层)所构成。拟通过在当前流行的绝缘层上硅(SOI)光子平台上集成四氮化三硅光波导的方式实现器件的光学读取功能,即在非常厚的硅衬底层上生长一层绝缘层二氧化硅和波导层,然后在基片上通过光刻、显影、刻蚀等工艺制备四氮化三硅波导。功能层主要用于实现器件的电学写入功能。加热器层的主要用途是与相变材料层形成电接触,通过较小的接触面积使接触处的热量集中,从而可以在较小的电压或电流下使相变材料发生相变。因此需要加热器层具备较好的导热和导电性能,同时在近 C 波段具有较低的光损耗,可采用石墨烯。电极层可用于提供相变材料器件单元所需要的编程电脉冲。当前拟采用硒掺杂的相变材料合金(如 GSST)作为器件的核心功能层的相变材料。该材料在通信/非通信波段显示了极低的光损耗和更高的品质因数,且相变前后在通信 C 波段具有足够大的光学常数反差,可在更恶劣的高温环境下进行操作,适用于硅基光子器件应用。 采用的主要技术手段包括: ① 依托于相变材料的电致和光致相变特性,通过电学编程、光学读取的方法实现器件的存储、算术运算和逻辑运算功能:  存储功能的实现:拟利用相变材料晶态低透过率和非晶态高透过率分别代表二进制中的‘1’和‘0’,实现数据存储(编程)功能。例如在电极两端施加合适的电脉冲,所产生电流流经加热层时,生成的热量主要集中在加热层和相变材料层接触处,使得接触处的相变材料发生相变,实现存储功能。在完成上述编程操作后,从器件波导输入端输入读取连续光。由于相变材料功能层对光强的吸收能力在编程和非编程区域间存在着显著的差异,因此当输入光经过波导后,其能量会因为相变材料编程区域的吸收而发生改变,进而显著改变输出光强能量。所以通过测量输入输出光强的能量之比(即透过率),可实现对先前编程区域的读取。  算术和逻辑功能的实现:通过调整编程电脉冲的幅度和宽度可以动态调控相变材料的相变程度,使得器件的中间透过率值可用于代表不同的数值,实现多级存储功能。所以拟采用输入脉冲数量对应加数的方法实现标量加法计算。同时由于所设计器件的读取连续光输出功率可视为读取连续光输入功率和器件透过率的乘积,因此可采用将输入功率和透过率作为被乘数和乘数的方法实现基本乘法运算。除此之外还可以将器件功能层的初始状态设置为非晶相,把晶化脉冲幅值和不足以产生晶化的脉冲幅值分别作为输入逻辑‘1’和‘0’;同时设定一个判定阈值并与编程后器件透过率的变化率进行对比,把高于和低于阈值的透过率变化率分别作为输出逻辑 ‘1’和‘0’;通过合理选择编程脉冲有望实现各种逻辑功能输出。 ② 基于器件透射率可调特性验证其实现神经突触的可行性。并依托所设计人工突触构建人工神经网络芯片,实现图像、语音和文本识别功能:  突触可塑性是大脑记忆和学习的神经生物学基础,也是人工类脑器件需要实现的首要功能。为实现突触可塑性,拟把相变材料和波导之间的耦合区域视为仿生神经突触,左右两端电极分别代表突触前和突触后,分别施加在两端电极上的电脉冲则作为突触前和突触后刺激。通过调节从左右两端电极输入耦合区域的电脉冲时间差对耦合区域的光透过率进行连续调控,进而依托于上述存算理论模型和实物器件仿真和实验实现仿生神经突触的脉冲时序依赖可塑性(Spike-Timing-Dependent-Plasticity, STDP)。  将不同波长的光脉冲序列输入所设计的突触单元, 经过相变材料的作用,脉冲强度发生变化,对应于乘法器。进而借助于微环结构,将不同波长的脉冲导入进同一波导中,该功能类似加法器。相加后的脉冲光强较小时,读取光与微环发生共振,在输出端口没有光强输出。当光强达到一定的阈值后,读取信号不再和微环发生共振,而是传播到输出端口。这一过程类似神经元脉冲信号的激发,实现了非线性激活函数的功能。利用上述的单个神经元结构,验证其监督式机器学习和非监督式机器学习。对于监督式机器学习,权重的数值通过外部管理器设置;对于非监督式机器学习,不再需要外部管理器来设置权重值,而是通过输出光脉冲进行反馈控制,调整权重值。在单个神经元结构的基础上,更复杂的光学脉冲神经网络结构,证明该结构的可扩展性。拟设计的神经网络中的每一层结构包括三个功能单元,即收集器、分发器和神经突触结构。收集器将上一层不同波长的光脉冲信号收集到同一根波导中,分发器将光脉冲分发给多个神经元,神经突触结构则产生光脉冲信号,输入给下一层结构。基于上述结构实现图片、语音和文本的识别。 创新性分析:①首次研究了一款基于“电学编程、光学读取”模式的光电混合存算一体化器件。与传统电学存算一体化器件相比,拟研发的器件可以进行长距离的信息传输,具有传输带宽高、信号间延迟低、损耗低、抗干扰、集成密度高等优点。②采用硒(Se)掺杂的相变材料作为存算一体化器件的核心功能材料。与采用其他相变材料的存算一体器件相比,以硒参杂的相变材料作为功能材料的存算一体器件有望展现出极低的光损耗。③提出了一种基于“电学脉冲刺激、光学权重调节”的人工神经突触。该突触器件有望成为未来通用型人工神经突触,填补了光电混合型人工突触的技术空白。 先进性分析:①所提出的光电混合工作模式使得该存算一体化器件不但具有传统集成电路的高密度特性,且兼具光通信技术的宽频带、低延迟、抗干扰的优越性能。②所采用硒参杂的相变材料不但继承了传统材料具有的快速相变转化速度、低功耗和稳定性强等特性,且本身在通信波段非晶态透明的同时还保持了相变前后足够大的光学性能差异的特点。③所设计的突触继承了人工电子突触和全光突触的优点,具有高集成度、低功耗、超快响应时间、稳定性强等优点。 独占性分析:根据已取得成果正在撰写专利,以获得该关键技术的独有权。 
南京邮电大学 2021-05-11
一种填充高温相变材料的自热型重整制氢反应器
本实用新型公开了一种填充高温相变材料的自热型重整制氢反应器。该自热型重整制氢反应器从上至下依次由上表面设有甲醇水蒸气重整反应物进口管和甲醇催化燃烧反应物进口管的上盖板、石墨垫片、上蒸发板、石墨垫片、下蒸发板、石墨垫片、下表面填充有高温相变材料的甲醇重整制氢吸热板、密封板、石墨垫片、下表面填充有高温相变材料的甲醇催化燃烧板、石墨垫片和下表面设有燃烧尾气出口管和燃烧尾气出口管的下盖板层叠而成。本实用新型利用高温相变材料的相变潜热,有效提高自热反应器的热稳定性,减少反应器内部的温度梯度与反应器工作时的温度波动,抑制由反应器过热造成的催化剂活性下降与脱落,提高反应器的热效率与甲醇转换率。
浙江大学 2021-04-13
固液相变被动热控技术
由相变储能技术发展而来的相变温控技术作为一种新兴热控技术越来越受到航天领域的广泛关注。航天器是综合了各个学科的先进技术成果而发展起来的系统工程,其中热控技术是保证航天器正常工作的重要技术。美国国家航空航天局(NASA)认为航天器的电子设备工作温度范围基本在-15~50℃。航天器工作环境都极端恶劣,若其长时间在极端的温度环境下工作会引起电子设备失效。美国空军的一份报告指出由温度引起的电子器件失效率高达55%,占所有失效因素的一半以上。因此运用先进的热控技术保证航天器的结构部件、仪器设备在空间环境下处于一个合适的温度范围,使航天器在各种可能的情况下均能够正常工作,对于航天领域具有重要意义。物质在吸收或释放能量发生物态变化时,自身温度可保持不变或只发生较小变化。利用物质相变过程的这一特征,以及潜热储能所具有的高储能密度和能量稳定传输等特点,潜热储能已发展成为最具实际应用潜力、应用最多和最重要的储能方式。使用相变材料,再匹配以合适的热交换系统,进行能量储存的技术称为相变储能技术。由相变储能技术发展而来的相变温控技术作为一种新兴热控技术具有设备性能可靠、质量轻、不耗能等优点,更符合航空航天设备的特殊要求,越来越受到人们的广泛关注。
北京航空航天大学 2021-04-13
一种相变蓄冷装置
发明公开了一种相变蓄冷装置,包括蓄冷模块和外循环模块,所述外循环模块包括空调负荷,冷水机组、水泵、稳压阀和止回阀;所述蓄冷模块包括外壳、蓄冷槽、入水口、出水口、集水槽、共晶盐相变材料和三维网状流道;所述入水口和出水口设置在所述外壳上,所述蓄冷槽设置在所述外壳内,在所述蓄冷槽的两侧设置所述集水槽,所述三维网状流道配置在所述蓄冷槽内,所述蓄冷槽内非所述三维网状流道空间填充所述共晶盐相变材料。本发明既可以进行电力的移峰填谷从而保障电网安全、提高发电和输变电设备的效率并且有效利用了有限资源,同时降低了空调系统的运行费用,很好地实现了间歇性工作。
东南大学 2021-04-11
一种精确控制微纳尺寸相变材料非晶化率连续变化的方法
本发明公开了一种通过施加低电平脉冲实现微纳尺寸 GST 相变 材料非晶化率连续变化的控制方法,包括控制非晶化率连续单调增大 和连续单调减小的操作,通过利用两个或两个以上的连续脉冲的幅值、 宽度和间隔等三个参量综合自适应变化精确控制焦耳热产生,继而实 现 GST 相变材料晶化率的连续变化,具体包括步骤:对相变存储单元 施加具有一定参量的两个或两个以上的连续脉冲;在连续脉冲的作用 下,相变材料获得一定的热量,使部分相变材
华中科技大学 2021-04-14
微纳多层聚合物光学膜
聚合物多层光学膜代表着光学膜技术的最高水平,在光电 子相关产业有广泛的应用,国内产品市场完全被美国 3M、日本东丽等跨国公司所垄断。项目拟通过设计一维、二维光子晶体结构,利用光子晶体结构的禁带实现不同能量的光子进行选择性透过,来实现复杂的光谱选择(例如红、蓝光双带通滤波器)和偏振态调控。产品的实现和产业化,可填补国产高端光学膜产品市场空白。 
中国科学技术大学 2021-04-14
径向多层式磁流变离合器
本发明公开一种径向多层式磁流变离合器,主要包括输出轴、左盘、外壳、支撑圆盘、转子、线圈、右盘和输入轴,左盘、右盘和设置在左盘与右盘之间的外壳围成一个空腔,输出轴固定连接到左盘的外表面,输入轴伸入空腔的部分用平键连接支撑圆盘,在支撑圆盘的左、右端面沿径向间隔地固定有转子Ⅰ、转子Ⅲ和与其间插配合设在左盘和右盘内表面上的转子Ⅱ、转子Ⅳ,所有转子分别沿各自圆周方向均匀地设置相等的偶数个,转子上还分别绕有线圈,不同圆周的转子之间设有间隙,间隙中通入磁流变液。本发明利用径向工作间隙、径向多层叠加,传递转矩大,结构紧凑,转子上的线圈也可以灵活拆换。
四川大学 2016-10-11
一种建筑物多层地下结构支护施工方法及支护装置
本发明涉及一种建筑物多层地下结构支护施工方法及支护装置,按照如下方法进行,挖掘工作井、安装工作井支护装置、挖掘水平挖掘井、安装水平挖掘井装置,继续向下挖掘工作井、安装对应的工作井支护装置、挖掘水平挖掘井、安装水平挖掘井装置,依次类推从上到下进行工作井和水平挖掘井的挖掘及支护装置的安装,施工方便,能够从上到下进行支护,在挖掘的过程中进行支护装置的安装,进一步提高了低下施工的安全性,减少了低下施工的安全隐患和地面下陷的风险。
聊城大学 2025-01-08
纳米复合相变蓄热电锅炉
正在申请专利,已加工出二台样品锅炉。
西安交通大学 2021-04-11
空调纤维——石蜡/PVA相变储能纤维
相变储能纤维是将相变材料与纤维通过一系列方法复合产生的一种智能纤维新品种,是相变储能材料的拓展应用之一。相变储能纤维既具有纤维的各种特性又具有相变储能调温功能,可以如空调一般调节环境温度。相变储能纤维直接通过纺织加工得到各种“空调”纺织品,而无需在纺织品上进行涂层、后整理、填充等相变储能功能化操作。 相变储能纤维一般有以下应用领域:手套、帽子、鞋类、运动服装、内衣、背心夹克、头盔、护膝
四川大学 2021-04-14
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