從六大領域數十篇頂刊，看仿真模擬到底可以用來做什麼？

在實驗和表徵之外，科研領域還有兩大法寶：理論計算和仿真模擬。理論計算自是不必說，而對於仿真模擬，很多人則並不是十分了解。通過仿真模擬，有助於提高對很多領域各個物理過程的理解和認識，節省時間和實驗成本，提高科研效率，獲得優質的科研成果。

仿真模擬的應用領域非常廣，今天我們主要介紹常用的六大領域：

1. 力學與柔性器件

2. 微納光學

3. 半導體器件與光學

4. 電磁學與MEMS器件

5. 流體與微流控器件

6. 電池與電化學

一、力學與柔性器件

柔性器件在拉伸過程中的應力應變分布，太陽能電池彎曲應力分析。

二、微納光學
1. 光的傳播與散射

2. 光學超材料設計

超材料就是通過人工構造的周期性結構使得材料具有實現通常狀態下材料不可能具有的屬性，例如負折射率、負磁導率等。通過超材料能實現光學隱身、全相位相片、超級透鏡等特殊的光學效果。在設計超材料的過程當中理論上的模擬計算當然是必不可少的，有限元方法則是模擬計算中最常用的數值計算方法。

Science,2015, 347(6228): 1342-1345.

3. 光催化

不同位置由於電場局域程度不一樣，催化效果也對應的改變。通過模擬計算得到了納米金塊不同區域的電場強度和反應的活化能，結果顯示電場強的區域活化能更小，反應速率更快。

Naturecommunications, 2017, 8: 14542.

4. 極化激元

Nature Communications, 2017, 8: 15624.

極化激元能過增強局部電場強度，從而在光譜，催化等材料科學領域廣泛應用。圖中設計二維材料的納米棒，通過在納米棒不同位置激發，可以通過電磁場分析產生的極化激元的情況。

5.光學器件設計，天線、光纖、波導、濾波器、調製器、傳感器（Nature Photonics,2017, 11(8): 486.）

文章中設計了二維材料和半導體異質結構，通過此結構設計成低損耗的光波導器件，在分析器件工作之前，可先通過模擬計算得到器件的波導模式分布和損耗。在光學器件的設計中提前模擬計算往往是必不可少的。

6.光譜計算（可見、紅外）：各種器件、二維材料和分子等光譜計算（Science, 2018,360(6393): 1105-1109.）

三、半導體器件與光學

主要包括光電器件的TCAD有限元模擬、FDTD時域差分電磁場模擬以及基於通用計算平臺的載流子動力學模擬等。所涉及的材料體系包括常規半導體（如矽、砷化鎵、氮化鎵，鈣鈦礦等），半導體納米結構（如量子點/薄膜，納米線/柱/片等），金屬納米結構（如金屬納米顆粒）等。主要研究應用場景包括：

1. 光電轉換器件物理：

常規器件光電轉換效率的全流程模擬，包括器件光電響應仿真、光生載流子動力學模擬、內外量子效率計算、伏安曲線、轉換效率等；

圖 1使用TCAD仿真軟體模擬實現傳統太陽能電池的全流程性能仿真，獲得伏安曲線、內外量子效率等器件特性參數（Nat.Commun., vol. 4,no. May, p. 2950, 2013.）

納米光學結構，如金屬等離子激元、波導、光子晶體等，在太陽能電池上的應用

圖 2採用光學模擬探究各類光學結構對太陽能電池光吸收效能的影響，如背部金屬電極、正表面金屬結構、光子晶體、其他納米諧振結構等(NanoLett., vol. 12, no. 1, pp. 214–218, 2012.)

其他微米至納米級尺度光電器件和結構的光場仿真：

圖 3 (左) GaN納米柱內部光場共振模式模擬與陰極射線螢光譜（CL）對比 (NanoLett., pp. 10–1021, 2018.)；（右）InGaAs/GaAs超晶格納米線雷射遠場幹涉圖樣仿真與試驗結果對比(Nano Lett., vol. 16, no. 6, pp.3524–3532, 2016.)

2. 光電錶徵環境模擬與參數提取：

半導體微納結構的光學表徵激發模擬，如共焦雙光子的激發光場與螢光響應、平衡/非平衡光生載流子分布及其螢光響應，半導體材料螢光壽命圖像（FLIM）的曲線擬合與參數提取等；

圖 4通過對GaN納米柱螢光壽命(TRPL)衰減曲線的建模擬合分析，提取半導體材料的性能參數，如載流子壽命，遷移率，結構表面缺陷密度等(GalliumNitride Materials and Devices XII, 2017, vol. 10104, p. 101040U.)

3. 半導體材料超快光譜，包括超快螢光光譜（TRPL）、超快透射譜（TA）的曲線擬合與參數提取：

圖 5通過對鈣鈦礦材料超快透射光譜(TA)的建模分析擬合，提取出相關載流子的弛豫動力學參數 (Nat. Commun., vol. 8, p. 14120, 2017.)

4. 近場光學效應模擬：

金屬/半導體納米結構的局域場（LocalField）增強效應，即Purcell Effect模擬，包括基於光子晶體共振腔、波導、金屬結構表面等離子激元等場景；

圖 6使用矽納米線製作的納米光學諧振腔。通過模擬獲得其內部光場分布（左下）並計算出局部態密度增強係數（Purcell Factor）（右下）(Nat. Photonics, vol. 7, no. March, pp. 285–289,2013.)

四、電磁場分析與 MEMS多物理場模擬

1. 電容、電阻、摩擦電、壓電傳感器

模擬各種電學傳感器的電流、電場、電勢分布

2. 麥克斯韋方程組分析與仿真模擬

通電線圈產生的磁場

3. 磁性材料和永磁體有限元仿真

永磁體設計、永磁電機、磁性軸承以及與電磁相關的有限元數值模擬。

4. 電磁場、聲場和熱場多物理場耦合有限元仿真

與電磁場、聲場和熱場等多物理場耦合相關的電磁場相關領域的有限元仿真

五、流體與微流控器件

1. 渦流和流場模擬

2. 電滲流以及物質在微流通道內的擴散

以下案例分析了一個U型電滲流器件中的溶質輸運和擴散，使用模擬計算進行流體通道拐彎處幾何優化，可以將彎曲引起的溶質彌散降至最低程度。

3. 介電泳

介電泳（Dielectrophoresis）是在外加電場作用下，由於懸浮顆粒與溶劑之間介電常數差異造成的作用力。介電泳作用力會將介電常數小於溶劑的顆粒拉往電場強度較低的地方。另外介電泳力的大小還與顆粒半徑有關，所以介電泳常被用來分離大小不同的顆粒或細胞。

4. 兩相流

T型管利用兩種不互溶液體來產生各種大小的微液滴，但液滴形成的大小和兩個入口的流速，表面張力都有關係。利用兩相流模擬方法能夠準確模擬T型管中液滴的形成過程，還可以研究流體流動和添加劑化學品等因素，了解它們如何影響液滴大小及形成。

5. 各種親疏水和浸潤性現象

在固體表面親疏水性和液滴表面張力作用下，液滴會發生各種不同的浸潤性現象。

6. 電浸潤

電浸潤就是通過外加電場操控液滴在固體表面的接觸角。在一個原本疏水的表面，液滴具有較大的接觸角，當施加一定的電壓能使接觸角變小。通過電極的設計和不對稱施加電場，就能定向操控液滴的運動。電浸潤的另一種應用場景是製作變焦透鏡，通過電壓調節液滴表面的曲率實現透鏡曲率的調節。

7. 馬蘭格尼效應

馬蘭格尼（Marangoni）效應是液體表面張力梯度引起的流體運動。模擬液滴蒸發過程中形成的馬蘭格尼流動。

六、電池與電化學

1. Nature Energy, 2018, 3(12), 1076. Stable metal battery anodes enabled by polyethylenimine sponge hosts by way of electrokinetic effects. 仿真模擬研究多孔電極對電解液中電流密度和電極上鋰沉積機理進行研究。

2. Science advances, 2018, 4(11), eaat3446. An ion redistributor for dendrite-free lithium metal anodes. 通過模擬說明增加固態空間電荷層對鋰離子分布的影響。

3. Advanced Materials, 2017, 29(40), 1703729. Stable Li metal anodes via regulating lithium plating/stripping in vertically aligned microchannels. 通過模擬計算展示多孔電極中的電極電流密度分布。

以上這些高水平文章都有一個共同點那就是使用了COMSOL數值模擬來幫助闡述科學問題。COMSOL是功能非常強大的數值計算軟體，能夠根據研究者的需要自由地求解各種形式的偏微分方程。COMSOL越來越多地出現在高檔次文章，越來越多的研究者將其應用於自己的研究，它可以模擬電磁，光學，聲學，力學，流體，化工，電池與電化學等等各種能用偏微分方程來描述物理和化學過程。

如今在高檔次文章中結合COMSOL仿真模擬來解釋科學問題，展示物理機制的方式已經變得越來越常見。特別是對於這種機理解釋型文章，一些仿真模擬可以說是必不可少的。

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來源：高分子科學前沿