TRIZ創(chuàng)新方法在微納米光子學(xué)研究中的應(yīng)用＊

張中月

（陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710062）

張永元

（陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710062）

（西安科技大學(xué)理學(xué)院 陜西 西安 710054）

屈 瑜 田曉俊

（陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710062）

孫永偉①

（中國神華集團 北京低碳清潔能源研究所 北京 102209）

創(chuàng)新是一個民族發(fā)展進步的靈魂，是國家興旺發(fā)達的不竭動力.提高自主創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家是國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，是提高國家綜合國力的關(guān)鍵.創(chuàng)新的關(guān)鍵是人才，只有大批創(chuàng)新人才的涌現(xiàn)，創(chuàng)新才能實現(xiàn).創(chuàng)新人才是先進生產(chǎn)力和先進文化的代表，是國家綜合國力的重要組成部分.我國正力爭在2020年建設(shè)成為創(chuàng)新型國家，如何以最快、最短的時間培養(yǎng)創(chuàng)新人才，提高其創(chuàng)新能力，一直是眾多科技工作者研究的熱點.“自主創(chuàng)新，方法先行”，應(yīng)該首先從方法上解決創(chuàng)新的問題.科學(xué)的創(chuàng)新方法是提升自主創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)和重要保證.

國內(nèi)外關(guān)于技術(shù)創(chuàng)新的方法大約有300多種，發(fā)明問題解決理論（TRIZ）［1～3］是眾多創(chuàng)新方法中的一員.TRIZ是目前被證實最為有效的創(chuàng)新方法學(xué)論，是一套有系統(tǒng)的、科學(xué)的、行之有效的解決發(fā)明問題的工具.TRIZ方法可以幫助人們系統(tǒng)、全面地分析問題，快速發(fā)現(xiàn)問題根源或者矛盾，準(zhǔn)確確定問題的探索方向，突破思維障礙，打破思維定式，以新的視角分析問題，加快創(chuàng)新的進程，提高研發(fā)項目的成功率.基于以上的優(yōu)點，2006年，中國政府就提出的“自主創(chuàng)新，方法先行”，將TRIZ作為國家重點推行的創(chuàng)新方法.

目前，TRIZ已經(jīng)在世界大多跨國企業(yè)如三星、通用電氣、現(xiàn)代汽車、浦項制鐵等公司的工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，成為企業(yè)創(chuàng)新的利器，但是在自然科學(xué)、社會科學(xué)、管理科學(xué)、生物科學(xué)等多領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少.本文以微納米光子學(xué)研究為例，應(yīng)用TRIZ方法進行分析問題，驗證TRIZ理論在科學(xué)研究中的適應(yīng)性及有效性.

1 TRIZ簡介

TRIZ是“發(fā)明問題解決理論”俄文首字母的縮寫，是20世紀60年代前蘇聯(lián)學(xué)者根里奇·阿奇舒勒所提出的.阿奇舒勒長期工作在前蘇聯(lián)的專利領(lǐng)域，在他對大量專利進行了分析和研究后，發(fā)現(xiàn)不同領(lǐng)域的所解決的問題雖然不一樣，但在解決這些不同領(lǐng)域的問題時所用到的原理卻基本類似.他和他的團隊將這些基本原理進行了總結(jié)，并開發(fā)出了一系列的工具來更加有效地運用這些原理.并于1946年開始推廣這一套系統(tǒng)地解決技術(shù)沖突問題的方法.作為前蘇聯(lián)的機密，前蘇聯(lián)解體后，TRIZ開始被傳播到世界各地.經(jīng)過60多年的發(fā)展，這門理論得到不斷的豐富和完善.特別是在近30年，TRIZ理論被引入到歐美的企業(yè)后，在解決企業(yè)實際問題的過程中逐步形成更為有效的現(xiàn)代TRIZ理論體系.其知識體系如圖1所示.

圖1 現(xiàn)代TRIZ理論體系

按照解決問題的步驟，可以分為3大部分，即識別問題、解決問題以及概念驗證.而每一大部分，都有大量工具提供支撐.

TRIZ的核心思想主要體現(xiàn)在3個方面：首先，無論是一個簡單產(chǎn)品還是復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其核心技術(shù)的發(fā)展都遵循著客觀的規(guī)律發(fā)展演變，即具有客觀的進化規(guī)律或模式；第二，各種技術(shù)難題和矛盾的不斷解決是推動這種進化過程的動力；第三，技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用最少的資源實現(xiàn)最大效益的功能.

TRIZ的基本思路是：首先，對具體問題進行全面、深入的分析，將我們所遇到的表面問題（或具體問題）轉(zhuǎn)化為可以解決的關(guān)鍵問題然后，將這個關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)換為一個TRIZ的問題模型，比如技術(shù)矛盾、物理矛盾、物場模型，Howto模型等等.最后再利用相應(yīng)的工具提出一般化的解決方案，比如矛盾矩陣和40個發(fā)明原理，分離原理，標(biāo)準(zhǔn)解，功能導(dǎo)向搜索等等.最后將這些一般化的解決方案轉(zhuǎn)化為具體的、可實施的解決方案.

2 TRIZ在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

表面等離極化激元（SPPs）是沿著金屬和介質(zhì)的界面?zhèn)鬏數(shù)碾姶挪ǎ诖怪庇诮缑娣较蛏弦灾笖?shù)形式衰減，因此SPPs被局域在金屬和介質(zhì)界面在亞波長范圍內(nèi)傳播，能夠突破衍射極限.正是由于SPPs的這一特性，使得SPPs波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)亞波長尺度的光信息傳輸與處理，從而實現(xiàn)光子與電子元器件在納米尺度上的結(jié)合［4，5］.

在SPPs波導(dǎo)中，人們希望波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對場的局域性要好，即模式尺度要小，以降低波導(dǎo)的折彎損耗以及提高光子芯片中回路和元件的密度.我們嘗試應(yīng)用TRIZ中的組合原理優(yōu)化設(shè)計波導(dǎo).組合原理是TRIZ發(fā)明原理中的第5號原理，該原理包括兩個含義：在空間上將同類或需要連續(xù)操作的物體組合起來；從時間上將同類的部分或需要持續(xù)操作的部分組合起來.TRIZ對該原理的解釋是：“使一個系統(tǒng)的各功能、特性或部分之間建立一種聯(lián)系，其可產(chǎn)生一種新的、想要的或唯一的結(jié)果.通過對先前的已有功能進行組合，可以生成新的功能”.研究表明，金屬與介質(zhì)間的狹小空間可以限制SPPs；在金屬微納結(jié)構(gòu)外包裹介質(zhì)也可以將SPPs限制在介質(zhì)中.將上述兩種方法組合，我們設(shè)計了如圖2所示波導(dǎo).V形銀納米線置于硅介質(zhì)襯底上，間距為d，并且在V形銀納米線外包覆二氧化硅.我們應(yīng)用COMSOL軟件對所設(shè)計的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行模式分析，激發(fā)光波長為1 550nm，結(jié)果如圖3.從圖中可以看出，包覆二氧化硅后，模式面積減小，波導(dǎo)對SPPs的限制性更好.

圖2 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面

圖3 歸一化模式面積

3 TRIZ在寬頻透射結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

1998年，Ebbesen等人在金屬膜上刻蝕周期孔陣列，發(fā)現(xiàn)即使當(dāng)入射光波長是孔徑10倍時仍有很強的光透過，并且透射率高出孔面積與薄膜面積比值的1～2個數(shù)量級，這種現(xiàn)象被稱為光增強透射現(xiàn)象enhancedopticaltransmission（EOT）.EOT現(xiàn)象在微腔量子電動力學(xué)、光子學(xué)器件、高密度數(shù)據(jù)存儲、近場光學(xué)、光濾波器、納米感應(yīng)等相關(guān)領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛力.當(dāng)光入射到金屬孔洞時，激發(fā)SPPs，當(dāng)孔洞周期與SPPs波長匹配時，才能產(chǎn)生強透射，故一般EOT現(xiàn)象的頻帶較窄.在實際應(yīng)用中，較窄頻帶的應(yīng)用受到限制，研究非共振引起的EOT現(xiàn)象，從而實現(xiàn)寬頻帶激發(fā)與收集，具有更廣泛的意義［6，7］.

下面將應(yīng)用TRIZ中功能分析工具和流分析工具來分析EOT問題，以期產(chǎn)生新的想法.功能分析是指對系統(tǒng)進行分解，得到正常、不足、過量、有害作用，幫助工程師更詳細地理解工程系統(tǒng)中組件之間的相互作用.運用功能分析，可以重新發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)組件的目的和其性能表現(xiàn)，進而發(fā)現(xiàn)問題的癥結(jié)，并運用TRIZ理論中其他解決問題的工具進一步加以改進.流分析是一種識別工程系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)、能量（場）、和信息流動的缺陷的分析工具，可以識別功能分析未揭示出的缺陷，彌補功能分析的不足，并能對工程系統(tǒng)建立物質(zhì)、能量和信息的模型，從另外一個視角來分析系統(tǒng).

圖4 金屬孔陣列的俯視圖

圖4為金屬孔洞結(jié)構(gòu)的上表面（假設(shè)入射電場在圖3中左右偏振）.我們將上表面劃分為3個區(qū)域：區(qū)域A（上下孔洞間的區(qū)域）、區(qū)域B（左右孔洞間的區(qū)域）、區(qū)域C（孔洞周圍區(qū)域）.這樣以來，3個區(qū)域組成了整個上表面.同樣，金屬孔洞結(jié)構(gòu)的下表面也被劃分為3個區(qū)域：區(qū)域A′，區(qū)域B′，區(qū)域C′.金屬內(nèi)部被劃分為兩個區(qū)域：金屬部分和孔部分，孔部分包括空周圍的金屬.

圖5為對金屬孔洞結(jié)構(gòu)進行的功能分析.超系統(tǒng)組件、系統(tǒng)對象為光.金屬支撐A，B，A′，B′.孔支撐C和C′.A，B，C間導(dǎo)向流；A′，B′，C′間導(dǎo)向流.

圖5中也畫出了對金屬孔洞結(jié)構(gòu)進行的流分析.A，B，C均能耦合光到金屬表面，但是它們之間的能量流不足.如果要使得更多能量從孔流過，需要增強從A到C，從B到C的流.A′，B′，C′之間導(dǎo)向流不強，但是這對于透射問題是有力，所以它們之間的流是正常的.

當(dāng)沿圖中左右方向偏振的光入射到金屬表面時，SPPs被激發(fā)，即入射光與SPPs相互耦合形成共振.金屬中比較多的能流在A和B中流動，要使得從孔經(jīng)過的能量流是寬頻的，則要加強從A到C，B到C的流.加強B到C的流要求更多電子聚集到C區(qū)域，當(dāng)入射光波長較大時，SPPs波長增加，這點自然滿足.由于金屬部分的阻抗小于孔附近的阻抗，從A到C的能流不足.要使得能流盡量多的從小孔中流過，那么就要增加A部分的阻抗.可以通過改變電阻、電感、電容3個方面來增大阻抗.電阻依賴于材料、材料的尺寸、材料的形狀；電感依賴于材料的形狀、材料的尺寸；電容依賴于電容極板的面積、極板間的距離、極板間填充的材料.

圖5 系統(tǒng)的功能分析及流分析

通過以上分析，我們設(shè)計了圖6所示結(jié)構(gòu)，應(yīng)用二氧化硅填充的縫隙增加A部分阻抗，使得較多的寬頻能流從孔部分透過.圖7是該結(jié)構(gòu)的透射光譜.當(dāng)只有孔時，透射峰是窄帶的（黑線）.應(yīng)用二氧化硅填充的縫隙增加A區(qū)域阻抗后，出現(xiàn)了寬頻的透射光譜（紅線），實現(xiàn)了預(yù)先的構(gòu)想.

圖6 SiO2填充縫隙的金屬孔洞結(jié)構(gòu)

圖7 金屬孔洞結(jié)構(gòu)的透射光譜

4 結(jié)論

本文不僅應(yīng)用TRIZ方法中組合原理設(shè)計了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以獲得更小模式面積，而且對金屬孔洞結(jié)構(gòu)進行了功能分析和流分析，并給出了多種可能的實現(xiàn)寬頻透射的解決方案.這些結(jié)果說明將TRIZ方法引入到某些科學(xué)研究領(lǐng)域中，能夠幫助研究者更加快速、準(zhǔn)確地找到問題本質(zhì)及產(chǎn)生解決方案，從而加快創(chuàng)新過程，提升創(chuàng)新效率.

1 趙敏，史曉凌，段海波.TRIZ入門及實踐.北京：科學(xué)出版社，2009

2FriedmanR.ProblemSolvingforEngineersandScientists：A CreativeApproach.NewYork：VanNostrandReinhold，1991

3KarenG.TRIZforEngineers：EnablingInventive ProblemSolving.London：Wiley，2011

4BarnesWL，DereuxA，EbbesenTW.Surfaceplasmon subwavelengthoptics.Nature，2003，424（6950）：824－830

5OzbayE.Plasmonics：mergingphotonicsandelectronicsat nanoscaledimensions.Science，2006，311（5758）：189－193

6SubramaniaG，F(xiàn)oteinopoulouS，BrenerI.Nonresonant broadbandfunnelingoflightviaultrasubwavelength channels.Physicalreviewletters，2011，107（16）：163902.

7ShenH，MaesB.Enhancedopticaltransmissionthrough taperedmetallicgratings.AppliedPhysicsLetters，2012，100（24）：241104