TRIZ创新方法在微纳米光子学研究中的应用＊

张中月

（陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710062）

张永元

（陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710062）

（西安科技大学理学院 陕西 西安 710054）

屈 瑜 田晓俊

（陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710062）

孙永伟①

（中国神华集团 北京低碳清洁能源研究所 北京 102209）

创新是一个民族发展进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力.提高自主创新能力，建设创新型国家是国家发展战略的核心，是提高国家综合国力的关键.创新的关键是人才，只有大批创新人才的涌现，创新才能实现.创新人才是先进生产力和先进文化的代表，是国家综合国力的重要组成部分.我国正力争在2020年建设成为创新型国家，如何以最快、最短的时间培养创新人才，提高其创新能力，一直是众多科技工作者研究的热点.“自主创新，方法先行”，应该首先从方法上解决创新的问题.科学的创新方法是提升自主创新能力的基础和重要保证.

国内外关于技术创新的方法大约有300多种，发明问题解决理论（TRIZ）［1～3］是众多创新方法中的一员.TRIZ是目前被证实最为有效的创新方法学论，是一套有系统的、科学的、行之有效的解决发明问题的工具.TRIZ方法可以帮助人们系统、全面地分析问题，快速发现问题根源或者矛盾，准确确定问题的探索方向，突破思维障碍，打破思维定式，以新的视角分析问题，加快创新的进程，提高研发项目的成功率.基于以上的优点，2006年，中国政府就提出的“自主创新，方法先行”，将TRIZ作为国家重点推行的创新方法.

目前，TRIZ已经在世界大多跨国企业如三星、通用电气、现代汽车、浦项制铁等公司的工程技术领域发挥了巨大作用，成为企业创新的利器，但是在自然科学、社会科学、管理科学、生物科学等多领域的应用相对较少.本文以微纳米光子学研究为例，应用TRIZ方法进行分析问题，验证TRIZ理论在科学研究中的适应性及有效性.

1 TRIZ简介

TRIZ是“发明问题解决理论”俄文首字母的缩写，是20世纪60年代前苏联学者根里奇·阿奇舒勒所提出的.阿奇舒勒长期工作在前苏联的专利领域，在他对大量专利进行了分析和研究后，发现不同领域的所解决的问题虽然不一样，但在解决这些不同领域的问题时所用到的原理却基本类似.他和他的团队将这些基本原理进行了总结，并开发出了一系列的工具来更加有效地运用这些原理.并于1946年开始推广这一套系统地解决技术冲突问题的方法.作为前苏联的机密，前苏联解体后，TRIZ开始被传播到世界各地.经过60多年的发展，这门理论得到不断的丰富和完善.特别是在近30年，TRIZ理论被引入到欧美的企业后，在解决企业实际问题的过程中逐步形成更为有效的现代TRIZ理论体系.其知识体系如图1所示.

图1 现代TRIZ理论体系

按照解决问题的步骤，可以分为3大部分，即识别问题、解决问题以及概念验证.而每一大部分，都有大量工具提供支撑.

TRIZ的核心思想主要体现在3个方面：首先，无论是一个简单产品还是复杂的技术系统，其核心技术的发展都遵循着客观的规律发展演变，即具有客观的进化规律或模式；第二，各种技术难题和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力；第三，技术系统发展的理想状态是用最少的资源实现最大效益的功能.

TRIZ的基本思路是：首先，对具体问题进行全面、深入的分析，将我们所遇到的表面问题（或具体问题）转化为可以解决的关键问题然后，将这个关键问题转换为一个TRIZ的问题模型，比如技术矛盾、物理矛盾、物场模型，Howto模型等等.最后再利用相应的工具提出一般化的解决方案，比如矛盾矩阵和40个发明原理，分离原理，标准解，功能导向搜索等等.最后将这些一般化的解决方案转化为具体的、可实施的解决方案.

2 TRIZ在波导结构设计中的应用

表面等离极化激元（SPPs）是沿着金属和介质的界面传输的电磁波，在垂直于界面方向上以指数形式衰减，因此SPPs被局域在金属和介质界面在亚波长范围内传播，能够突破衍射极限.正是由于SPPs的这一特性，使得SPPs波导能够实现亚波长尺度的光信息传输与处理，从而实现光子与电子元器件在纳米尺度上的结合［4，5］.

在SPPs波导中，人们希望波导结构对场的局域性要好，即模式尺度要小，以降低波导的折弯损耗以及提高光子芯片中回路和元件的密度.我们尝试应用TRIZ中的组合原理优化设计波导.组合原理是TRIZ发明原理中的第5号原理，该原理包括两个含义：在空间上将同类或需要连续操作的物体组合起来；从时间上将同类的部分或需要持续操作的部分组合起来.TRIZ对该原理的解释是：“使一个系统的各功能、特性或部分之间建立一种联系，其可产生一种新的、想要的或唯一的结果.通过对先前的已有功能进行组合，可以生成新的功能”.研究表明，金属与介质间的狭小空间可以限制SPPs；在金属微纳结构外包裹介质也可以将SPPs限制在介质中.将上述两种方法组合，我们设计了如图2所示波导.V形银纳米线置于硅介质衬底上，间距为d，并且在V形银纳米线外包覆二氧化硅.我们应用COMSOL软件对所设计的波导结构进行模式分析，激发光波长为1 550nm，结果如图3.从图中可以看出，包覆二氧化硅后，模式面积减小，波导对SPPs的限制性更好.

图2 波导结构的横截面

图3 归一化模式面积

3 TRIZ在宽频透射结构设计中的应用

1998年，Ebbesen等人在金属膜上刻蚀周期孔阵列，发现即使当入射光波长是孔径10倍时仍有很强的光透过，并且透射率高出孔面积与薄膜面积比值的1～2个数量级，这种现象被称为光增强透射现象enhancedopticaltransmission（EOT）.EOT现象在微腔量子电动力学、光子学器件、高密度数据存储、近场光学、光滤波器、纳米感应等相关领域都具有巨大的应用潜力.当光入射到金属孔洞时，激发SPPs，当孔洞周期与SPPs波长匹配时，才能产生强透射，故一般EOT现象的频带较窄.在实际应用中，较窄频带的应用受到限制，研究非共振引起的EOT现象，从而实现宽频带激发与收集，具有更广泛的意义［6，7］.

下面将应用TRIZ中功能分析工具和流分析工具来分析EOT问题，以期产生新的想法.功能分析是指对系统进行分解，得到正常、不足、过量、有害作用，帮助工程师更详细地理解工程系统中组件之间的相互作用.运用功能分析，可以重新发现系统组件的目的和其性能表现，进而发现问题的症结，并运用TRIZ理论中其他解决问题的工具进一步加以改进.流分析是一种识别工程系统内物质、能量（场）、和信息流动的缺陷的分析工具，可以识别功能分析未揭示出的缺陷，弥补功能分析的不足，并能对工程系统建立物质、能量和信息的模型，从另外一个视角来分析系统.

图4 金属孔阵列的俯视图

图4为金属孔洞结构的上表面（假设入射电场在图3中左右偏振）.我们将上表面划分为3个区域：区域A（上下孔洞间的区域）、区域B（左右孔洞间的区域）、区域C（孔洞周围区域）.这样以来，3个区域组成了整个上表面.同样，金属孔洞结构的下表面也被划分为3个区域：区域A′，区域B′，区域C′.金属内部被划分为两个区域：金属部分和孔部分，孔部分包括空周围的金属.

图5为对金属孔洞结构进行的功能分析.超系统组件、系统对象为光.金属支撑A，B，A′，B′.孔支撑C和C′.A，B，C间导向流；A′，B′，C′间导向流.

图5中也画出了对金属孔洞结构进行的流分析.A，B，C均能耦合光到金属表面，但是它们之间的能量流不足.如果要使得更多能量从孔流过，需要增强从A到C，从B到C的流.A′，B′，C′之间导向流不强，但是这对于透射问题是有力，所以它们之间的流是正常的.

当沿图中左右方向偏振的光入射到金属表面时，SPPs被激发，即入射光与SPPs相互耦合形成共振.金属中比较多的能流在A和B中流动，要使得从孔经过的能量流是宽频的，则要加强从A到C，B到C的流.加强B到C的流要求更多电子聚集到C区域，当入射光波长较大时，SPPs波长增加，这点自然满足.由于金属部分的阻抗小于孔附近的阻抗，从A到C的能流不足.要使得能流尽量多的从小孔中流过，那么就要增加A部分的阻抗.可以通过改变电阻、电感、电容3个方面来增大阻抗.电阻依赖于材料、材料的尺寸、材料的形状；电感依赖于材料的形状、材料的尺寸；电容依赖于电容极板的面积、极板间的距离、极板间填充的材料.

图5 系统的功能分析及流分析

通过以上分析，我们设计了图6所示结构，应用二氧化硅填充的缝隙增加A部分阻抗，使得较多的宽频能流从孔部分透过.图7是该结构的透射光谱.当只有孔时，透射峰是窄带的（黑线）.应用二氧化硅填充的缝隙增加A区域阻抗后，出现了宽频的透射光谱（红线），实现了预先的构想.

图6 SiO2填充缝隙的金属孔洞结构

图7 金属孔洞结构的透射光谱

4 结论

本文不仅应用TRIZ方法中组合原理设计了波导结构，以获得更小模式面积，而且对金属孔洞结构进行了功能分析和流分析，并给出了多种可能的实现宽频透射的解决方案.这些结果说明将TRIZ方法引入到某些科学研究领域中，能够帮助研究者更加快速、准确地找到问题本质及产生解决方案，从而加快创新过程，提升创新效率.

1 赵敏，史晓凌，段海波.TRIZ入门及实践.北京：科学出版社，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，FoteinopoulouS，BrenerI.Nonresonant broadbandfunnelingoflightviaultrasubwavelength channels.Physicalreviewletters，2011，107（16）：163902.

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