基于GaN材料的特高压输电线路的验电标识

工程科学学报，第40卷，第9期：1115-1122,2018年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.9:1115-1122,September 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.013;http://journals.ustb.edu.cn 基于GaN材料的特高压输电线路的验电标识 陈康，王力农四，李恩文，宋斌，方雅琪，李小春，陈天柱，简思亮 武汉大学电气工程学院，武汉430072 ☒通信作者，E-mail:wangln@qq.com 摘要研制了一种无机材料构成的验电标识，放置在导线周围，通过电场驱动电子的运动，促进载流子复合，进而使材料发 光，从而判断带电情况，其作为验电标识使用非常便捷.选取了氮化镓GaN材料进行研究，以GaN、InGaN等材料为基础，通过 溶胶凝胶法、气相外延等方法制备接触层、基片层、材料层等结构，进而获得了验电标识，该验电标识的发光层是具有多量子 肼结构的纳米棒阵列.然后对其进行了电学光学性能参数测试，获得了有关特性曲线，通过Ansoft-maxwell有限元软件进行 仿真，分析材料在特高压输电线路周围的电场分布，通过试验分析验电标识发光所需求的电磁环境.最后模拟导线现场进行 测试.研究表明，该低场致发光特性的验电标识具有发光功耗低，发光明显等优点，其处于所在区域的电场强度达到1.2×10 V·m'以上时，可激发发光，此时所注入电流约为1.1mA.通过仿真和试验分析可知带电特高压输电线路周围的空间电场强 度满足验电标识发光指示的要求，同时空间杂散电流和材料本身的电容效应提供注入电流.该验电标识通过材料本身发光特 性来指示带电状态，安装在距离特高压导线轴线13cm及以内的范围即可实现验电，通过封装具有较好的耐候性能，同时避免 了复杂的电路装置验电存在易受电磁干扰，可靠性差等问题. 关键词氮化镓：验电标识：电致变色：有限元仿真：特高压输电线路 分类号TB34 Electrical inspection mark of UHV transmission line based on GaN material CHEN Kang,WANG Li-nong,LI En-wen,SONG Bin,FANG Ya-qi,LI Xiao-chun,CHEN Tian-zhu,JIAN Si-liang School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China Corresponding author,E-mail:wangln@qq.com ABSTRACT At present,the traditional insulated pole electroscope is used for electrical inspection in high-voltage transmission lines.However,when it is used in ultra-high voltage (UHV)transmission lines,the length of its insulated rod is large,and there are disadvantages such as large working intensity,inconvenience,and hazardous operation.In this study,an electroluminescent inorganic material was made to be used for inspection mark.The material was placed around the wire,so that it glowed during the electric field- driven movement of electrons to promote carrier recombination,through which the charged situation could be determined.Therefore, the electrification of the line can be judged through the material luminescent properties,making it very convenient to be used for in- spection mark.In this study,GaN materials were investigated.Based on the GaN,InGaN,and other materials,the contact layer,sub- strate layer,material layer and other structures were made by methods such as sol-gel method and gas phase epitaxy.Then the inspec- tion mark was prepared.The light-emitting layer was a nanorod array with a multi-quantum hydrazine structure.The electrical and opti- cal properties of the inspection mark were tested,and the relevant characteristic curve was obtained.Through a simulation of the An- soft-maxwell finite element software,the electric field distribution of the inspection mark and surrounding transmission lines were ana- lyzed.Through experiments,the electromagnetic environment needed for electroluminescence was tested in the high-voltage test hall of Wuhan University.Finally,the inspection mark was tested in a working environment simulated in the Feng-huang ultra-high voltage 收稿日期：2017-06-08 基金项目：湖北省自然科学基金创新群体资助项目(2016CFA007)

工程科学学报，第 40 卷，第 9 期: 1115--1122，2018 年 9 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 9: 1115--1122，September 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 09． 013; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于 GaN 材料的特高压输电线路的验电标识 陈 康，王力农，李恩文，宋 斌，方雅琪，李小春，陈天柱，简思亮 武汉大学电气工程学院，武汉 430072 通信作者，E-mail: wangln@ qq． com 摘 要 研制了一种无机材料构成的验电标识，放置在导线周围，通过电场驱动电子的运动，促进载流子复合，进而使材料发 光，从而判断带电情况，其作为验电标识使用非常便捷． 选取了氮化镓 GaN 材料进行研究，以 GaN、InGaN 等材料为基础，通过 溶胶凝胶法、气相外延等方法制备接触层、基片层、材料层等结构，进而获得了验电标识，该验电标识的发光层是具有多量子 肼结构的纳米棒阵列． 然后对其进行了电学光学性能参数测试，获得了有关特性曲线，通过 Ansoft--maxwell 有限元软件进行 仿真，分析材料在特高压输电线路周围的电场分布，通过试验分析验电标识发光所需求的电磁环境． 最后模拟导线现场进行 测试． 研究表明，该低场致发光特性的验电标识具有发光功耗低，发光明显等优点，其处于所在区域的电场强度达到 1. 2 × 106 V·m － 1以上时，可激发发光，此时所注入电流约为 1. 1 mA． 通过仿真和试验分析可知带电特高压输电线路周围的空间电场强 度满足验电标识发光指示的要求，同时空间杂散电流和材料本身的电容效应提供注入电流． 该验电标识通过材料本身发光特 性来指示带电状态，安装在距离特高压导线轴线 13 cm 及以内的范围即可实现验电，通过封装具有较好的耐候性能，同时避免 了复杂的电路装置验电存在易受电磁干扰，可靠性差等问题． 关键词 氮化镓; 验电标识; 电致变色; 有限元仿真; 特高压输电线路 分类号 TB34 收稿日期: 2017--06--08 基金项目: 湖北省自然科学基金创新群体资助项目( 2016CFA007) Electrical inspection mark of UHV transmission line based on GaN material CHEN Kang，WANG Li-nong ，LI En-wen，SONG Bin，FANG Ya-qi，LI Xiao-chun，CHEN Tian-zhu，JIAN Si-liang School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China Corresponding author，E-mail: wangln@ qq． com ABSTＲACT At present，the traditional insulated pole electroscope is used for electrical inspection in high-voltage transmission lines． However，when it is used in ultra-high voltage ( UHV) transmission lines，the length of its insulated rod is large，and there are disadvantages such as large working intensity，inconvenience，and hazardous operation． In this study，an electroluminescent inorganic material was made to be used for inspection mark． The material was placed around the wire，so that it glowed during the electric field￾driven movement of electrons to promote carrier recombination，through which the charged situation could be determined． Therefore， the electrification of the line can be judged through the material luminescent properties，making it very convenient to be used for in￾spection mark． In this study，GaN materials were investigated． Based on the GaN，InGaN，and other materials，the contact layer，sub￾strate layer，material layer and other structures were made by methods such as sol-gel method and gas phase epitaxy． Then the inspec￾tion mark was prepared． The light-emitting layer was a nanorod array with a multi-quantum hydrazine structure． The electrical and opti￾cal properties of the inspection mark were tested，and the relevant characteristic curve was obtained． Through a simulation of the An￾soft-maxwell finite element software，the electric field distribution of the inspection mark and surrounding transmission lines were ana￾lyzed． Through experiments，the electromagnetic environment needed for electroluminescence was tested in the high-voltage test hall of Wuhan University． Finally，the inspection mark was tested in a working environment simulated in the Feng-huang ultra-high voltage

·1116 工程科学学报，第40卷，第9期 test site.The research shows that the low-field electroluminescent inspection mark has the advantages of low power consumption and ob- vious luminescence.When it is in an area where the electric field strength is above 1.2 x10 V.m,the light can be excited and the injected current is about 1.I mA.Simulation and experimental analysis show that the electric field strength around the UHV transmis- sion lines meets the requirements of the light-emitting indication of an electroscope.Meanwhile,the space stray current and capacitance effect of the material provide the injection current.The inspection mark indicates the charged state through the light-emitting proper- ties.Its installation can be within a distance of 13cm from the UHV conductor axis,and it has good weather resistance.Meanwhile,it avoids problems such as electromagnetic interference and poor reliability that occur in electroscope equipment with complex circuits. KEY WORDS gallium nitride:inspection mark:electrochromic:finite element simulation:UHV transmission lines 电力系统在对输电设备进行停电检修时，验电 复合粉末(NiCr)由上海邵丰焊材有限公司提供， 是必须提前进行的一项工作.《国家电网公司电力 GaN、InGaN材料由上海国丽电子科技有限公司提 安全工作规程》明确规定，在部分停电的电气设备 供，厚度分别为2和2.5μum,nAlN由武汉大学化学 上开展相关作业前，必须要首先进行验电，验明电气 院提供，品质为工业级，其他材料如氧化铟锡(TO) 设备或输电线路确无电压.目前，验电主要是采用 膜等均由材料加工厂家制备提供.各个层所组成的 绝缘杆配合验电器进行操作·-习，该方法对低电压 机构如图1所示.对应的材料如表1所示 等级输电导线较为实用，然而特高压输电线路电压 欧姆接触层 等级高，安全距离要求较大，操作杆长度和挠度很难 满足要求，整体质量大，工作人员操作不便：现有电 容式验电器，闪光式验电需要单独提供电源，并且是 电流扩散层 结构复杂的装置，其可靠性不高，而如果仅采用材 限制层 料，放置在导线周围发光验电则可以避免上述问题 通过材料颜色发光变化来表征设备是否带电， 基片层 具有可靠性高、操作方便、成本低等特点.同时，材 料本身比复杂的电路装置具有很好的耐候性能，能 够在户外长期应用，能够很好的解决目前特高压输 欧姆接触层 电导线验电过程中存在的问题.GN(氮化镓)作为 图1氮化镓验电标识结构图 半导体材料，自20世纪90年代初就开始研究，但到 Fig.1 GaN inspection signs 目前为止，绝大多数用于半导体发光照明范围 其属于低场致发光材料（注入式电致发光），其发光 表1验电标识制备材料及工艺 Table 1 Preparation of materials and processes for inspection 功耗较低，且亮度较大：InGaN(铟氮化稼)有很高的 结构 材料 主要工艺 辐射复合几率，纳米棒发光阵列具有较高的内部量 子效率，较高的光提取效率和最佳方向性能囚.特 接触层 Au/NiCr 在氢气环境中完成欧姆接触 扩散层 ZnO:Ga(ITO) 高压输电线周围空间存在较强工频电场，以GaN/ 溶胶一凝胶法/离子干法刻蚀 InGaN材料为基础形成验电标识，通过电场驱动电 限制层 InAIN/InGaN 高温脱氧化层/气相沉积法 子的运动，促进载流子复合，来实现验电指示功能将 基片层 Ga 气相沉积法 成为可能6-).本文研制以GaN/InGaN量子阱为基 材料层 GaN/InGaN 气相沉积等方法 础的纳米棒发光阵列网，通过相关工艺制备成为验 接触层，采用Au作为欧姆接触，能提高导电性 电标识，并对它的结构、光学特性、电学特性进行分 和减小接触电阻：扩散层是材料通电发生变化时，用 析，研究其在特高压输电线路的验电性能. 于扩散的内层：限制层用于提升势垒高度，有利于扩 1 实验材料与原理 大能级间的差距图：基片层用于熔融重结晶生长出 单晶层，材料层中掺杂少许Tm回；材料层是以 1.1材料制备 GaN/InGaN为主的量子阱，类似典型半导体结构， 通过广泛的调研和研究，本文选取的研究材料 它主要由2.5m厚的n型（带负电荷）GaN层，130 主要是GaN/nGaN,其作为发光层.此外还有辅助 nm厚的p型（带正电空穴）GaN层，主要波长为约 发光的接触层、电流扩散层、基片层.其中镍铬合金 440nm的nGaN/GaN量子阱组成，其主要通过气相

工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 test site． The research shows that the low-field electroluminescent inspection mark has the advantages of low power consumption and ob￾vious luminescence． When it is in an area where the electric field strength is above 1. 2 × 106 V·m － 1，the light can be excited and the injected current is about 1. 1 mA． Simulation and experimental analysis show that the electric field strength around the UHV transmis￾sion lines meets the requirements of the light-emitting indication of an electroscope． Meanwhile，the space stray current and capacitance effect of the material provide the injection current． The inspection mark indicates the charged state through the light-emitting proper￾ties． Its installation can be within a distance of 13 cm from the UHV conductor axis，and it has good weather resistance． Meanwhile，it avoids problems such as electromagnetic interference and poor reliability that occur in electroscope equipment with complex circuits． KEY WOＲDS gallium nitride; inspection mark; electrochromic; finite element simulation; UHV transmission lines 电力系统在对输电设备进行停电检修时，验电 是必须提前进行的一项工作． 《国家电网公司电力 安全工作规程》明确规定，在部分停电的电气设备 上开展相关作业前，必须要首先进行验电，验明电气 设备或输电线路确无电压． 目前，验电主要是采用 绝缘杆配合验电器进行操作［1--2］，该方法对低电压 等级输电导线较为实用，然而特高压输电线路电压 等级高，安全距离要求较大，操作杆长度和挠度很难 满足要求，整体质量大，工作人员操作不便; 现有电 容式验电器，闪光式验电需要单独提供电源，并且是 结构复杂的装置，其可靠性不高，而如果仅采用材 料，放置在导线周围发光验电则可以避免上述问题． 通过材料颜色发光变化来表征设备是否带电， 具有可靠性高、操作方便、成本低等特点． 同时，材 料本身比复杂的电路装置具有很好的耐候性能，能 够在户外长期应用，能够很好的解决目前特高压输 电导线验电过程中存在的问题． GaN( 氮化镓) 作为 半导体材料，自 20 世纪 90 年代初就开始研究，但到 目前为止，绝大多数用于半导体发光照明范围［3--4］． 其属于低场致发光材料( 注入式电致发光) ，其发光 功耗较低，且亮度较大; InGaN( 铟氮化稼) 有很高的 辐射复合几率，纳米棒发光阵列具有较高的内部量 子效率，较高的光提取效率和最佳方向性能［5］． 特 高压输电线周围空间存在较强工频电场，以 GaN / InGaN 材料为基础形成验电标识，通过电场驱动电 子的运动，促进载流子复合，来实现验电指示功能将 成为可能［6--7］． 本文研制以 GaN / InGaN 量子阱为基 础的纳米棒发光阵列［8］，通过相关工艺制备成为验 电标识，并对它的结构、光学特性、电学特性进行分 析，研究其在特高压输电线路的验电性能． 1 实验材料与原理 1. 1 材料制备 通过广泛的调研和研究，本文选取的研究材料 主要是 GaN / InGaN，其作为发光层． 此外还有辅助 发光的接触层、电流扩散层、基片层． 其中镍铬合金 复合粉末( NiCr) 由上海邵丰焊材有限公司提供， GaN、InGaN 材料由上海国丽电子科技有限公司提 供，厚度分别为 2 和 2. 5 μm，InAlN 由武汉大学化学 院提供，品质为工业级，其他材料如氧化铟锡( ITO) 膜等均由材料加工厂家制备提供． 各个层所组成的 机构如图 1 所示． 对应的材料如表 1 所示． 图 1 氮化镓验电标识结构图 Fig． 1 GaN inspection signs 表 1 验电标识制备材料及工艺 Table 1 Preparation of materials and processes for inspection 结构 材料 主要工艺 接触层 Au /NiCr 在氢气环境中完成欧姆接触 扩散层 ZnO: Ga( ITO) 溶胶--凝胶法/离子干法刻蚀 限制层 InAlN / InGaN 高温脱氧化层/气相沉积法 基片层 Ga 气相沉积法 材料层 GaN / InGaN 气相沉积等方法 接触层，采用 Au 作为欧姆接触，能提高导电性 和减小接触电阻; 扩散层是材料通电发生变化时，用 于扩散的内层; 限制层用于提升势垒高度，有利于扩 大能级间的差距［8］; 基片层用于熔融重结晶生长出 单晶 层，材料层中掺杂少许 Tm［9］; 材料 层 是 以 GaN / InGaN 为主的量子阱，类似典型半导体结构， 它主要由 2. 5 μm 厚的 n 型( 带负电荷) GaN 层，130 nm 厚的 p 型( 带正电空穴) GaN 层，主要波长为约 440 nm 的 InGaN /GaN 量子阱组成，其主要通过气相 · 6111 ·

陈康等：基于GN材料的特高压输电线路的验电标识 ·1117· 沉积法0在T0衬底上生长外延结构.对于纳 下，扩散层的电子在电场作用下不断运动，撞击材料 米阵列的制备，主要包括如下步骤：第一，通过等离 层，使材料层进行载流子的复合，多余的能量以发光 子体增强化学气相沉积法☒在外延层上沉积200 的形式释放出来，于是就产生了发光变色s一切.当 nm的Si0,掩模层.第二，将220nm厚的抗蚀剂旋 电子在材料中运动时，带负电的电子和带正电的空 涂在SiO,掩膜层上.第三，使用纳米压印光刻，将具 穴进行复合，其多余的能量在材料分子中，产生能级 有三角形纳米阵列的图案转移到晶片上的抗蚀剂 跃迁，其电子和空穴的能量越大，则形成的光能量越 层，通过等离子体去除残余抗蚀剂.第四，通过 大&-.GaN/InGaN材料属于宽禁带的直接带隙 CHF,和O,气体体系对Si02进行离子蚀刻.第五，使 半导体，导带中的电子和价带中的空穴发生辐射复 用的氯气和氩气的气体混合物，对沉积Si0,掩膜层 合时多余的能量会以光子的形式释放.由于晶体本 的GaN外延层进行蚀刻，形成纳米棒阵列n3- 身具有缺陷或者杂质，这些缺陷和杂质会形成一些 各层制备完成之后，采用树脂材料进行密封整 复合中心，有时也能发生非辐射复合0.GaN/n- 体封装形成验电标识，长度为6cm×6cm,整体外观 GaN材料所对应的发光量子阱能带可采用薛定谔方 如图2所示. 程进行表述.沿z方向上的一维薛定谔方程四 如下： 【-若是+a]be=Embe0 式中，春=会山为言朝克常最：为位置变量票为 二阶导数算子，V(z)为z方向上势能函数，m为粒子 有效质量，中(z)为待求波函数，E(n)为本征能级， n=1,2,3… 假设深度为d。,约定量子阱里面V(z)=0,量子 阱外面V()为无穷大，则可以得到本征能级： 图2验电标识整体外观图 EC) (2) Fig.2 Overall appearance of electric inspection mark 本征方程： 在验电标识的制备过程中，最复杂的为发光材 中(z）= 2 (n为偶数) (3) 料层的制备，为了降低材料的生产制作成本，在纳米 sin(k.） 棒制备过程中采用的是工艺相对简单，成本低的纳 b(z）= 2 (n为奇数) (4) 米压印光刻技术，不依赖物理光学成像系统，可以获 得较高的精度，并且可以通过批量生产的方式大幅 式中，4一需为波数，类似的根据不同的势能函数， 度降低成本。离子蚀刻法为干蚀刻的一种，可像大 可以得到该方程的解，进而可以得到辐射复合能量 规模集成电路芯片一样委托相关厂家进行加工完 对应关系 成，相关工艺市场上己经具备较为成熟的产业化技 由于材料中的电子处在不同的能级，其具有不 术.其他各层处理方法如下：接触层(contact layer) 同的能量，具有不同分立的波函数，图3中表示了处 采用在氢气环境中完成欧姆接触，为了避免氧化：扩 在两个不同能级的粒子，在复合的过程中，进行能量 散层(diffusion layer)采用溶胶-凝胶法制备；限制层 激发 (limit layer)采用气相沉积法在基片层(substrate 图3中对应E为GaN直接隙能量，数值为3.39 layer)上生成.各层的制备技术均有成熟的产业化 eV,y表示辐射光的频率，h为普朗克常量，上述即 技术，本验电标识的制备过程与半导体芯片类似 为验电标识的发光机理 本文委托厂家制备了一批总数量为50个验电标识 1.2.2有限元仿真分析原理 样品，成品率约为86%，用于进行后续的研究测试. 电场分析需用到电磁场相关理论.电磁场分析 1.2实验原理 通常归为对微分方程的求解，由唯一性定理可以知 1.2.1发光原理分析 道，当给定场的边界条件后就可以进行求解。有限 验电标识在电场中的发光原理是，在电场作用 元法就是将整个区域离散处理，分隔成大量的小区

陈 康等: 基于 GaN 材料的特高压输电线路的验电标识 沉积法［10--11］在 ITO 衬底上生长外延结构． 对于纳 米阵列的制备，主要包括如下步骤: 第一，通过等离 子体增强化学气相沉积法［12］在外延层上沉积 200 nm 的 SiO2掩模层． 第二，将 220 nm 厚的抗蚀剂旋 涂在 SiO2掩膜层上． 第三，使用纳米压印光刻，将具 有三角形纳米阵列的图案转移到晶片上的抗蚀剂 层，通过等离子体去除残余抗蚀剂． 第 四，通 过 CHF3和 O2气体体系对 SiO2进行离子蚀刻． 第五，使 用的氯气和氩气的气体混合物，对沉积 SiO2掩膜层 的 GaN 外延层进行蚀刻，形成纳米棒阵列［13--14］． 各层制备完成之后，采用树脂材料进行密封整 体封装形成验电标识，长度为 6 cm × 6 cm，整体外观 如图 2 所示． 图 2 验电标识整体外观图 Fig． 2 Overall appearance of electric inspection mark 在验电标识的制备过程中，最复杂的为发光材 料层的制备，为了降低材料的生产制作成本，在纳米 棒制备过程中采用的是工艺相对简单，成本低的纳 米压印光刻技术，不依赖物理光学成像系统，可以获 得较高的精度，并且可以通过批量生产的方式大幅 度降低成本． 离子蚀刻法为干蚀刻的一种，可像大 规模集成电路芯片一样委托相关厂家进行加工完 成，相关工艺市场上已经具备较为成熟的产业化技 术． 其他各层处理方法如下: 接触层( contact layer) 采用在氢气环境中完成欧姆接触，为了避免氧化; 扩 散层( diffusion layer) 采用溶胶--凝胶法制备; 限制层 ( limit layer) 采用气相沉积法在基片层( substrate layer) 上生成． 各层的制备技术均有成熟的产业化 技术，本验电标识的制备过程与半导体芯片类似． 本文委托厂家制备了一批总数量为 50 个验电标识 样品，成品率约为 86% ，用于进行后续的研究测试． 1. 2 实验原理 1. 2. 1 发光原理分析 验电标识在电场中的发光原理是，在电场作用 下，扩散层的电子在电场作用下不断运动，撞击材料 层，使材料层进行载流子的复合，多余的能量以发光 的形式释放出来，于是就产生了发光变色［15--17］． 当 电子在材料中运动时，带负电的电子和带正电的空 穴进行复合，其多余的能量在材料分子中，产生能级 跃迁，其电子和空穴的能量越大，则形成的光能量越 大［18--19］． GaN / InGaN 材料属于宽禁带的直接带隙 半导体，导带中的电子和价带中的空穴发生辐射复 合时多余的能量会以光子的形式释放． 由于晶体本 身具有缺陷或者杂质，这些缺陷和杂质会形成一些 复合中心，有时也能发生非辐射复合［20］． GaN / In￾GaN 材料所对应的发光量子阱能带可采用薛定谔方 程进行 表 述． 沿 z 方向上的一维薛定谔方程［21］ 如下 [ : － h － 2 2 1 m d2 dz 2 + V( z ] ) ( z) = E( n) ( z) ( 1) 式中，h － = h 2π，h 为普朗克常量，z 为位置变量，d2 dz 2为 二阶导数算子，V( z) 为 z 方向上势能函数，m 为粒子 有效质量，( z) 为待求波函数，E( n) 为本征能级， n = 1，2，3…． 假设深度为 d0，约定量子阱里面 V( z) = 0，量子 阱外面 V( z) 为无穷大，则可以得到本征能级: E( n) = h － 2 2mk 2 n ( 2) 本征方程: ( z) = 2 槡d0 sin ( kn z) ( n 为偶数) ( 3) ( z) = 2 槡d0 cos ( kn z) ( n 为奇数) ( 4) 式中，kn = nπ d0 为波数，类似的根据不同的势能函数， 可以得到该方程的解，进而可以得到辐射复合能量 对应关系． 由于材料中的电子处在不同的能级，其具有不 同的能量，具有不同分立的波函数，图 3 中表示了处 在两个不同能级的粒子，在复合的过程中，进行能量 激发． 图 3 中对应 E 为 GaN 直接隙能量，数值为 3. 39 eV，γ 表示辐射光的频率，h 为普朗克常量，上述即 为验电标识的发光机理． 1. 2. 2 有限元仿真分析原理 电场分析需用到电磁场相关理论． 电磁场分析 通常归为对微分方程的求解，由唯一性定理可以知 道，当给定场的边界条件后就可以进行求解． 有限 元法就是将整个区域离散处理，分隔成大量的小区 · 7111 ·

·1118 工程科学学报，第40卷，第9期 E(n) hy=E 图3辐射复合能量示意图 Fig.3 Radiation composite energy diagram 图4发光情况测试 Fig.4 Luminous condition test 域，然后利用剖分差值，离散处理，将复杂的电磁场 多元微分方程转化为多元代数方程组，该方法对 4.0 涉及到电磁场有关场量求解非常方便2-)，其求 3.5 解依据为麦克斯韦方程组.其积分形式公式如下 3.0 所示： 25 安培环路定律： =.(+)as 1.0 (5) 0.5 0 法拉第电磁感应定律： 38.0 39.039.540.0405 40.741.0 电压N f=-乐（照） .ds (6) 图5伏安特性曲线 式中，H为磁场强度，J为传导电流密度，D为电通 Fig.5 Volt-ampere characteristic curve 量，S为闭合路径1对应的环路面积，E为电场强度， 表2验电标识发光参数 B为磁感应强度，t为时间 Table 2 Material luminescence parameters 两个通量定律式分别如下： 电压(AC)/ 亮度1 色坐标 乐Dds=∯pd (7) (cd.m-2) X 38.0 3.76 0.1469 0.0343 f.B-ds-0 (8) 39.0 37.79 0.1464 0.0333 式中，p为体电荷密度，v为闭合曲面S对应的体积， 39.5 110.72 0.1464 0.0330 所有单位均为标准单位 40.0 250.96 0.1464 0.0328 通过上述原理，及Ansoftmaxwell有限元软 40.5 393.02 0.1472 0.0316 件4-进行电场计算分析. 40.7 869.88 0.1473 0.0314 41.0 1233.42 0.1473 0.0313 2结果与分析 2.1验电标识性能分析 从图表中我们可以得到，验电标识的起亮电压 购置的交流可变电源，型号为OYHS9801,通 约为38V,随后亮度会随电压提升较大，功耗也会提 过工频电压对本批验电标识样品进行发光性能测 升很多，电流为毫安级别.但是，当后续电压加到45 试.选取20个验电标识样品，通过导线连接验电标 V以上时，材料发光面不再均匀，转而亮度面积回缩 识的两面，引出电极，逐渐提升电压，记录每一个样 成为一条线，其余部分发光消失，此时电流约为11 品的伏安特性数据.经过测试，样品的起亮电压偏 mA,分析认为，材料内部达到了耐受电压，进而出现 差在5%以内，当电压达到38V以上时，就可以发出 工作异常. 明显的蓝光，如图4所示.从图中可以看出样品发 2.2仿真分析 光面基本均匀，除边缘有少许差异外，整个发光面呈 为了得到验电标识置于特高压输电线路周围的 现出蓝色并带一点紫色.各样品的平均伏安特性曲 电场环境，以及其内部所能达到的场强值，通过电磁 线及相关发光参数如图5和表2所示 场仿真软件进行分析

工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 图 3 辐射复合能量示意图 Fig． 3 Ｒadiation composite energy diagram 域，然后利用剖分差值，离散处理，将复杂的电磁场 多元微分方程转化为多元代数方程组，该方法对 涉及到电磁场有关场量求解非常方便［22--23］，其求 解依据为麦克斯韦方程组． 其积分形式公式如下 所示: 安培环路定律: ∮l H·dl =  ( S J + D  ) t ·dS ( 5) 法拉第电磁感应定律: ∮l E·dl = －  ( S B  ) t ·dS ( 6) 式中，H 为磁场强度，J 为传导电流密度，D 为电通 量，S 为闭合路径 l 对应的环路面积，E 为电场强度， B 为磁感应强度，t 为时间． 两个通量定律式分别如下: S D·dS = v ρdv ( 7) S B·dS = 0 ( 8) 式中，ρ 为体电荷密度，v 为闭合曲面 S 对应的体积， 所有单位均为标准单位． 通 过 上 述 原 理，及 Ansoftmaxwell 有 限 元 软 件［24--25］进行电场计算分析． 2 结果与分析 2. 1 验电标识性能分析 购置的交流可变电源，型号为 OYHS--9801，通 过工频电压对本批验电标识样品进行发光性能测 试． 选取 20 个验电标识样品，通过导线连接验电标 识的两面，引出电极，逐渐提升电压，记录每一个样 品的伏安特性数据． 经过测试，样品的起亮电压偏 差在 5% 以内，当电压达到 38 V 以上时，就可以发出 明显的蓝光，如图 4 所示． 从图中可以看出样品发 光面基本均匀，除边缘有少许差异外，整个发光面呈 现出蓝色并带一点紫色． 各样品的平均伏安特性曲 线及相关发光参数如图 5 和表 2 所示． 图 4 发光情况测试 Fig． 4 Luminous condition test 图 5 伏安特性曲线 Fig． 5 Volt--ampere characteristic curve 表 2 验电标识发光参数 Table 2 Material luminescence parameters 电压( AC) / V 亮度/ ( cd·m － 2 ) 色坐标 X Y 38. 0 3. 76 0. 1469 0. 0343 39. 0 37. 79 0. 1464 0. 0333 39. 5 110. 72 0. 1464 0. 0330 40. 0 250. 96 0. 1464 0. 0328 40. 5 393. 02 0. 1472 0. 0316 40. 7 869. 88 0. 1473 0. 0314 41. 0 1233. 42 0. 1473 0. 0313 从图表中我们可以得到，验电标识的起亮电压 约为 38 V，随后亮度会随电压提升较大，功耗也会提 升很多，电流为毫安级别． 但是，当后续电压加到 45 V 以上时，材料发光面不再均匀，转而亮度面积回缩 成为一条线，其余部分发光消失，此时电流约为 11 mA，分析认为，材料内部达到了耐受电压，进而出现 工作异常． 2. 2 仿真分析 为了得到验电标识置于特高压输电线路周围的 电场环境，以及其内部所能达到的场强值，通过电磁 场仿真软件进行分析． · 8111 ·

陈康等：基于GaN材料的特高压输电线路的验电标识 ·1119· 建立导线实体模型，将验电标识放置在导线附 进行实际尺寸建模，将器件平行于导电轴，得到了导 近指定位置，所有实体被两个空气体包围，第一层空 线及器件周围的场强分布. 气体为长70m,宽20m,高85m的长方体；第二层空 由于验电标识离导线较近，经过仿真分析发现 气体为半径200m、厚50m半圆柱体.模型整体部 选取一相进行分析可以满足精度要求，取一相加载 分在Solidworks中建立并导入Ansoftmaxwell中.通 557kV电压，进行仿真计算，得到的电场分布如图6 过加载电压，选择时变电磁场求解器进行求解，通过 所示.由仿真可知，贴近导线以及验电标识的内部 有限元分析.以1000kV标准型号8根400mm2导线 电场达到了10V·m数量级. 倒电场强度Wm少 ■8测718 间电场强度V·m 26931x10g 51361 2.334009 21545×10 1075010 7054×I0 610× 13K3× 0 0772￥ q771×1 3.5908×105 7954×10 ,954x10 图6验电标识在1000kV线路周围电场分布.()一相导线电场分布：(b)验电标识电场分布 Fig.6 Electrical identification distributing around the 1000 kV line:(a)electric field distribution of one-phase conductor:(b)electric field distri- bution of electroscope identification 为了更全面的分析验电标识所处导线周围电场 黑色箭头方向所示，取一相电压最大时刻，得到场强 情况，三相导线电场分布取各相导线径向方向，由分 分布图7，图中曲线A为一相电压最大时刻电场分 裂导线几何中心径向向外取值，路径如图6(a)中的 布曲线，曲线B为另外一相电场曲线 ml 2.5 位置点 536.25002555940.8690 2.0 m2 549.75001315680.7275 m3 575.2500763735,4314 二8 14 612.0000530440.5512 639.7500 451819,2679 689.2500375444.4952 m 1.5 m6 m7 507.00001539425.2727 8 m8 523.43441383536.4265 m2 mg 526.51341133711.1309 m10528.9766995739.2764 曰1.0 539.4453673861,3989 m12 556.6879 464286.4760 m13578.8569351442.6309 3 m14 602.2575 291917.7535 m4 05 m12 500 625 750 距离/mm 图7导线径向电场分布值 Fig.7 Wire radial electric field distribution value

陈 康等: 基于 GaN 材料的特高压输电线路的验电标识 建立导线实体模型，将验电标识放置在导线附 近指定位置，所有实体被两个空气体包围，第一层空 气体为长 70 m，宽 20 m，高 85 m 的长方体; 第二层空 气体为半径 200 m、厚 50 m 半圆柱体． 模型整体部 分在 Solidworks 中建立并导入 Ansoftmaxwell 中． 通 过加载电压，选择时变电磁场求解器进行求解，通过 有限元分析． 以1000 kV 标准型号8 根400 mm2 导线 进行实际尺寸建模，将器件平行于导电轴，得到了导 线及器件周围的场强分布． 由于验电标识离导线较近，经过仿真分析发现 选取一相进行分析可以满足精度要求，取一相加载 557 kV 电压，进行仿真计算，得到的电场分布如图 6 所示． 由仿真可知，贴近导线以及验电标识的内部 电场达到了 106 V·m － 1数量级． 图 6 验电标识在 1000 kV 线路周围电场分布． ( a) 一相导线电场分布; ( b) 验电标识电场分布 Fig． 6 Electrical identification distributing around the 1000 kV line: ( a) electric field distribution of one-phase conductor; ( b) electric field distri￾bution of electroscope identification 图 7 导线径向电场分布值 Fig． 7 Wire radial electric field distribution value 为了更全面的分析验电标识所处导线周围电场 情况，三相导线电场分布取各相导线径向方向，由分 裂导线几何中心径向向外取值，路径如图 6( a) 中的 黑色箭头方向所示，取一相电压最大时刻，得到场强 分布图 7，图中曲线 A 为一相电压最大时刻电场分 布曲线，曲线 B 为另外一相电场曲线． · 9111 ·

·1120 工程科学学报，第40卷，第9期 其单相电场达到最大值时，如曲线B所示，最 在电场作用的实验过程中，通过毫安表，测量回 大相导线外侧，其值为ml点所示，数值为2.5×10 路电流与极板距离关系部分数据，如表3所示. V·m-l,其衰减情况较为明显，距离轴线l3cm处m2 表3验电标识施加电压与注入电流关系 点，其场强值为1.3×10Vm1 Table 3 Relationship between the applied voltage and the injection cur- 当验电标识放置在导线周围时，在验电标识内 rent 部建立起较强的电场.电场驱使验电标识中的电子 电流/mA 极板距离/m 加速撞击发光中心，引起发光中心的激发或离化，进 样品1 样品2 样品3 而实现碰撞激发后的发光中心直接跃迁发光，或者 汤 0.015 0.018 0.012 被离化的电子被俘获而复合发光s-调 18 0.055 0.052 0.053 高压输电导线，在带电的时候，其表面附近会有 16 0.086 0.079 0.086 很强的电场，为了进一部研究在强电场的作用下，验 14 0.185 0.193 0.181 电标识内部的电子能够被加速撞击发光中心进而导 12 0.253 0.262 0.257 致发光，本文直接将验电标识放入高压电场中进行 10 0.352 0.401 0.372 研究测试 8 0.520 0.568 0.538 2.3现场模拟试验 0.683 0.715 0.691 为了得到较为合适的发光场强，本文通过2块 6 0.885 0.913 0.899 方形大铜板（边长80cm)模拟平行电场，采用小工 1.142 1.297 1.187 频变压器来研究对验电标识的发光影响，选取3个 1.421 1.526 1.461 测试样品，施加电压固定为工频60kV,通过螺旋丝 扣调整两极板间的距离，试验现场如图8所示，图示 从表中可以看出，在极板距离为5cm时，流过 为测量验电标识发光时，两极板的距离 样品电流为1.1mA左右，验电标识已经发出了明显 的蓝光，对应上节中所测量的伏安曲线得知，验电标 识两端的所感应的电压此时约为40V. 经过测试发现，在注入1.1mA左右电流的情况 下，3个样品能实现肉眼可见的明显的发光变色，该 电流由空间中的杂散电容以及验电标识本身两端所 构成的电容由于交变电场产生的运流电流提供.随 着电场增加，电流增加，发光亮度也会有所增加.在 实际特高压线路上，由于验电标识尺寸较小，空间杂 散电容电流小，很难提供10mA数量级以上电流，不 会出现电压电流耐受性问题，经过现场试验也可说 明前述问题.测试结果表明，制备的验电标识具有 图8现场操作图 电致变色特性 Fig.8 Site operation diagram 随后，在武汉大学高压试验大厅使用大工频变 当两极板距离5cm时，3个样品均明显发出肉 压器（串机式工频交流试验变压器，额定电压1000 眼可见的光 kV)模拟1O00kV电压等级进行试验，将验电标识和 由于极板边长远远大于两铜板间距离，可以将 支撑板安装在模拟导线上，施加对应电压等级的工 极板间电场近似作为均匀电场处理，根据下式来计 频电压，验电标识发出了明显的蓝紫光，说明可以实 算其内部场强： 现验电功能. U 2.4经济效益分析 E二D (9) 传统的线路验电方式是在停电操作后，通过绝 式中，U为平行极板两端的电压，D为极板之间的 缘杆搭载验电器的方式进行，每次验电均需要耗费 距离。 大量的人力物力，目前仅适用于220kV以下，并且 通过试验，当极板距离为5cm,即当验电标识 在1000kV特高压输电线路上，由于杆塔距离高，电 所处的电场达到1.2×10V·m时，开始发光. 压等级高，通过杆式验电操作极为不便，并且危险较

工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 其单相电场达到最大值时，如曲线 B 所示，最 大相导线外侧，其值为 m1 点所示，数值为 2. 5 × 106 V·m － 1，其衰减情况较为明显，距离轴线13 cm 处 m2 点，其场强值为 1. 3 × 106 V·m － 1 ． 当验电标识放置在导线周围时，在验电标识内 部建立起较强的电场． 电场驱使验电标识中的电子 加速撞击发光中心，引起发光中心的激发或离化，进 而实现碰撞激发后的发光中心直接跃迁发光，或者 被离化的电子被俘获而复合发光［26--28］． 高压输电导线，在带电的时候，其表面附近会有 很强的电场，为了进一部研究在强电场的作用下，验 电标识内部的电子能够被加速撞击发光中心进而导 致发光，本文直接将验电标识放入高压电场中进行 研究测试． 2. 3 现场模拟试验 为了得到较为合适的发光场强，本文通过 2 块 方形大铜板( 边长 80 cm) 模拟平行电场，采用小工 频变压器来研究对验电标识的发光影响，选取 3 个 测试样品，施加电压固定为工频 60 kV，通过螺旋丝 扣调整两极板间的距离，试验现场如图 8 所示，图示 为测量验电标识发光时，两极板的距离． 图 8 现场操作图 Fig． 8 Site operation diagram 当两极板距离 5 cm 时，3 个样品均明显发出肉 眼可见的光． 由于极板边长远远大于两铜板间距离，可以将 极板间电场近似作为均匀电场处理，根据下式来计 算其内部场强: E = U D ( 9) 式中，U 为平行极板两端的电压，D 为极板之间的 距离． 通过试验，当极板距离为 5 cm，即当验电标识 所处的电场达到 1. 2 × 106 V·m － 1时，开始发光． 在电场作用的实验过程中，通过毫安表，测量回 路电流与极板距离关系部分数据，如表 3 所示． 表 3 验电标识施加电压与注入电流关系 Table 3 Ｒelationship between the applied voltage and the injection cur￾rent 极板距离/m 电流/mA 样品 1 样品 2 样品 3 20 0. 015 0. 018 0. 012 18 0. 055 0. 052 0. 053 16 0. 086 0. 079 0. 086 14 0. 185 0. 193 0. 181 12 0. 253 0. 262 0. 257 10 0. 352 0. 401 0. 372 8 0. 520 0. 568 0. 538 7 0. 683 0. 715 0. 691 6 0. 885 0. 913 0. 899 5 1. 142 1. 297 1. 187 4 1. 421 1. 526 1. 461 从表中可以看出，在极板距离为 5 cm 时，流过 样品电流为 1. 1 mA 左右，验电标识已经发出了明显 的蓝光，对应上节中所测量的伏安曲线得知，验电标 识两端的所感应的电压此时约为 40 V． 经过测试发现，在注入 1. 1 mA 左右电流的情况 下，3 个样品能实现肉眼可见的明显的发光变色，该 电流由空间中的杂散电容以及验电标识本身两端所 构成的电容由于交变电场产生的运流电流提供． 随 着电场增加，电流增加，发光亮度也会有所增加． 在 实际特高压线路上，由于验电标识尺寸较小，空间杂 散电容电流小，很难提供 10 mA 数量级以上电流，不 会出现电压电流耐受性问题，经过现场试验也可说 明前述问题． 测试结果表明，制备的验电标识具有 电致变色特性． 随后，在武汉大学高压试验大厅使用大工频变 压器( 串机式工频交流试验变压器，额定电压 1000 kV) 模拟 1000 kV 电压等级进行试验，将验电标识和 支撑板安装在模拟导线上，施加对应电压等级的工 频电压，验电标识发出了明显的蓝紫光，说明可以实 现验电功能． 2. 4 经济效益分析 传统的线路验电方式是在停电操作后，通过绝 缘杆搭载验电器的方式进行，每次验电均需要耗费 大量的人力物力，目前仅适用于 220 kV 以下，并且 在 1000 kV 特高压输电线路上，由于杆塔距离高，电 压等级高，通过杆式验电操作极为不便，并且危险较 · 0211 ·

陈康等：基于GN材料的特高压输电线路的验电标识 ·1121· 图9大工频变压器现场实验图.(a)发光前：(b)发光后 Fig.9 Field experiment of large frequency transformer:(a)before luminescence:(b)after luminescence 大，目前没有较好的验电方式.目前通过线路电流 理，微弱电流的影响与验电标识安装的方式、位置， 取能式的验电装置包括感应线圈、整流装置、报警装 发光的临界条件都是值得研究和分析的. 置一套成本大概需要几千到上万元不等，本文所制 备的验电标识，一个成本在600元左右，如果大批量 参考文献 生产，严格控制产品质量，并在工艺上改进的话，成 [1]Yang J.Application research of high voltage electroscope insulated 本可以进一步降低；并且一次安装，可以长期验电， operating pole on 10kV distribution network.Low Carbon World, 2015(25):57 具有良好的经济效益 (杨洁.高压验电器型绝缘操作杆在10kV配网线路上的应用 3结论 研究.低碳世界，2015(25)：57) Hu Y,Wang L N,Ding R.The standard and technical repuire- (I)基于GaN材料所制备的验电标识，可以在 ments of 500 kV capacitive type voltage detectors.Electr Power 特高压交流电场环境下受激发而发出蓝紫色的光， Stardard Meas,2000(4):23 其发光的功耗较低，相对于其他半导体验电标识能 (胡毅，王力农，丁荣.500kV电容型验电器的标准制订及技 术要求.电力标准化与计量，2000(4)：23) 更加易于发光，由于其发光主要受带电导体周围电 ⑨ WangL,Wang C M.Research and application progress of third 场大小的影响，能对特高压导体是否带电进行精确 generation semiconductor materials GaN-based microwave power 指示，特别能指示线路空载但具有电势的带电情况， devices.Adr Mater Ind,2014(3):13 这是以线路电流取能供电为原理的验电装置所不具 (王丽，王翠梅.第3代半导体材料GN基微波功率器件研究 有的特点. 和应用进展.新材料产业，2014(3)：13) (2)通过测试验电标识材料的伏安曲线和发光 4]Guo Y.Measurement and Analysis of the Photoluminescence of In- GaN/GaN Quantum Wells [Dissertation].Nanjing:Nanjing Uni- 特性，以及相关现场试验，得出当验电标识处于所在 versity,2011 场强区域达到电场在1.2×10V·m-1以上时，可激 (郭媛.InGaN/GaN量子阱光致发光特性的测试与分析[学位 发使其发光，此时注入电流在1.1mA左右. 论文].南京：南京大学，2011) (3)通过仿真分析，可以得到1000kV的8分裂 Wu CC,Liou J C,Diao CC.Self-powered smart window con- 规格的导线，其表面最大场强达到10V·m'数量级 trolled by a high open-circuit voltage InGaN/GaN multiple quan- 以上，验电标识安装距离可以保持在距离导线轴线 tum well solar cell.Chem Commun,2015,51:12625 [6]Chen X,Wang S,Wang L,et al.Array substrate and manufactur- 13Cm及以内的范围即可实现验电.同时也从侧面 ing method thereof and display device.Educational Res Online, 分析表明，由于特高压其他带电设备或其他相线距 2017,7(2):137 离较大，电场衰减快，其不会导致验电标识发光产生 Ma W,Hao Y.ESD and its related mechanism on LDD-CMOS. 误指示.因此该验电标识具有较高的可靠性 Chin J Semicond,2003,24(8)892 (4)由于条件有限，在1000kV现场线路上试验 (马巍，郝跃.LDD-CMOS中ESD及其相关机理.半导体学 还有待进一步实施，后续在其他各高电压等级上的 报，2003,24(8)：892) 8] 应用还有待进一步研究，同时，由于验电标识发光的 Wu K P,Sun C X,Ma W F,et al.Interface electronic structure and the Schottky barrier at Al-diamond interface:hybrid density 辨识度受到周围环境的影响，后期通过改进材料内 functional theory HSE06 investigation.Acta Phys Sin,2017,66 部掺杂，可以进一步提高验电标识带电指示的辨识 (8):0881021 度：材料所处的特高压环境对其激发能量的微观原 (吴孔平，孙昌旭，马文飞，等.铝一金刚石界面电子特性与界

陈 康等: 基于 GaN 材料的特高压输电线路的验电标识 图 9 大工频变压器现场实验图． ( a) 发光前; ( b) 发光后 Fig． 9 Field experiment of large frequency transformer: ( a) before luminescence; ( b) after luminescence 大，目前没有较好的验电方式． 目前通过线路电流 取能式的验电装置包括感应线圈、整流装置、报警装 置一套成本大概需要几千到上万元不等，本文所制 备的验电标识，一个成本在 600 元左右，如果大批量 生产，严格控制产品质量，并在工艺上改进的话，成 本可以进一步降低; 并且一次安装，可以长期验电， 具有良好的经济效益． 3 结论 ( 1) 基于 GaN 材料所制备的验电标识，可以在 特高压交流电场环境下受激发而发出蓝紫色的光， 其发光的功耗较低，相对于其他半导体验电标识能 更加易于发光，由于其发光主要受带电导体周围电 场大小的影响，能对特高压导体是否带电进行精确 指示，特别能指示线路空载但具有电势的带电情况， 这是以线路电流取能供电为原理的验电装置所不具 有的特点． ( 2) 通过测试验电标识材料的伏安曲线和发光 特性，以及相关现场试验，得出当验电标识处于所在 场强区域达到电场在 1. 2 × 106 V·m － 1以上时，可激 发使其发光，此时注入电流在 1. 1 mA 左右． ( 3) 通过仿真分析，可以得到 1000 kV 的 8 分裂 规格的导线，其表面最大场强达到106 V·m － 1数量级 以上，验电标识安装距离可以保持在距离导线轴线 13 cm 及以内的范围即可实现验电． 同时也从侧面 分析表明，由于特高压其他带电设备或其他相线距 离较大，电场衰减快，其不会导致验电标识发光产生 误指示． 因此该验电标识具有较高的可靠性． ( 4) 由于条件有限，在 1000 kV 现场线路上试验 还有待进一步实施，后续在其他各高电压等级上的 应用还有待进一步研究，同时，由于验电标识发光的 辨识度受到周围环境的影响，后期通过改进材料内 部掺杂，可以进一步提高验电标识带电指示的辨识 度; 材料所处的特高压环境对其激发能量的微观原 理，微弱电流的影响与验电标识安装的方式、位置， 发光的临界条件都是值得研究和分析的． 参 考 文 献 ［1］ Yang J． Application research of high voltage electroscope insulated operating pole on 10 kV distribution network． Low Carbon World， 2015( 25) : 57 ( 杨洁． 高压验电器型绝缘操作杆在 10 kV 配网线路上的应用 研究． 低碳世界，2015( 25) : 57) ［2］ Hu Y，Wang L N，Ding Ｒ． The standard and technical repuire￾ments of 500 kV capacitive type voltage detectors． Electr Power Stardard Meas，2000( 4) : 23 ( 胡毅，王力农，丁荣． 500 kV 电容型验电器的标准制订及技 术要求． 电力标准化与计量，2000( 4) : 23) ［3］ Wang L，Wang C M． Ｒesearch and application progress of third generation semiconductor materials GaN-based microwave power devices． Adv Mater Ind，2014( 3) : 13 ( 王丽，王翠梅． 第3 代半导体材料 GaN 基微波功率器件研究 和应用进展． 新材料产业，2014( 3) : 13) ［4］ Guo Y． Measurement and Analysis of the Photoluminescence of In￾GaN /GaN Quantum Wells ［Dissertation］． Nanjing: Nanjing Uni￾versity，2011 ( 郭媛． InGaN /GaN 量子阱光致发光特性的测试与分析［学位 论文］． 南京: 南京大学，2011) ［5］ Wu C C，Liou J C，Diao C C． Self-powered smart window con￾trolled by a high open-circuit voltage InGaN /GaN multiple quan￾tum well solar cell． Chem Commun，2015，51: 12625 ［6］ Chen X，Wang S，Wang L，et al． Array substrate and manufactur￾ing method thereof and display device． J Educational Ｒes Online， 2017，7( 2) : 137 ［7］ Ma W，Hao Y． ESD and its related mechanism on LDD--CMOS． Chin J Semicond，2003，24( 8) : 892 ( 马巍，郝跃． LDD--CMOS 中 ESD 及其相关机理． 半导体学 报，2003，24( 8) : 892) ［8］ Wu K P，Sun C X，Ma W F，et al． Interface electronic structure and the Schottky barrier at Al-diamond interface: hybrid density functional theory HSE06 investigation． Acta Phys Sin，2017，66 ( 8) : 088102-1 ( 吴孔平，孙昌旭，马文飞，等． 铝--金刚石界面电子特性与界 · 1211 ·

·1122 工程科学学报，第40卷，第9期 面背特基势垒的杂化密度泛函理论HE06的研究.物理学 1135) 报，2017,66(8)：088102-1) [19]Lin Q M,Guo X,Gu X L,et al.Research of peak wavelength [9]Hao Z,Chen X B,Hou Y B,et al.Blue upconversion emission in shifts of GaN-based blue light-emitting diodes.Semicond Opto- Yb,Tm-doped pentaphosphate glasses.Acta Phys Sin,1997,46 electron,2007,28(3):338 (6):1206 (林巧明，郭霞，顾晓玲，等.GN基蓝光发光二极管峰值波 (郝昭，陈晓波，侯延冰，等.Tm,b掺杂五磷酸盐非品中的 长偏移的研究-.半导体光电，2007,28(3)：338) 上转换蓝光发射.物理学报，1997,46(6)：1206) [20] Zeng T X,Hu Y Q,Yang H,et al.Study on the Al impurityZn [10]Li C.Insit Electron Microscopy of Lon Dimensional Materials intrinsie composite defects in Zn crystals.Synth Cryst,2016. and Devices under Applied Electric Field [Dissertation].Beijing: 45(6):1508 Chinese Academy of Sciences University,2015 (曾体贤，胡永琴，杨辉，等.Z0品体A1杂质与Zn间隙共 (李超.低维材料及器件在外加电场下的原位电子显微学研 存的复合缺陷研究.人工品体学报，2016,45(6)：1508) 究[学位论文].北京：中国科学院大学，2015) 21]Zhao H F.Effect of Temperature and Doping Concentration on the [1]Wang Y,Zhang JY,Yu J,et al.Development and characteris- Electronic Structure and the Optical Absorption Coefficient between tics of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells.Semicond Si Subdoped Quantum Well Systems [Dissertation].Nanjing: Optoelectronics,2014,35(2):206 Nanjing Normal University,2014 (王字，张江勇，余健，等.InGaN/GaN多量子阱太阳电池的 (赵恒飞.温度和掺杂浓度对Si delta掺杂的量子阱系统电子 研制及特性研究.半导体光电，2014,35(2)：206) 态结构和子带间光学吸收系数的影响[学位论文]，南京：南 [12]Zeng X B,Liao X B,Wang B,et al.Boron-doped silicon 京师范大学，2014) nanowires by plasma enhanced chemical vapor deposition.Acta 22] Liu Y.The Analysis Of Microstructure Optical Waveguide Mode- Phys Sinica,2004,53(12）:4409 field Based on Boundary Element Method [Dissertation].Qing (曾湘波，廖显伯，王博，等.等离子体增强化学气相沉积法 huangdao:Yanshan University,2010 实现硅纳米线掺硼.物理学报，2004,53(12)：4409) (刘岩.边界元法分析微结构光波导模式场[学位论文].秦 [13]Yan L,Li H S,Liu HZ,et al.Research on resist film thickness 皇岛：燕山大学，2010) control in nanoimprint lithography.Mechanical Des Manuf,2010 23] Chen F M,Xu DZ.Treatment of the half periodie boundary con- (4):201 ditions as a whole during computing two dimensional electromag- (严乐，李寒松，刘红忠，等.纳米压印光刻中抗蚀剂膜厚控 netie field in FEM.Trans China Electrotech Soc,1989(4):12 制研究.机械设计与制造，2010(4)：201) (陈福民，许大中.用有限元法求解二维电磁场时半周期性 [14]Yang G,Gou J,Li W,et al.Study on reactive ion etching 边界条件的程序化处理.电工技术学报，1989(4)：12) process of silica.Microprocessor,2012,33(3):1 224]Li X,Tao C X.Finite element analysis of traction linear induc- (杨光，苟君，李伟，等.二氧化硅的反应离子刻蚀工艺研 tion motor based on Ansoft.Urban Mass Transit,2014(3):79 究.微处理机，2012,33(3)：1) (李霄，陶彩霞.基于Ansoft软件的牵引用直线感应电机的 [15]Li C.In-situ Electron Microscopy of Love Dimensional Materials 有限元分析.城市轨道交通研究，2014(3)：79) and Devices under Applied Electric Field [Dissertation].Beijing: 25]Yuan H J.Research of dynamic character of solenoid valves clos- Chinese Academy of Sciences University,2015 ing process based on Ansoft Maxwell simulation.De Inno Mach (李超.低维材料及器件在外加电场下的原位电子显微学研 Electr Prod,2011,24(5):82 究[学位论文].北京：中国科学院大学，2015) (袁海军.基于Ansoft Maxwell仿真的电磁阀关闭过程动态特 [16]Jiang WW.Influence of the Material and Structure of the Device 性研究.机电产品开发与创新，2011,24(5)：82) on Its Blue Electroluminescent Properties [Dissertation].Beijing: 26] Shyosaku,Sun Y L.Proof of direct collision excitation of ZnS: Beijing Jiaotong University,2008 Mn thin film electroluminescent Mn centers.Chin Lumin,1978 (姜薇薇.器件的材料和结构对其蓝色电致发光性能的影响 (1):64 [学位论文].北京：北京交通大学，2008) (Shyosaku,孙亚莉.ZnS:Mn薄膜电致发光锰中心直接碰撞 17]Chen X.First-Principles Study of Energy Storage and Photoelee- 激发的证明.国外发光与电光，1978(1)：64) tric Conversion in Novel Materials [Dissertation].Suzhou: [27]Lou Z D,Xu C X,Xu Z,et al.Lonization of excited lumines- Suzhou University,2015 cent centers at high electric field.J Funct Mater,1997(2):133 (陈雪.新型材料中能量存储和光电转化的第一性原理研究 (娄志东，徐春祥，徐征，等.高场下发光中心激发能级上电 [学位论文].苏州：苏州大学，2015) 子的离化.功能材料，1997(2)：133) [18]Wang G Z,Zhang Z X,Jiang J H,et al.Simulation of electron- D28]Zhang F J,Xu Z,Liu L,et al.Evaluating acceleration ability of hole recombination escape by Columnar model.Chin /Semicond, electrons of Si0,and ZnS in ZnS:Er electroluminescence. 2001,22(9):1135 Chin Rare Earth Soc,2005,23(5)590 (王桂珍，张正选，姜景和，等.用Columnar模型对电子空 (张福俊，徐征，刘玲，等.ZnS:Er电致发光中SiO2与ZnS 穴对复合逃逸产额的模拟计算.半导体学报，2001,22(9)： 电子加速能力的比较.中国稀土学报，2005,23(5)：590)

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