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本文通过朗之万动力学模拟研究了具有非互易相互作用的布朗粒子对不对称齿轮的驱动. 结果表明, 即便在没有自推进活性的情况下, 非互易相互作用所产生的净力仍可作为一种有效的非平衡驱动力, 驱动不对称齿轮发生可控的定向旋转. 该系统展现出丰富的非平衡动力学行为: 齿轮的旋转方向不仅受其自身结构不对称性调控, 还可通过改变粒子的填充分数实现反转. 此外, 齿轮的角速度随粒子非互易强度的增强而增大, 并随温度及粒子填充分数呈现非单调变化关系, 在一定参数区间内存在使齿轮角速度达到最大的最优条件. 这些发现为微纳尺度下的定向输运与控制提供了新思路.
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弛豫铁电体钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3, NBT)具有优异的铁电性能, 被广泛认为是极具应用前景的无铅铁电材料. 深入阐明其在高压下的结构演化规律与相变机理, 对于推动这类环境友好型铁电材料的应用至关重要. 本研究结合原位高压中子衍射实验与第一性原理计算, 研究了NBT在高压下的结构演化规律. 高压中子衍射实验结果表明, NBT的常压相R3c相和高压相Pnma相的共存压力区间为1.1—4.6 GPa, 其体积模量分别为89.3 GPa和108.6 GPa. 通过分析压力诱导的微观结构演变, 本研究阐明了NBT高压相与常压相在微观结构特征上的差异及对体积模量的影响, 建立了高压下NBT的微观结构响应与宏观物理性能的内在联系. 获得的相关结论为无铅压电材料的高压性能调控提供了重要的实验依据与参考.
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构建范德瓦耳斯异质结是丰富二维材料物性并增强其光电等性能的有效策略. 本文基于第一性原理模拟, 系统地研究了两种不同界面结构的Janus MoSSe/g-C3N4异质结(即SMoSe/g-C3N4和SeMoS/g-C3N4)的电子性质及其双轴应变调控规律. 结果表明, 针对SMoSe/g-C3N4异质结构, MoSSe本征偶极场与界面电场方向一致, 相互叠加形成由g-C3N4指向MoSSe的增强电场, 体系呈现I型能带排列特征; 而在SeMoS/g-C3N4异质结构中, 两者方向相反, 部分相互抵消后形成由MoSSe指向g-C3N4的净电场, 呈现II型能带排列特征, 可促进载流子的分离从而有效提升其光催化分解水活性. 进一步研究发现, 施加双轴应变可有效地调节两种异质结构的电子能带, 尤其在SeMoS/g-C3N4中可实现I型与II型能带结构的可逆转变. 本研究为Janus MoSSe/g-C3N4异质结在光催化与光电器件领域的应用提供了理论依据.
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针对高速电子器件与光电器件的发展需求, 探索并设计具有优异载流子输运特性的二维半导体材料已成为该领域的核心科学问题. 本文基于密度泛函理论, 采用第一性原理计算系统地探究了面内应力对单层FeGa2S4材料输运性质及光学性质的调控规律. 结果表明, FeGa2S4易于剥离, 其单层结构具有较好的动力学、热力学稳定性和面内各向同性的机械性能, 较低的杨氏模量使其在外部应力下易于形变. 与母相块材相似, 单层FeGa2S4也是一种间接带隙半导体(能隙为1.65 eV), 在单轴应力(应变范围±5%)调控下, 空穴迁移率基本保持不变(约103 cm2·V−1·s–1), 电子迁移率(+5%应变)则提升超过一个数量级. 双轴拉伸应力则能够有效提升材料在可见光范围内的光捕获能力. 研究结果表明单层FeGa2S4在高速电子和柔性光电器件领域具有较大的应用前景.
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为应对未来多变电磁环境对高频宽带信号处理的需求, 突破传统电子器件的带宽限制, 本文提出了一种基于硅基光电子集成平台的可重构微波光子信道化接收芯片. 该芯片采用双级光学处理架构, 前端级联马赫-曾德尔干涉型波分复用器实现粗粒度光谱划分, 规避自由光谱范围严格对齐的复杂性; 核心集成耦合谐振器光波导滤波器阵列作为可调谐带通滤波器, 通过热调耦合系数动态重构带宽(2.25—3.12 GHz), 其20 dB/3 dB形状因子达3.08, 显著提升滚降特性. 仿真验证表明: 该系统支持8—28 GHz或8—36 GHz射频信号的信道化处理, 分割为8个中频子带(1.4—3.6 GHz或2—5 GHz), 聚合带宽覆盖X—K波段; 并通过5 GHz带宽线性调频信号的接收和重构实验证实其宽带信号实时处理能力. 该芯片的高集成度设计与带宽动态重构功能, 为微波光子雷达、多频段射频系统等应用提供了软件定义解决方案, 推动超宽带信号处理向多功能、低功耗方向发展.
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神经形态计算的硬件实现, 正从传统架构转向对生物神经元内在物理机制的更精细模拟. 聚焦于电场-磁场能量交换这一核心过程, 本文提出一种基于荷控忆阻器的无电容嵌入式神经元电路设计方法. 通过构建无量纲动力学方程并采用雅可比矩阵特征值分析, 验证了该模型的稳定性特征. 研究结果表明, 该模型不仅可通过外界刺激、反转电位及离子通道导通性等参数灵活调控神经元放电模式, 还展现出良好的噪声鲁棒性与能量效率. 进一步通过电阻参数优化策略, 使电路能耗得到显著控制. 本文可为发展高集成度、低能耗的下一代神经形态计算电路提供理论支撑与设计参考.
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太阳辐射层与对流层边界区域($ T\thicksim180$ eV, $ n_e\thicksim9\times10^{22}\;{\rm{cm}}^{-3}$)是太阳内部能量传输方式从辐射主导向对流主导转变的关键界面, 也是研究高温稠密等离子体物理的天然实验室. 这一区域的物理特性决定了恒星演化模型的可靠性与能量传输机制的稳定性, 特别是高温稠密等离子体中强烈的碰撞电离会改变电子数密度分布, 进而影响能量的输运过程. 本文发展了一种耦合等离子体环境效应来计算原子结构的新方法: 通过将计算原子结构的Flexible Atomic Code(FAC)与超网链(Hypernetted-chain, HNC)近似相结合, 在原子波函数计算中引入电子-电子、电子-离子关联函数来考虑等离子体中屏蔽效应, 系统研究了极端条件下电子碰撞电离的物理机制. 基于扭曲波近似的计算表明, 考虑等离子体环境效应时, 碳、氮和氧元素的电子碰撞电离截面较自由原子模型显著增强, 同时电离阈值出现明显下降的现象. 研究发现这种增强效应主要源于离子间强耦合导致的原子势场重叠和自由电子屏蔽引起的束缚态能级移动. 本研究直接将离子结构引入电子结构计算的哈密顿量中, 所获得的电离参数可直接用于改进太阳内部辐射输运模型, 为惯性约束聚变等极端条件等离子体研究提供理论支持.
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有效的气体-表面相互作用参数对准确预测气体在稀薄环境中的流动特性至关重要. 然而微观分子碰撞模型中不同分子动力学模拟方法得到的适应系数差异很大. 为了准确描述非平衡环境中分子碰撞与动量、能量适应的关系, 本文采用分子动力学模拟研究了氩与铂表面的相互作用. 通过单个散射(SS)和连续散射(CS)方法系统地讨论了气-气碰撞对适应系数的影响. 比较了两种方法在不同表面形态、表面温度、入射气体分子速度等影响因素下的气体-表面相互作用特性. 得到了适应系数对表面温度、入射速度等参数的依赖关系. 通过分析两种模拟方法的差异, 揭示了多参数入射条件下适应系数变化的物理机制, 为建立更精准的气体-表面相互作用模型提供了重要基础和依据.
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基于量子存储辅助的测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)协议原理上能有效提升量子密钥分发系统的传输距离和密钥率, 但现有三强度诱骗态方案受有限长效应影响严重, 仍存在密钥率低、安全传输距离受限等问题. 针对以上问题, 本文提出了一种基于双参数扫描的量子存储辅助MDI-QKD协议, 一方面, 通过使用四强度诱骗态方法降低有限长效应的影响; 另一方面, 结合集体约束模型与双参数扫描算法来优化有限样本下的单光子计数率和相位误码率的估算精度, 从而有效提升系统的整体性能. 同时, 本文开展了相关数值仿真计算, 仿真结果显示, 本方案与现有其他同类MDI-QKD方案, 比如基于存储辅助的三强度诱骗态方案以及不使用存储的四强度诱骗态方案相比, 在相同的实验条件下, 分别提升了超过30 km和100 km的安全传输距离. 因此, 本文工作将为未来发展远距离量子通信网络提供重要的参考价值.
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超导量子处理器芯片的制造工艺面临特殊的金属污染挑战, 其材料体系和工艺特性与传统半导体芯片存在显著差异. 本研究系统分析了量子芯片中金属污染的来源、扩散机制及防控策略, 重点探讨了超导材料(如Ta, Nb, Al, TiN等)在蓝宝石和硅衬底上的体扩散与表面迁移行为. 研究发现, 蓝宝石衬底因其致密晶格结构表现出优异的抗扩散性能, 而硅衬底需重点关注Au, In, Sn等易迁移金属的污染风险. 通过实验验证, Ti/Au结构的凸点下金属化层在硅衬底上易发生Au穿透扩散, 且增加Ti层厚度无法显著改善阻挡效果. 量子芯片的低温工艺(<250 ℃)和超低温工作环境(mK级)有效抑制了金属扩散, 但暴露的金属表面和材料多样性仍带来独特挑战. 研究建议建立量子芯片专属的金属污染防控体系, 并提出了后续在新型材料评估、表面态调控及长期可靠性研究等方向的发展路径. 本文为超导量子芯片的工艺优化和性能提升提供了重要理论支撑和技术指导.
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应变率、温度和应变量是影响镍基高温合金微结构演化的重要因素.本文采用分离式霍普金森压杆冲击实验研究了GH4738镍基高温合金在温度为RT~500℃、应变率为1000~7500 s-1条件下的压缩力学特性.利用中子衍射技术对应变率为3000 s-1、冻结应变为-0.02,-0.05,-0.10,-0.20和-0.25的平行试样进行晶胞参数和点阵应变测试.随冻结应变增加,水平方向的γ-γ'晶格错配度为正值且呈增大趋势,而垂直方向的γ-γ'晶格错配度由正值转为负值;γ'相的弹性点阵应变一致增大,而γ相的弹性点阵应变几乎不变.{111}和{220}晶面的点阵应变在RT下为正值,400℃和500℃下为负值,{200}晶面的点阵应变在RT~500℃均出现正负交替演化,而{311}晶面的点阵应变在RT~500℃下均为负值,但在冻结应变为-0.25时RT和500℃下{311}晶面的点阵应变出现明显回弹.结合透射电镜缺陷表征发现,晶格错配度和晶格应变在位错剪切γ'相时增幅较小,而在位错绕过或塞积于γ'相时则增幅较大,且大变形量下与残余应力相关的弹性点阵应变随位错持续增殖而部分释放.
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采用高性能银包铜浆料进行金属化电极制备是晶硅异质结（SHJ：Silicon Heterojunction）太阳电池降本增效的有效手段，但受限于银包铜粉的粒径通常在较大的微米量级，银包铜浆料性能仍有待改善。本文通过将纳米银粉引入银包铜浆料中，利用其优异的低温烧结活性来提升浆料的导电性能，并系统地分析了纳米银粉对浆料特性及电池性能的影响机理。研究发现，纳米银粉在浆料固化中因其更强的收缩效应，产生了对大粒径银包铜粉间隙改善的有利影响，降低了浆料体电阻率；但也同时在粉体和SHJ电池接触界面产生了新的孔隙，增大了浆料接触电阻率，由此还导致界面处的有机层相对较厚，降低了SHJ电池的开路电压。纳米银粉可以增强浆料的触变性，使得印刷电极的宽度减小，降低了遮光面积，从而增大了短路电流密度；印刷电极的高度增高，电极横截面积增大，提高了填充因子。最终，在银包铜浆料中纳米银粉添加量为15%时，所得电池转换效率与纯银电极相当，验证了银包铜浆料在降低HJT电池成本方面具备重要潜力。
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具有复杂角向和径向空间偏振纹理的斯托克斯矢量斯格明子被视为拓展光通信信息维度与容量的理想载体。然而，在太赫兹（THz）频段，其可控生成与稳定传输仍缺乏高效方案。本文提出一种多层超表面结构，借助微电机(MEMS)驱动调节相邻层之间的相对旋转角度，实现不同径向阶数斯格明子的生成，例如双层超表面可以产生三种不同径向阶数的斯格明子，显著突破了传统依赖相变材料的局限性。同时，本文提出一种基于扭转可调双层莫尔超表面设计，通过旋转角度实现对斯格明子径向阶数的连续动态调控。几何相位与动态相位的协同设计不仅锁定了拓扑不变量，还确保了光束在自由空间中的远程传播稳定性。进一步地，本文验证了多层结构可在无需外部环境调控的前提下灵活生成多类斯格明子拓扑光场，尤其在不同斯格明子数与径向缠绕数之间展现出良好的正交性，为实现多维度光场调控及远距离THz光通信系统提供了高度集成、高自由度的技术路径。
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本文采用相场-格子玻尔兹曼耦合模型，研究了强制对流作用下Al-Cu合金层片状共晶生长行为。结果表明，外部引入的强制对流显著改变了共晶生长形态，使片层生长方向发生倾斜，且倾斜方向与流速方向一致。熔体流动增大了溶质扩散速度，溶质浓度偏离固相中心线，不再关于固相中心线对称分布。随着对流强度增大，界面不对称性加剧。此外，过冷度增强会增大生长驱动力，减弱对流效应，使片层倾斜角度减小，同时，片层宽度增大，也会减弱对流效应，使片层倾斜角度减小。该研究揭示了强制对流与热物性参数共同作用下层片状共晶生长的协同调控机制。
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