向超系统进化法则在表面等离激元学研究中的应用

1、向超系统进化趋势及其在表面 等离激元学研究中的应用 张中月 个人介绍 张中月 教授、博士生导师、MATRIZ三级 陕西师范大学 物理学与信息技术学院 研究方向： 微纳光学与光子学、TRIZ在微纳光学与光 子学研究中的应用 进化法则层次结构进化法则层次结构 S曲线进化趋势 提高理想度法则 向超系统进化 法则 系统完备性 法则 增加裁剪度趋势 法则 流增强进化 法则 子系统的不均衡 进化法则 系统协调性 进化法则 减少人工介入的 进化法则 可控性进化法则 动态性进化法则 系统、超系统 系统：系统：设计用于执行一定 功能。一般来说，它指的 是我们整体的研究对象。 超系统：超系统：包含被分析的系 统的

2、系统。在超系统中， 我们所要分析的系统只是 其中的一个组件。组成超 系统的组件，就是超系统 组件。 系统系统 超系统组件超系统组件 子系统子系统 向超系统进化法则 定义：随着工程系统进化，它逐渐与超系 统的组件集成。 当前研究系统：桌子；超系统组件：椅子；进化：桌子集成了椅子。当前研究系统：桌子；超系统组件：椅子；进化：桌子集成了椅子。 向超系统进化法则 铅笔铅笔 双色铅笔双色铅笔 系统：铅笔 功能：涂覆染料 超系统组件：另外一色铅笔 功能：涂覆不同染料（参数差异） 系统：铅笔 功能：涂覆染料 超系统组件：橡皮 功能：移除染料（功能差异） 1. 参数差异化增加的趋势（主要功能相同） 2. 主要

3、功能差异化增加的趋势（主要功能不 同） 3. 集成水平深度增加的趋势 4. 集成数量增加的趋势 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 子趋势1-超系统与原工程系统的参数差异化 增加的趋势 集成超系统类型 同质性系统 与原工程系统相比至少一项参数的差异 竞争性系统（不同的系统，具有类似的主要功能） 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 子趋势1-集成超系统与原工程系统的参数差 异化增加的趋势 例：船帆的演化 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 前后帆 同质性系统 前后帆+横帆 多参数系统 帆+蒸汽机 竞争性系统 子趋势子趋势2-超系统与原工程系统的主要功能超

4、系统与原工程系统的主要功能 差异化增加的趋势差异化增加的趋势 集成系统类型集成系统类型 联合工程系统 异类工程系统 相反的工程系统 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 子趋势子趋势2-超系统与原工程系统的主要功能超系统与原工程系统的主要功能 差异化增加的趋势差异化增加的趋势 联合工程系统是什么？联合工程系统是什么？ 工程系统与超系统具有相同的主要功能对象工程系统与超系统具有相同的主要功能对象 例：平底锅（烹饪食物）例：平底锅（烹饪食物） 和烤架（加热食物）和烤架（加热食物） 如果工程系统在同一过程之中如果工程系统在同一过程之中 例：摄影机和胶卷例：摄影机和胶卷 工程系统具有相同的

5、应用环境工程系统具有相同的应用环境 例：帐篷和火炉例：帐篷和火炉 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 子趋势2-主要功能差异化增加 系统都属于同一过程的一部分 例：护发产品 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 洗发水护发素洗发水+护发素 += 联合工程系统 子趋势2-主要功能差异化增加 工程系统具有相同的应用环境 例：家用工具 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 = 瑞士军刀 联合工程系统 子趋势2-主要功能差异化增加 异类系统的集成整合（主要功能不同，但 共享资源） 实例： 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 种植水稻+养鱼交通+广告

6、子趋势2-超系统与原工程系统的主要功能差 异化增加的趋势 整合相反的工程系统（主要功能相反） 实例： 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 灯泡和灯罩锤子和起子铅笔和橡皮 子趋势子趋势3-更深度集成更深度集成 实例：手表 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 非关联 手表+罗盘手表和罗盘的集成 部分剪裁 带有罗盘功能的手表 彻底剪裁 子趋势子趋势4-增加的集成的系统数增加的集成的系统数 集成系统的类型集成系统的类型 单系统 双系统 多系统 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 子趋势4-增加的集成的系统数 实例：电视 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则

7、的子趋势 Television TV+VCR TV+VCR+DVD 单系统 双系统 多系统 子趋势4-增加的集成的系统数 例如：办公设备 向超系统进化法则的子趋势向超系统进化法则的子趋势 打印机 扫描仪 复印机 传真 集成系统 1.参数差异化增加 2.功能差异化增加 3.水平深度增加 4.集成数量增加 向超系统进化法则子趋势回顾向超系统进化法则子趋势回顾 向超系统进化法则小结向超系统进化法则小结 驱动力：工程系统内的可用资源耗尽时， 它需要新的资源继续进化（通过增加功能 性和/或降低成本，提升系统的理想度）； 由于超系统元素提供了一系列丰富的资源， 工程系统通过集成超系统组件获得资源； 和其它

8、技术系统进化法则一样，是方案模 型的基础。 表面等离激元学表面等离激元学 球形粒子散射：Mie Theory （1905） MATLAB Functions for Mie Scattering and Absorption, Thesis 周期性结构层：Effective Medium Theory J. Phys. D: Appl. Phys. 28 (1995) 2578 表面等离激元学表面等离激元学 数值算法开启了不规则形状纳米结构 光散射特性研究的大门 离散偶极子近似离散偶极子近似 传输矩阵算法传输矩阵算法 有限元算法有限元算法 时域有限差分算法时域有限差分算法 多极子展开多极子展开

9、 - 组件（系统）参数发生差异组件（系统）参数发生差异 J. Phys. Chem. B 2003,107, 668 J. Phys. Chem. B 2005,109, 20331 J. Phys. Chem. B 2005,109, 23373 组件（系统）参数发生差异组件（系统）参数发生差异 Opt Express 2000,6, 213 PRL 2003,90, 057401 组件（系统）参数发生差异组件（系统）参数发生差异 组件（系统）参数发生重大差异组件（系统）参数发生重大差异 J. Chem. Phys. 2005,123, 114713 J. Phys. Chem. B 200

10、6, 110, 2150 APL 2000, 77, 3379 还有PRB 2005, 71, 045430 组件（系统）参数发生重大差异组件（系统）参数发生重大差异 Nano Lett. 2006,6, 683 Nano Lett. 2007,7, 729 包覆结构- 相同组件集成（同质系统）相同组件集成（同质系统） J. Chem. Phys. 1999,111, 1195 J. Phys. Chem. B 2003,107, 7343 Nano Lett. 2007,7, 318 PCCP2006,8 3520 Nano Lett. 2003,8, 1087 相同组件集成（同质系统）相同

11、组件集成（同质系统） Nature 2003,425, 488 Adv Matter 2004,19, 1686 OE 2001,8, 655Nano Lett 2004 不同参数的组件集成不同参数的组件集成 PCCP2006,8 3520JPCB 2003,107 668 APL 2006,88 063118 集成水平深度不断增加集成水平深度不断增加 法诺共振 Nano Lett. 2011,11 2835 Nano Lett. 2011,11 1657 集成深度不断增加集成深度不断增加 宽频吸收 Nature 2012 OE 2014 Nanoscale 2013 集成数量不断增加集成数量不断增加 宽频吸收 ACS Nano 2014 Scientifi