针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题, 该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型, 并制作了实验样机, 研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下, 磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明, 随着磁极对间距减小, 带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱, 由此确定最佳磁极对间距为12 mm, 谐振频率为18 Hz, 最大输出均方根电压达到12.01 V, 采集器有效工作频率为15.5~22.5 Hz, 工作带宽达到7 Hz, 带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带, 在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。

针对振动能量采集器对环境中振动能量响应频带较窄的问题, 该文提出了一种弹性支承外部磁铁的非线性切断式二自由度压电能量采集器。该弹性支承保证了能量采集器处于双稳态中, 实现了能量采集器的宽频带响应。建立了采集器的集中参数理论模型, 并研究了不同频率的正弦外界激励下该能量采集器弹性支承外部磁铁与内梁自由端磁铁的间距值变化对采集器电压输出和采集频带的影响。仿真和实验结果表明, 随着弹性支承的外部磁铁和内梁自由端磁铁的间距逐渐减小, 采集器的均方根电压输出逐渐增大, 其采集频带也相应被拓宽。当能量采集器的水平间距值从10 mm调整为5 mm时, 该能量采集器一阶谐振频率的均方根电压增长了1.5倍, 同时二阶谐振频带拓宽了2.25倍。

针对流速传感器的高分辨率需求, 提出了一种基于双稳态势能调节的仿生纤毛流速传感器。该传感器由纤毛、电极层、上部结构层、中间连接层和下部支撑层等多层结构构成, 其中上部结构层一方面采用不对称梳齿结构实现差分电容检测, 另一方面布置周期性调制梳齿实现系统势能函数呈现双稳态。通过流体-固体力学-静电多物理场耦合分析, 得到电容随流速的变化关系, 分辨率优于0.001m/s, 另外通过调制梳齿的静电场分析, 绘制出系统势能函数曲线。最后, 基于MEMS加工技术, 通过设计合理的工艺流程制备出了该传感器。

从实验和理论上研究了InGaAsP多量子阱(Multi-Quantum-Well, MQW)双区共腔(Common Cavity Tandem Section, CCTS)结构半导体激光器的吸收区偏置状态对双稳态特性的影响。实验结果表明: 随着可饱和吸收区上的负偏置电压的增大, 激光器P-I曲线中双稳态特性更加明显, V-I曲线有负微分电阻, 当偏压加至-3 V时, 回滞曲线环宽度增加至13.5 mA, 开关比达到21: 1。理论分析表明, 利用吸收区的高负偏置态和短载流子逃逸时间能获得更好的双稳态特性。最大107: 1的开关比也说明双区共腔激光器能在两稳态之间实现非常明确的转换。

单双稳态转换逻辑单元(MOBILE)是基于共振隧穿二极管(RTD)电路的一个重要逻辑单元, 非常适合阈值逻辑电路设计。由MOBILE可以构成阈值逻辑门(TG)和广义阈值逻辑门(GTG)等阈值逻辑电路。本文通过将三变量异或函数转化为较简单、理想的GTG输入输出函数形式, 设计了由GTG构成的新型三变量异或门, 并利用该三变量异或门设计了新型的全加器。通过HSPICE仿真和性能比较, 该全加器不仅器件数量少, 输出延时短, 而且能达到较高的工作频率、更小的电路功耗与功耗-延迟积。

以PS(聚苯乙烯)和PC61BM(\[6.6\]-苯基-C61-丁酸甲酯)为活性材料，通过加入导电性不同的缓冲层材料，优化了阻变存储器件的开关比。制备时分别以金纳米粒子(Au-NPs)、聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)材料作为器件的缓冲层，得到了开关比可调、存储机制不同的电双稳态器件。测试结果发现缓冲层材料导电性是影响器件开关比的关键因素，当缓冲层材料从绝缘性材料PVP换为导电性良好的金纳米粒子，其开关比从102逐渐增大到105。另外对于不同结构的存储机制，通过电流电压拟合曲线和能带原理图分析，发现缓冲层材料的导电性质及能级匹配是影响器件存储机制的重要因素。

通过逐层旋涂的方法, 利用MEH-PPV(Poly［2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene］与Ir(ppy)3(tris(2-phenylpyridine)iridium(Ⅲ))), 制备活性层, 实现了高性能的电双稳器件。通过改变MEH-PPV 的浓度, 制备了不同器件并进行性能比较, 发现所有器件都具有明显的电双稳特性。当MEH-PPV的浓度达到4 mg/mL时, 器件的开关比可以达103。同时, 通过测试器件的电流-循环次数研究了器件的持续稳定特性。经过104次的反复读写测试, 器件性能依然稳定。最后, 通过对器件的I-V曲线进行线性拟合, 并结合器件的能级图, 对器件的工作原理进行了研究。结果表明, MEH-PPV/Ir(ppy)3器件的电双稳特性产生的主要原因是偶极层的形成与破坏。

利用简易的“一锅法”制备了正丁硫醇修饰的MoS2纳米片(MoS2-C4), 并对其结构、组分、形貌及电双稳性能进行了研究。正丁硫醇在反应过程中既作为硫源, 又作为表面活性剂。X射线衍射(XRD)测试表明制备的样品为六方晶系的MoS2。从透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)可以看出样品的形貌为片状, 较大的纳米片是由较小的纳米片自组装而成。测试了样品的吸收光谱, 由吸收峰的位置证明了合成的样品为2H-MoS2纳米片。利用旋涂法将所制备的纳米片与聚乙烯基咔唑(PVK)的混合物制备了电双稳器件, 通过电流-电压(I-V)测试证明了该器件具有很好的电双稳性能。

设计了一种安装在鞋上的压电俘能器(PEH), 用于收集人体行走时产生的能量。该俘能器由4根压电悬臂梁和1个弹簧-质量系统组成。弹簧-质量系统能够感知沿径骨轴的加速度激励, 并通过磁耦合驱动压电梁振动从而发电。文中通过拟合实验数据获得加速度信号表达式; 然后, 建立仿真模型, 对俘能器的发电性能进行了仿真分析。最后, 加工了实验样机, 并实验测试了俘能器的发电性能。结果表明, 当受到沿胫骨方向的激励时, 压电梁在一个步态周期内可被弹簧-质量系统激励多次从而产生多个峰值电压; 受到沿胫骨和脚面两个方向激励时, 压电梁的发电性能比只受到单一方向激励时好。当步行速度为2~8 km/h时, 每根压电梁的峰值电压可达到10 V。该俘能器能够从人体行走的超低频运动中收集能量, 并能够同时收集两个方向的加速度能量, 提高了压电梁的发电性能。

将PEG（聚乙二醇）引入到 ITO/MEH-PPV（聚（2-甲氧基, 5（2'-乙基己氧基）-1,4-苯撑乙烯撑）/Al三明治器件中, 实现了很好的电双稳性能。通过改变PEG的分子量、浓度以及退火温度等条件, 对器件性能进行了优化。通过电流-电压（I-V）测试研究了不同器件的性能, 结果表明, 分子量为4 000的PEG, 在30 mg/mL的浓度下, 通过120 ℃退火制备的薄膜, 其器件性能最优, 电流开关比可以达到103以上。利用SEM测试研究了活性层的膜形貌, 并结合电流-电压（I-V）曲线的线性拟合, 分析了电荷在器件中的传输过程。研究发现, 相分离产生的陷阱对电荷的俘获是该器件产生电双稳特性的主要原因。