CN114266177A - 无序结构电磁特性的简化仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无序结构电磁特性的简化仿真方法，属于材料化学领域和电磁特性仿真技术领域。本发明的方法使用模型简化和仿真参数优化相结合，实现了用有限无序结构代替无限无序结构的简化，可以减少计算时间、内存消耗和研发成本。本发明方法通过提取实际样本中无序结构的几何特征构建简化模型，将几何尺寸的统计数据运用到模型优化中减少计算误差，使仿真结果与实验结果更加接近。

Description

无序结构电磁特性的简化仿真方法

技术领域

本发明涉及一种无序结构电磁特性的简化仿真方法，属于材料化学领域和电磁特性仿真技术领域。

背景技术

空间有序的结构是材料化学领域十分常见的结构，目前许多的科研成果都以空间有序的结构作为研究对象。这种结构针对一个单元采用周期性边界条件即可实现准确的仿真，并节省计算开销，因此这种结构在建模与仿真方面上取得了很大的进展。但是对于固体材料而言，除了空间有序的结构以外，还存在着空间无序的结构，例如具有无序纳米森林结构的的硅薄膜、无序锥状结构的金属薄膜，以及一些无序微球结构的陶瓷材料等等。空间无序的结构因为存在难以准确把握的结构复杂性，所以目前用来仿真和模拟的理论模型比空间有序的模型少。近年来，一些具有空间无序结构的晶体和超表面、超材料等在光谱特性上表现出了比传统有序结构的材料更加优异的性能，有望在超快激光、太阳能转换等领域发挥出极大的优势，因此空间无序结构也引起了越来越多研究者的关注。为了研究这些具有无序结构的材料在光谱特性上的潜能，研究它们的电磁特性十分重要。

为了缩短研究周期、节省研究成本，使用仿真模拟的方法去获得这些无序结构的材料的电磁特性十分关键。无序结构通常具有很多不同的几何特征和尺寸，如果根据它们实际的结构去构建一个具有许多样本数量的仿真模型将会导致文件过大，内存消耗和计算时间也会成为非常棘手的问题。而在构建无序结构的模型时如果使用的样本数量太少又会导致最终的仿真结果与实际测量的结果相差太远。因此，在考虑无序结构的建模和仿真时，实现模型的简化并保证仿真的准确性非常重要。适当的模型简化可以缩短计算的时间，减少内存消耗和研发成本。对仿真参数进行优化，可以减少计算误差使得计算结果与实验结果更加接近，保证模型计算的准确性。

发明内容

本发明的目的是为了提供无序结构电磁特性的简化仿真方法，该方法使用模型简化和仿真参数优化相结合，可以实现对无序结构电磁特性的仿真模拟，既能节省计算开销，又能保证仿真结果的准确性。本发明方法提取了无序结构的几何特征建立了简化模型，另外从实验样品中获取了关键参数的统计数据并将它们运用到仿真模型的优化中，最后对优化的模型使用周期性边界进行计算。由于模型构建的方法具有普适性，因此本发明提出的方法不仅适用于无序结构的电磁特性模拟，还可以运用到无序结构的其他特性例如力学、热学等特性的仿真模拟中。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

无序结构电磁特性的简化仿真方法，步骤包括：

一、选取无序结构的几何特征；

二、根据几何特征建立简化模型，简化模型为一个单元的周期性模型；

三、从实验样品中获取几何特征中的关键参数的统计数据；

四、使用统计数据对仿真模型进行优化，即对统计数据进行分析和拟合，并从中选取合适的数据点建立有限个简化模型；

五、根据电磁特性设置仿真条件，对步骤四的有限个简化模型使用周期性边界，达到以有限个无序结构近似替代无限个无序结构的目的。

所述无序结构包括：周期和/或大小无序的三维形状、二维和一维图形，其中三维形状包括圆柱、圆台、圆锥、立方体、长方体、金字塔、圆球、椭球等；二维图形包括：长方形、正方形、梯形、三角形、圆形、平行四边形等；一维图形包括直线和曲线等。

所述无序结构的几何特征包括：无序结构的长、宽、高、半径、角度、曲率、粗糙度等。

所述获取关键参数的统计数据的方法：一，直接使用工具或者仪器测量，例如使用测量尺、量角器等工具，或者使用高度测量仪、粗糙度测量仪、原子力显微镜等测量仪器，直接对样品进行测量获得其特征尺寸；二，使用间接测量的方法，例如拍摄光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等电子影像，通过后续采用软件测量获取特征尺寸。其中，关键参数的样本点不少于100个。

所述处理统计数据的方法：可通过计算概率分布函数、置信区间、置信椭圆、拟合曲线等获得的数据的统计特征，其中需要提取的参数包括：拟合曲线、拟合数据点、平均值、方差、置信区间范围等。

所述建立模型的方法：可采用直接建模法和CAD辅助法，其中直接建模可采用二维、三维有限元建模和CT三维重建技术等。

所述优化仿真模型的方法：对关键参数的统计数据进行分析和拟合，得到其概率分布、统计数值和函数关系，从中选取合适的数据点构建有限个简化模型。数据点选取的方法包括：一、确定数据点的数量，按照该数目将统计区间进行等分，在每个区间的拟合曲线里随机选取一个数据点；二、将统计区间进行等分，按照概率分布在每个区间的拟合曲线里随机选取数据点，概率分布越大的区间，选取的数据点越多，反之亦然。

所述有限个简化模型的数量：有限个简化模型的数量(选取的数据点的数量)不少于6个

所述对简化模型使用周期性边界：将有限个无序结构的简化模型组合成一个单元，对该单元使用周期性边界条件，仿真该单元的电磁特性，其中周期性边界选取为x-y面时，开放边界则选择为z面，反之亦然。

有益效果

1、本发明提出的无序结构电磁特性的简化仿真方法，通过在一个单元中使用有限个无序结构近似替代无限个无序结构，在这个单元中使用周期性边界条件去仿真其电磁特性，实现了用有限无序结构代替无限无序结构的简化，可以缩短仿真计算的时间，减少内存消耗和研发成本。

2、本发明提出的无序结构电磁特性的简化仿真方法，通过获取无序结构的关键参数的统计数据对仿真模型进行优化，进而使计算结果与实验结果更加接近。

3、本发明提出的无序结构电磁特性的简化仿真方法，利用参数优化的简化模型不仅可以用来模拟无序结构材料的电磁特性，同时还可以用来预测关键参数对其电磁特性的影响规律，从而达到设计材料参数和结构参数获得所需电磁特性的目的。

4、本发明提出的无序结构电磁特性的简化仿真方法，适用于材料化学领域中各种无序结构的材料电磁特性的模拟。

附图说明

图1为实施例1中的无序金字塔扫描电镜照片；

图2为实施例1中的单个模型示意图；

图3为实施例1中的拟合曲线和频率分布图；

图4为实施例1中的一个单元中使用有限个无序结构近似替代无限个无序结构模型示意图；

图5为实施例1中的无序金字塔结构在可见光波段的仿真结果与测试结果对比图；

图6为实施例2中的单个模型示意图；

图7为实施例2中的一个单元中使用有限个无序结构近似替代无限个无序结构模型示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，结合以下具体实例与附图对本发明进一步详细说明。

实施例1

对具有无序金字塔结构的薄膜材料进行可见光波段电磁特性的简化仿真

具有无序金字塔结构的薄膜材料已被证实具有非常好的电磁吸收特性，在光子探测、光电转换、太阳能转换等领域都具有很好的应用前景。本实施例对具有无序金字塔结构的金属铬薄膜进行可见光波段电磁特性的简化仿真，无序金字塔结构如图1所示，其中薄膜厚度为1.8μm，根据以下步骤进行建模与仿真：

一、选取无序结构的几何特征。薄膜材料的结构主要分为：顶部的金字塔结构及金字塔底部的柱状结构。几何特征主要有：金字塔高度、金字塔底部的宽度、柱状高度、柱状宽度和相邻金字塔的间隙。

二、根据几何特征建立单个模型。由于金字塔结构与底部柱状结构相连，因此金字塔底部的宽度即为柱状结构的宽度，根据金字塔高度、金字塔宽度、柱状高度建立的单个有限元模型如图2所示。

三、从实验样品中获取几何特征中的关键参数的统计数据。使用扫描电镜拍摄多张薄膜材料的截面图和俯视图，根据拍摄出来的图片对金字塔高度、金字塔宽度、柱状高度和相邻间隙一一进行测量，获取200个数据样本点并对样本点进行统计分析。测量得到的金字塔宽度和高度的拟合曲线和频率分布图如图3所示。

四、使用统计数据对仿真模型进行优化。根据步骤三获得的统计数据，将拟合曲线等分为10个区间，根据区间的概率分布在全部区间内随机选取16个数据点，概率分布越大的区间选取的数据点越多，反之亦然。用这16个数据点建立有限个无序金字塔模型，然后将这些模型组合成一个独立单元，如图4所示。

五、设置仿真的参数及条件，对该独立单元使用周期性边界。对步骤四的得到的独立单元设置可见光波段的电磁波频率：380-750THz,在x-y面上使用周期性边界条件，即模型的四个侧面都使用周期性边界条件，在z方向上使用开放性边界条件，其中金字塔的顶部设有完美匹配层和电磁波入射端口。设置电磁波的传输方向沿着z方向，偏振方向为y方向，最后通过提取S参数可以获得模型在可见光波段的反射率和吸收率。

使用分光光度计测量该金属铬薄膜的光学特性，具有无序金字塔结构的金属铬薄膜在可见光波段的吸收率＞95％，因此具有非常好的光吸收特性。将实测结果与简化仿真的计算结果进行对比，如图5所示。通过将上述的仿真结果与实验结果对比可知，测量结果与仿真结果的最大误差小于7％。因此，本发明提出的无序结构的电磁特性的简化仿真方法，不仅可以缩短计算时间、减少内存消耗，同时也可以实现对无序金字塔结构的电磁特性的仿真和性能预测。

实施例2

对具有无序圆锥结构的薄膜材料进行红外波段电磁特性的简化仿真

具有无序圆锥结构的薄膜材料已被证实具有非常好的电磁吸收特性，在光子探测、红外隐身等领域都具有很好的应用前景。本实施例对具有无序圆锥结构的硅薄膜进行红外波段电磁特性的简化仿真，其中薄膜厚度为1μm，根据以下步骤进行建模与仿真：

一、选取无序结构的几何特征。无序圆锥特征参数主要有：圆锥高度、圆锥底部半径和相邻圆锥的间隙。

二、根据几何特征建立单个模型。根据圆锥高度、圆锥底部半径建立单个有限元模型，如图6所示。

三、从实验样品中获取几何特征中的关键参数的统计数据。使用扫描电镜拍摄多张硅薄膜材料的截面图和俯视图，根据拍摄出来的图片对圆锥高度、圆锥底部半径和相邻圆锥的间隙一一进行测量，获取280个数据样本点并对样本点进行统计分析，得到其拟合曲线和频率分布图。

四、使用统计数据对仿真模型进行优化。根据步骤三获得的统计信息，将拟合曲线等分为10个区间，根据区间的概率分布在全部区间内随机选取20个数据点，概率分布越大的区间选取的数据点越多，反之亦然。随后使用这些数据点建立20个简化的圆锥模型，将这些模型组合成一个独立单元，如图7所示。

五、设置仿真的参数及条件，使用周期性边界去仿真有限个模型。对步骤四的模型设置红外波段的电磁波频率：100-300THz,在x-y面上使用周期性边界条件，即模型的四个侧面都使用周期性边界条件，在z方向上使用开放性边界条件，其中圆锥的顶部设有完美匹配层和电磁波入射端口。设置电磁波的传输方向沿着z方向，偏振方向为y方向，最后通过提取S参数可以获得模型在红外波段的反射率和吸收率。

使用光谱仪测量该薄膜在红外波段的光谱结果，实验结果表明具有无序圆锥结构的硅薄膜在红外波段的吸收率＞85％，因此它具有较好的红外吸收特性。将实测结果与简化仿真的计算结果进行对比，计算误差小于8.5％。本发明提出的仿真方法使用简化的模型去模拟无序圆锥结构的电磁特性，不仅可以获得较为准确的仿真结果，同时也可以缩短计算时间、减少内存消耗。

以上所述的实例并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.无序结构电磁特性的简化仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、选取无序结构的几何特征；

步骤二、根据几何特征建立简化模型，简化模型为一个单元的周期性模型；

步骤三、从实验样品中获取几何特征中的关键参数的统计数据；

步骤四、使用统计数据对仿真模型进行优化，即对统计数据进行分析和拟合，并从中选取合适的数据点建立有限个简化模型；

步骤五、根据电磁特性设置仿真条件，对步骤四的有限个简化模型使用周期性边界，达到以有限个无序结构近似替代无限个无序结构的目的。

2.如权利要求1所述的无序结构电磁特性的简化仿真方法，其特征在于：步骤一所述的几何特征包括：无序结构的长、宽、高、半径、角度、曲率和粗糙度。

3.如权利要求1所述的无序结构电磁特性的简化仿真方法，其特征在于：步骤四优化方法为：对步骤三得到的统计数据进行分析和拟合，得到统计数据的概率分布、统计数值和函数关系，从中选取合适的数据点构建有限个简化模型；数据点选取的方法包括：一、确定数据点的数量，按照该数目将统计区间进行等分，在每个区间的拟合曲线里随机选取一个数据点；二、将统计区间进行等分，按照概率分布在每个区间的拟合曲线里随机选取数据点，概率分布越大的区间，选取的数据点越多，反之亦然。

4.如权利要求1所述的无序结构的电磁特性的简化仿真方法，其特征在于：步骤四所述的有限个简化模型的数量，即选取的数据点的数量不少于6个。

5.如权利要求1所述的无序结构电磁特性的简化仿真方法，其特征在于：获取关键参数的统计数据的方法包括：一，直接使用工具或者仪器测量，例如使用测量尺、量角器等工具，或者使用高度测量仪、粗糙度测量仪、原子力显微镜等测量仪器，直接对样品进行测量获得其特征尺寸；二，使用间接测量的方法，例如拍摄光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等电子影像，通过后续采用软件测量获取特征尺寸；其中，关键参数的样本点不少于100个。

6.如权利要求1所述的无序结构电磁特性的简化仿真方法，其特征在于：处理统计数据的方法包括：计算概率分布函数、置信区间、置信椭圆、拟合曲线等，需要提取的统计特征包括：拟合曲线、拟合数据点、平均值、方差和置信区间范围。

7.如权利要求1所述的无序结构电磁特性的简化仿真方法，其特征在于：构建模型的方法有直接建模法和CAD辅助法，其中直接建模可采用二维、三维有限元建模和CT三维重建技术。

8.如权利要求1所述的无序结构电磁特性的简化仿真方法，其特征在于：将步骤四建立的有限个无序结构的简化模型组合成一个单元，对该单元使用周期性边界条件，仿真该单元的电磁特性，其中周期性边界选取为x-y面时，开放边界则选择为z面，反之亦然。

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