在實(shí)驗(yàn)和表征之外，科研領(lǐng)域還有兩大法寶：理論計(jì)算和仿真模擬。理論計(jì)算自是不必說(shuō)，而對(duì)于仿真模擬，很多人則并不是十分了解。通過(guò)仿真模擬，有助于提高對(duì)很多領(lǐng)域各個(gè)物理過(guò)程的理解和認(rèn)識(shí)，節(jié)省時(shí)間和實(shí)驗(yàn)成本，提高科研效率，獲得優(yōu)質(zhì)的科研成果。
仿真模擬的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，今天我們主要介紹常用的六大領(lǐng)域：
一、力學(xué)與柔性器件
柔性器件在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變分布，太陽(yáng)能電池彎曲應(yīng)力分析。
二、微納光學(xué)
1. 光的傳播與散射
2. 光學(xué)超材料設(shè)計(jì)
超材料就是通過(guò)人工構(gòu)造的周期性結(jié)構(gòu)使得材料具有實(shí)現(xiàn)通常狀態(tài)下材料不可能具有的屬性，例如負(fù)折射率、負(fù)磁導(dǎo)率等。同過(guò)超材料能實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身、全相位相片、超級(jí)透鏡等特殊的光學(xué)效果。在設(shè)計(jì)超材料的過(guò)程當(dāng)中理論上的模擬計(jì)算當(dāng)然是必不可少的，有限元方法則是模擬計(jì)算中最常用的數(shù)值計(jì)算方法。
Science,2015, 347(6228): 1342-1345.
3. 光催化
不同位置由于電場(chǎng)局域程度不一樣，催化效果也對(duì)應(yīng)的改變。通過(guò)模擬計(jì)算得到了納米金塊不同區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度和反應(yīng)的活化能，結(jié)果顯示電場(chǎng)強(qiáng)的區(qū)域活化能更小，反應(yīng)速率更快。
Naturecommunications, 2017, 8: 14542.
4. 極化激元
Nature Communications, 2017, 8: 15624.
極化激元能過(guò)增強(qiáng)局部電場(chǎng)強(qiáng)度，從而在光譜，催化等材料科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。圖中設(shè)計(jì)二維材料的納米棒，通過(guò)在納米棒不同位置激發(fā)，可以通過(guò)電磁場(chǎng)分析產(chǎn)生的極化激元的情況。
5.光學(xué)器件設(shè)計(jì)，天線、光纖、波導(dǎo)、濾波器、調(diào)制器、傳感器（Nature Photonics,2017, 11(8): 486.）
文章中設(shè)計(jì)了二維材料和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成低損耗的光波導(dǎo)器件，在分析器件工作之前，可先通過(guò)模擬計(jì)算得到器件的波導(dǎo)模式分布和損耗。在光學(xué)器件的設(shè)計(jì)中提前模擬計(jì)算往往是必不可少的。
6.光譜計(jì)算（可見(jiàn)、紅外）：各種器件、二維材料和分子等光譜計(jì)算（Science, 2018,360(6393): 1105-1109.）
三、半導(dǎo)體器件與光學(xué)
主要包括光電器件的TCAD有限元模擬、FDTD時(shí)域差分電磁場(chǎng)模擬以及基于通用計(jì)算平臺(tái)的載流子動(dòng)力學(xué)模擬等。所涉及的材料體系包括常規(guī)半導(dǎo)體（如硅、砷化鎵、氮化鎵，鈣鈦礦等），半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)（如量子點(diǎn)/薄膜，納米線/柱/片等），金屬納米結(jié)構(gòu)（如金屬納米顆粒）等。主要研究應(yīng)用場(chǎng)景包括：
1. 光電轉(zhuǎn)換器件物理：
常規(guī)器件光電轉(zhuǎn)換效率的全流程模擬，包括器件光電響應(yīng)仿真、光生載流子動(dòng)力學(xué)模擬、內(nèi)外量子效率計(jì)算、伏安曲線、轉(zhuǎn)換效率等；
圖 1使用TCAD仿真軟件模擬實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的全流程性能仿真，獲得伏安曲線、內(nèi)外量子效率等器件特性參數(shù)（Nat.Commun., vol. 4,no. May, p. 2950, 2013.）
納米光學(xué)結(jié)構(gòu)，如金屬等離子激元、波導(dǎo)、光子晶體等，在太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用
圖 2采用光學(xué)模擬探究各類光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能電池光吸收效能的影響，如背部金屬電極、正表面金屬結(jié)構(gòu)、光子晶體、其他納米諧振結(jié)構(gòu)等(NanoLett., vol. 12, no. 1, pp. 214–218, 2012.)
其他微米至納米級(jí)尺度光電器件和結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)仿真：
圖 3 (左) GaN納米柱內(nèi)部光場(chǎng)共振模式模擬與陰極射線熒光譜（CL）對(duì)比 (NanoLett., pp. 10–1021, 2018.)；（右）InGaAs/GaAs超晶格納米線激光遠(yuǎn)場(chǎng)干涉圖樣仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(Nano Lett., vol. 16, no. 6, pp.3524–3532, 2016.)
2. 光電表征環(huán)境模擬與參數(shù)提取：
半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)表征激發(fā)模擬，如共焦雙光子的激發(fā)光場(chǎng)與熒光響應(yīng)、平衡/非平衡光生載流子分布及其熒光響應(yīng)，半導(dǎo)體材料熒光壽命圖像（FLIM）的曲線擬合與參數(shù)提取等；
圖 4通過(guò)對(duì)GaN納米柱熒光壽命(TRPL)衰減曲線的建模擬合分析，提取半導(dǎo)體材料的性能參數(shù)，如載流子壽命，遷移率，結(jié)構(gòu)表面缺陷密度等(GalliumNitride Materials and Devices XII, 2017, vol. 10104, p. 101040U.)
3. 半導(dǎo)體材料超快光譜，包括超快熒光光譜（TRPL）、超快透射譜（TA）的曲線擬合與參數(shù)提?。?/h4>
圖 5通過(guò)對(duì)鈣鈦礦材料超快透射光譜(TA)的建模分析擬合，提取出相關(guān)載流子的弛豫動(dòng)力學(xué)參數(shù) (Nat. Commun., vol. 8, p. 14120, 2017.)
4. 近場(chǎng)光學(xué)效應(yīng)模擬：
金屬/半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的局域場(chǎng)（LocalField）增強(qiáng)效應(yīng)，即Purcell Effect模擬，包括基于光子晶體共振腔、波導(dǎo)、金屬結(jié)構(gòu)表面等離子激元等場(chǎng)景；
圖 6使用硅納米線制作的納米光學(xué)諧振腔。通過(guò)模擬獲得其內(nèi)部光場(chǎng)分布（左下）并計(jì)算出局部態(tài)密度增強(qiáng)系數(shù)（Purcell Factor）（右下）(Nat. Photonics, vol. 7, no. March, pp. 285–289,2013.)
四、電磁場(chǎng)分析與 MEMS多物理場(chǎng)模擬
1. 電容、電阻、摩擦電、壓電傳感器
模擬各種電學(xué)傳感器的電流、電場(chǎng)、電勢(shì)分布
2. 麥克斯韋方程組分析與仿真模擬
通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)
3. 磁性材料和永磁體有限元仿真
永磁體設(shè)計(jì)、永磁電機(jī)、磁性軸承以及與電磁相關(guān)的有限元數(shù)值模擬。
4. 電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和熱場(chǎng)多物理場(chǎng)耦合有限元仿真
與電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和熱場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合相關(guān)的電磁場(chǎng)相關(guān)領(lǐng)域的有限元仿真
五、流體與微流控器件
1. 渦流和流場(chǎng)模擬
2. 電滲流以及物質(zhì)在微流通道內(nèi)的擴(kuò)散
以下案例分析了一個(gè)U型電滲流器件中的溶質(zhì)輸運(yùn)和擴(kuò)散，使用模擬計(jì)算進(jìn)行流體通道拐彎處幾何優(yōu)化，可以將彎曲引起的溶質(zhì)彌散降至最低程度。
3. 介電泳
介電泳（Dielectrophoresis）是在外加電場(chǎng)作用下，由于懸浮顆粒與溶劑之間介電常數(shù)差異造成的作用力。介電泳作用力會(huì)將介電常數(shù)小于溶劑的顆粒拉往電場(chǎng)強(qiáng)度較低的地方。另外介電泳力的大小還與顆粒半徑有關(guān)，所以介電泳常被用來(lái)分離大小不同的顆粒或細(xì)胞。
4. 兩相流
T型管利用兩種不互溶液體來(lái)產(chǎn)生各種大小的微液滴，但液滴形成的大小和兩個(gè)入口的流速，表面張力都有關(guān)系。利用兩相流模擬方法能夠準(zhǔn)確模擬T型管中液滴的形成過(guò)程，還可以研究流體流動(dòng)和添加劑化學(xué)品等因素，了解它們?nèi)绾斡绊懸旱未笮〖靶纬伞?/p>
5. 各種親疏水和浸潤(rùn)性現(xiàn)象
在固體表面親疏水性和液滴表面張力作用下，液滴會(huì)發(fā)生各種不同的浸潤(rùn)性現(xiàn)象。
6. 電浸潤(rùn)
電浸潤(rùn)就是通過(guò)外加電場(chǎng)操控液滴在固體表面的接觸角。在一個(gè)原本疏水的表面，液滴具有較大的接觸角，當(dāng)施加一定的電壓能使接觸角變小。通過(guò)電極的設(shè)計(jì)和不對(duì)稱施加電場(chǎng)，就能定向操控液滴的運(yùn)動(dòng)。電浸潤(rùn)的另一種應(yīng)用場(chǎng)景是制作變焦透鏡，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)液滴表面的曲率實(shí)現(xiàn)透鏡曲率的調(diào)節(jié)。
7. 馬蘭格尼效應(yīng)
馬蘭格尼（Marangoni）效應(yīng)是液體表面張力梯度引起的流體運(yùn)動(dòng)。模擬液滴蒸發(fā)過(guò)程中形成的馬蘭格尼流動(dòng)。
六、電池與電化學(xué)
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(duì)電解液中電流密度和電極上鋰沉積機(jī)理經(jīng)行研究。
2. Science advances,?2018, 4(11), eaat3446. An ion redistributor for dendrite-free lithium metal anodes. 通過(guò)模擬說(shuō)明增加固態(tài)空間電荷層對(duì)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(guò)模擬計(jì)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(gè)共同點(diǎn)那就是使用了COMSOL數(shù)值模擬來(lái)幫助闡述科學(xué)問(wèn)題。
COMSOL是功能非常強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算軟件，能夠根據(jù)研究者的需要自由地求解各種形式的偏微分方程。COMSOL越來(lái)越多地出現(xiàn)在高檔次文章，越來(lái)越多的研究者將其應(yīng)用于自己的研究，它可以模擬電磁，光學(xué)，聲學(xué)，力學(xué)，流體，化工，電池與電化學(xué)等等各種能用偏微分方程來(lái)描述物理和化學(xué)過(guò)程。
如今在高檔次文章中結(jié)合COMSOL仿真模擬來(lái)解釋科學(xué)問(wèn)題，展示物理機(jī)制的方式已經(jīng)變得越來(lái)越常見(jiàn)。特別是對(duì)于這種機(jī)理解釋型文章，一些仿真模擬可以說(shuō)是必不可少的。
