南海两种特殊地质沉积物中结构物的稳定性研究

可压平面混合层稳定性分析及数值模拟

可压平面混合层是包含复杂多时空尺度运动的非定常流体力学部问题，具有深刻的理论意义和广泛的应用背景。针对该问题所涉及内容的多面性，本文的目的是，基于高精度、高分辨率数值算法的构造、发展和数值行为分析，采用线性稳定性分析和直接数值模拟方法。从理论和计算两方面集中研究压缩性效应、粘性效应、初值效应以及燃烧反应放热效应等对可压平面混合层早期稳定性行为和大尺度拟序涡结构非线性演化的影响。以混合层已有研究成果的分析和综述为开端，论文主体共包括四部分：第一部分是可压平面混合层时间/空间模式数值线性稳定性分析。实现了高精度对称紧致差分格式（SCD）对可压粘性扰动线性稳定性边值问题的求解，对导出的线性和非线性离散特征值问题，提出了两个高效局部解法。研究涉及二维/三维扰动波、无粘/粘性扰动波、特征函数和特征值谱、第一/第二模态、超声速快/慢模态、速度比和密度比等。验证了对流Mach数Mc为一个合理的压缩性参数。指出压缩性效应和粘性效应对最不稳定扰动波的波数（频率）和增长率呈相拟的抑制作用，且时间模式稳定性分析结果在许多方面是可信的。从随机和线性扰动场出发，采用高精度五阶迎风紧致和六阶对称紧致混合差分算法（UCD5/SCD6）对可压平面混合层的稳定性特征进行了直接数值模拟，揭示了初始主导线性扰动与一些实际涡结构非线性作用形态间的内在关联，印证了线性稳定性分析方法的合理性和有效性。第二部分是高精度迎风紧致差分格式（UCD）时空全离散数值行为分析。导出了其一维/二维一般色散表达式。研究表明，UCD格式在高波数区具有内在的全离散耗散和色散特性；其数值群速度的快/慢特征可因CFL数不同而改变；在稳定CFL数下简单附加人工粘性可强化UCD格式在高波数区的耗散量；提高时间精度可放宽稳定CFL数限制；UCD格式的二维全离散色散介质中存在三个不同性质的数值波，其全离散稳定性由数值声波主控。第三部分实现了高精度UCD5/SCD6差分算法对空间发展可压平面混合层的直接数值模拟。通过亚谐扰动波的个数和扰动频率的控制，捕捉到了基频涡的饱和、一次和二次对并等现象，显示了大尺度涡结构与入中初始扰动方式之间的内在联系。利用参数Mc观察了压缩性效应对大尺度涡空间演化及其相互作用的影响。第四部分实现了高精度UCD5/SCD6差分算法对非预混扩散火焰化学反应平面混合层的直接数值模拟。研究指出，放热效应可抑制和延迟涡的形成，使基频涡卷拉伸甚至丧失，混合层Reynolds 应力ρu'v'和流向速度波动关联项u'v'下降，以致涡结构与外流动量交换和标量输运减少，脉动输运能力被削弱，从而混合效率、产物生成率和混合层增长率下降，放热主要通过膨胀效应和斜压效应来抑制大尺度涡的演化。

微裂纹细观损伤理论

材料的宏细观破坏理论是当前固体力学和材料科学研究的一个重要课题。本文在对连续损伤理论和细观损伤理论进行评述的基础上，着重研究了脆性材料中微裂纹细观损伤问题。本文建立了一套完整的细观损伤理论来分析二维多裂纹体问题。该理论的基本方法是基本解叠加法，此方法直接考虑了微裂纹之间的相互作用以及有限边界的影响。通过叠加原理，使在裂纹面和外边界满足边界条件，用边界配置法化控制方程组为线性方程组，进行数值求解。本文以裂纹密度为参量，针对微裂纹随机分布和平行分布两种情况，计算了无限大体中代表性体元（VRVE）和多裂纹有限体的有效弹性模量。数值计算结果表明，本文所用方法具有统一与直能的优点，采用此法所得模量与试验结果吻合，在处理多裂纹体问题时计算效率高、精度好，对求解多裂纹问题非常有效。此外，通过建立微裂纹晶内扩展准则和穿晶扩展准则，分析了微裂纹扩展连接直至裂纹形成、扩展这一全过程的细观力学行为，对微裂纹的损伤演化过程进行了直接模拟，计算了含微裂纹矩形板的宏观应国变关系曲线。本文进一步提出了三维微裂纹相互作用的数学分析方法 — 扁球坐标和位移函数法，并采用边界配置法或裂纹面面力平均化方法进行求解。数值结果表明，扁球坐标和位移函数法分析三维微裂纹的相互作用问题是有效可行的。最后，本文提出了埋入基体的镶嵌体胞模型，建立了计算非均质体有效弹性模量的解析表达式。该式从理论上讲是严格的，且具有形式简单、内涵丰富及有效弹性模量能显式表达等优点。针对球体含球形夹杂、裂纹及旋转扁球体含球形夹杂、裂纹等不同体胞结构计算了其有效弹性模量，并与其他细观力学方法所得结果进行了比较。本文还将埋入基体的镶嵌体胞模型进行了发展，研究了二相颗粒复合材料的弹塑性本构关系（基体为弹性而颗粒为塑性材料），计算了球体含球形颗粒用旋转扁球体含扁球状颗粒两种体胞结构的宏观应力 - 应变曲线。

高性能硅基锗光电探测器的研制

在信息产业、生物医学等科技领域越来越受关注的今天，新型光电子、光通信科技必将以更快的速度发展。Si基光电子集成采用成熟价廉的微电子加工工艺，将光学器件与多种功能的微电子电路集成，是实现光通信普及发展和光互连的有效途径。Si基光电探测器是Si基光通信系统的关键器件之一。随着近年来Si基Ge材料外延技术的突破性进展，Si基Ge光电探测器因为兼顾了Si基光电子集成和对光通讯波段(1.31和1.55μm)的高效探测，成为了当今研究的一大热点。
    半导体光电探测器的性能与其结构密切相关。PIN型光电探测器是最常见的探测器，可以普遍应用于光通讯光互连系统；雪崩光电二极管(APD)因为具有较高的响应度和内部增益，在实现单光子探测方面具备很大的优越性，适用于当今迅猛发展的生物光子学和量子信息学；共振腔增强型的光电探测器(RCE-PD)，集波长选择器、高速光信号接收器于一体，而且具备共振增强作用、高饱和功率输出等特点，是局域网、光纤入户和现代波分复用(Wavelength-Division Multiplexing,WDM)系统光通信网络的一种优选方案；波导结构探测器(Waveguide-PD)可以解除探测器的响应带宽和量子效率之间的矛盾，而且其结构特点更易于实现与调制器等光波导器件的集成，是片上光互连的首选探测器。
    本论文围绕高性能Si基Ge光电探测器这一研究目标，开展了多种结构的光电探测器的研制，包括PIN型PD的研制及其优化、吸收区与倍增区分离结构(SACM)的Ge-on-Si APD、RCE-PD和Waveguide-PD，主要研究结果如下：

1.                成功研制了PIN型Ge-on-Si光电探测器，器件在-1V外加偏压下暗电流密度为46.6mA/cm2，在1.31μm和1.55μm波长下器件的量子效率分别为40%和17%；然后改进了实验方法，在制作器件之前将Ge-on-Si材料在850℃条件下快速退火1分钟，从而改善材料质量，器件的暗电流密度降低至4mA/cm2，这是目前国际上报道的最好结果之一。

2.                研制出了PIN型Ge-on-SOI光电探测器，在1.31μm和1.55μm波长的量子效率分别为62%和25%。在-3V外加偏压下，器件的3dB带宽为12.6GHz。25μm直径器件，3dB带宽更是达到了13.4GHz。同时，制作了均匀性很好的1×4探测器阵列，单个器件的3dB带宽达13.3GHz。

3.                在国际上首次研究了硅基锗光电探测器的高饱和特性。在-1V和-2V外加偏压下，探测器的1-dB小信号压缩电流分别为22mA和40mA,相应的光功率分别为67.5mW和110.5mW。

4.                成功研制了吸收区和倍增区分离的Si基Ge雪崩光电二极管，器件的穿通电压Vpt约为29V，击穿电压Vbd(暗电流等于100μA时的电压)为39.5V。在击穿电压附近，如39V时，SACM-Ge-on-Si APD的增益为40。

5.                解决了背面ICP深刻蚀工艺难题，成功制备了中心波长在1.55μm，量子效应高达62%的共振腔增强型Si基Ge光电探测器。