Vol. 64, No. 1 (2015)
2015年01月05日
总论
2015, 64 (1): 010303.
doi: 10.7498/aps.64.010303
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在振幅阻尼信道上进行量子隐形传态的过程中, 量子Bell纠缠态将发生退相干, 导致隐形传态质量下降甚至通信失败. 为克服该影响, 本文提出了一种Bell纠缠态补偿方法. 在估计振幅阻尼信道参数的基础上, 将对纠缠态的补偿分为纠缠退相干发生之前的预补偿以及 经历量子振幅阻尼信道之后的匹配补偿两部分. 前者在纠缠源处进行, 后者在两个量子通信 用户处进行, 预补偿及匹配补偿参数与信道特性参数相关. 纠缠补偿完成后, 再进行隐形传态. 理论推导与性能分析结果表明, 相比于不进行纠缠补偿及仅在发生退相干之后进行的纠缠补偿, 本方法能够获得更高的隐形传态保真度, 适当调整补偿参数, 可使保真度接近于1, 对克服纠缠 退相干带来的隐形传态质量下降问题具有一定的意义.
2015, 64 (1): 010302.
doi: 10.7498/aps.64.010302
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研究了三个二能级原子与共同热库发生相互作用的系统纠缠动力学演化. 采用三体负本征值来描述系统间纠缠, 通过数值计算分析了初始状态和原子间偶极-偶极相互作用对系统间纠缠演化的影响. 结果表明, 初始状态的原子相位可以控制量子干涉现象; 长时间演化下原子的激发态布居出现俘获现象; 通过调节偶极-偶极相互作用强度, 可以提升三原子间纠缠.
2015, 64 (1): 010701.
doi: 10.7498/aps.64.010701
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本文基于等效电路法, 提出一种通过BLT方程计算带孔缝箱体屏蔽效能的方法, 可以快速准确计算任意入射、极化平面波照射箱体以及任意位置开孔和双面开孔箱体的屏蔽效能. 根据等效电路法求解出孔缝散射矩阵, 依据信号流图建立传播关系和散射关系方程, 并推导出包含孔缝耦合效应的广义BLT方程. 将BLT方程计算结果与等效电路法计算结果以及CST仿真做对比, 验证了方法的正确性. 与等效电路法相比, 在同一孔阻抗下, 孔缝散射矩阵包含箱体内外能量之间的相互耦合作用, 本方法计算结果精度更高, 能预测更多箱体谐振模式; 与CST仿真相比, 本方法占用时间和资源少, 可以对箱体参数进行规律性研究.
2015, 64 (1): 010201.
doi: 10.7498/aps.64.010201
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研究了在数学、力学中广泛出现的一类非线性强阻尼广义sine-Gordon扰动微分方程问题. 首先, 引入行波变换, 求出退化方程的精确解. 再构造一个泛函, 创建了一个变分迭代算法, 最后, 求出原非线性强阻尼广义sine-Gordon扰动微分方程问题的近似行波解析解. 用变分迭代法可得到的各次近似解, 具有便于求解、精度高等特点. 求得的近似解析解弥补了单纯用数值方法的模拟解的不足.
2015, 64 (1): 010301.
doi: 10.7498/aps.64.010301
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量子行走是一种典型的量子计算模型, 近年来开始受到量子计算理论研究者们的广泛关注. 本文首先证明了在星图上硬币量子行走与散射量子行走的酉等价关系, 之后提出了一个在星图上的散射量子行走搜索算法. 该算法的时间复杂度与Grover算法相同, 但是当搜索的目标数目多于总数的1/3时搜索成功概率大于Grover算法.
2015, 64 (1): 010502.
doi: 10.7498/aps.64.010502
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针对连续时间混沌(超混沌)系统的控制问题, 提出了一种基于扩张状态观测器的快速全线性广义预测控制算法. 利用线性扩张状态观测器估计和补偿混沌(超混沌)系统的非线性动力学和存在的不确定性, 将原始对象近似转化为积分器形式, 随后针对单积分器设计广义预测控制, 解决了预测控制计算量大的问题. 阶跃系数矩阵可以直接得到解析解, 而对于未来输出的预测则可以根据最近两个时刻的输出采样值直接计算得到, 避免了使用自校正算法和在线求解丢番图方程. 该线性算法可以直接应用于非线性对象的控制系统设计. 将该算法应用于典型Lorenz混沌系统的控制中, 数学仿真结果验证了有效性.
2015, 64 (1): 010501.
doi: 10.7498/aps.64.010501
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根据BIFRED变换器四种不同的工作模式, 建立了脉冲序列(PT)控制双断续导电模式(DCM-DCM) BIFRED变换器的分段光滑线性时变模型, 数值仿真得到了负载不同时的时域波形和相轨图. 通过分析在一个开关周期内输出电容的电荷变化量, 导出了PT控制DCM-DCM BIFRED变换器的一维近似离散映射模型, 研究了随负载电阻和输入电压变化的多周期行为, 并进行了稳定性分析和负载取阻范围估算. 研究发现, 一维近似离散映射模型刻画的动力学行为与分段光滑线性时变模型描述的完全一致, 均较好地揭示了PT控制DCM-DCM BIFRED变换器所存在的复杂多周期行为. PSIM电路仿真和物理电路实验测量获得了与理论分析结果所一致的波形, 有效验证了两种动力学模型的正确性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2015, 64 (1): 014701.
doi: 10.7498/aps.64.014701
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本文对非平整壁面上的液膜表面波演化过程进行了研究. 针对非平整壁面随时间变化的特性, 采用小参数摄动法对控制方程和边界条件进行求解, 推导出波动壁面上液膜表面波的扰动方程, 采用导数展开法对其进行求解, 并选取简谐波形状的壁面进行数值研究. 对波动壁面下不同参数的影响规律研究可得, 当壁面频率较小时, 静态波与行进波的波长比较相近, 促进表面波之间的合并, 且壁面频率、壁面振幅及Re数的增加, 均会使表面波的振幅明显增大; 对比波动壁面与非平整壁面可得, 在相同位置处, 随着时间的演化, 非平整壁面上表面波呈周期变化, 而波动壁面上表面波呈波长更大的近周期变化; 壁面振幅和壁面频率的降低, 均会使两种壁面结构下的表面波振幅减小, 但所形成的表面波形有所不同, 即波动壁面引起的表面波可看作波动壁面结构与非平整壁面引起的表面波叠加而成.
2015, 64 (1): 014205.
doi: 10.7498/aps.64.014205
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本文针对长期稳定的目标跟踪中的目标形变、尺度缩放、旋转等问题, 提出一种步步为营的反馈式学习方法, 该方法通过正、负约束实现对于目标模型和分类器的判别能力和容错能力提高的同时, 使更新带来的误差尽量小, 并证明了其收敛性. 通过实验表明, 对于同一种跟踪算法使用本文提出的目标更新方法进行更新学习的比不更新学习的跟踪效果要稳定得多, 对于目标的尺度变化、形变、旋转、视角变化、模糊等都有较好的适应性, 并通过与现有的较流行的方法进行比较, 本文方法鲁棒性较好, 有很高的研究和应用价值.
2015, 64 (1): 014201.
doi: 10.7498/aps.64.014201
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首次对无衍射Mathieu光束的自重建特性进行理论和实验研究, 利用Mathieu-Hankel波理论分析了Mathieu光束的自重建机理. 基于菲涅尔衍射积分理论, 推导出了高斯吸收型圆形障碍物部分遮挡后的Mathieu光场重建后的解析表达式, 并数值模拟了无衍射Mathieu光束的经圆形障碍物部分遮挡后光场的自重建过程. 采用柱透镜-轴棱锥组合光学系统产生近似零阶无衍射Mathieu光束, 实验分别验证了轴上和轴外障碍物遮挡时近似零阶无衍射Mathieu光束的自重建特性. 理论模拟与实验结果相符.
2015, 64 (1): 014202.
doi: 10.7498/aps.64.014202
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鬼成像方案实现所需设备、成像的质量以及成像所花的时间是决定鬼成像技术可实用化的重要因素. 本文提出一种针对多散斑图的差分压缩鬼成像方案. 该方案通过连续探测多个独立的散斑图, 降低了热光鬼成像方案对探测器高时间分辨力的要求; 通过采用差分方法, 抑制了背景噪声和其他噪声源的干扰; 通过使用压缩感知重建算法, 有效地降低了鬼成像所需时间并同时提升成像的质量. 数值仿真结果表明, 对于二灰度“N” 图, 本方案在8000次的采样情形下与多散斑图鬼成像方案35000次采样的结果相比, 均方误差降低了96.9%、峰值信噪比提升15.1 dB. 对于八灰度“Pepper”图, 本方案与多散斑图鬼成像方案相比, PSNR提升11.4 dB. 本方案可降低探测设备的要求、提高成像质量、降低重建时间, 具有广阔的应用前景.
2015, 64 (1): 014203.
doi: 10.7498/aps.64.014203
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为减少热透镜效应的影响, 获得高光束质量的激光, 本文利用激光二极管阵列双端直接抽运Nd:YVO4, 采用负支共焦折叠混合腔结构, 获得最高功率为416 W 1064 nm的激光输出, 光–光转换效率为54.3%, 斜效率为61.6%. 在输出功率为370 W时, 光束质量因子M2在非稳腔和稳腔方向上分别为3.9和4.7.
2015, 64 (1): 014204.
doi: 10.7498/aps.64.014204
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理论和实验研究了扩散和光伏机理下LiNbO3晶体界面非线性表面波的传播. 改变传播常数可以得到不同振荡周期的表面波模, 光波的能量随传播常数的递增而单调地递增.本文的实验结果与理论分析能很好地符合. 实验结果还表明, 增加入射光功率可缩短表面波的产生, 增大入射光束与晶体正c轴的夹角(小于90°)可提高表面波的激发效率.
2015, 64 (1): 014703.
doi: 10.7498/aps.64.014703
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在Ma = 3.0的超声速风洞中, 采用NPLS技术对上游边界层为层流的25° 压缩拐角进行了流动显示实验, 获得了压缩拐角的精细流动结构, 边界层、剪切层和激波等结构清晰可见. 基于流动显示数据, 采用间歇性、空间相关性和分形分析对流动结构进行了定量研究, 计算了边界层和分离区的间歇因子分布, 获取了边界层中拟序结构和结构角的大小, 给出了边界层分形维数的分布, 并与Ringuette和Bookey等的实验结果进行比较, 阐述了压缩拐角流动结构的定量特征.
2015, 64 (1): 014301.
doi: 10.7498/aps.64.014301
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微波热声成像技术具有非侵入式、高对比度、高分辨率和低成本等优点而日益受到重视, 基于以上特点该技术有望发展成为早期乳腺癌常规或者辅助筛查手段. 本文基于脉冲微波热声成像系统, 利用软件仿真和对装有饱和盐水的塑料管阵列进行三维热声成像, 对脉冲微波辐射场的空间分布进行了理论和实验研究, 其中: 塑料管阵列为直径3 mm, 间隔8 mm的99方形结构. 仿真和实验结果表明距离天线越远脉冲能量覆盖范围越大, 能被有效成像的塑料管数目越多; 塑料管阵列的热声成像结果为3.1 mm直径, 7.7 mm间距. 本文验证了微波热声成像技术对脉冲微波辐射场空间分布的成像能力, 对解决定量热声成像技术中微波场能量分布不均匀问题的研究具有重要意义.
2015, 64 (1): 014702.
doi: 10.7498/aps.64.014702
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针对含非溶性活性剂液滴在倾斜粗糙壁面上的铺展过程, 应用润滑理论推导出基态和扰动态下液膜厚度和活性剂浓度的演化方程组, 基于非模态理论研究了液滴铺展的稳定性特征, 探讨了相关参数的影响及其内在机理. 研究表明: 液膜厚度和活性剂浓度扰动量均呈现双驼峰型变化, 且峰值位于液滴底部凹陷处; 随扰动波数k增加, 最易失稳区域由液滴底部右侧凹陷处移至左侧凹陷, 壁面结构的影响逐渐减弱, 液滴铺展历程趋于稳定; 增加壁面倾角θ 将导致液滴铺展不稳定性加剧, 增大壁面高度D和壁面波数k0均导致液滴铺展稳定性先增强后减弱; 随毛细数C减小, 液滴铺展稳定性下降, 重力的影响逐渐突显, 扰动量最大值呈现先增大后减小的变化趋势.
2015, 64 (1): 014704.
doi: 10.7498/aps.64.014704
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本文在高超声速脉冲式风洞内对基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-based planar laser scattering, NPLS)的应用进行了探索, 并在此基础上对平板边界层流动结构的精细测量进行了研究. 试验来流Ma=7.3, 总压4.8 MPa, 总温680 K. 通过时序的分析和调试, 对各分系统实现了高精度的同步控制; 定量的粒子注入及混合, 实现了粒子的均匀撒播, 对主流获得了均匀的显示效果; 对于边界层流动, 获得了精细的瞬态流动结构图像, 显示了层流到湍流的转捩过程, 并分析了其时空演化特性.
2015, 64 (1): 014206.
doi: 10.7498/aps.64.014206
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本文研究了磁单负材料板附近的两能级原子通过自发辐射激发的表面模式及场强分布. 磁单负材料是有效介电常数大于零而磁导率小于零的人工微结构材料. 根据麦克斯韦方程及边界条件, 这种材料板只支持TE极化的表面模式. 本文分析了具有不同磁导率和厚度的磁单负材料板所支持的表面模的性质, 如模式数目和模式的对称性, 进而讨论了这些特性对原子自发辐射场的空间分布的影响. 结果表明原子与磁单负材料板的距离可影响辐射场中表面模的比重, 当表面模起主要贡献时, 在材料板左表面上原子辐射场呈定向发射的分布. 而材料板右表面的辐射场分布取决于表面模的对称性和比重, 如果同时存在对称和反对称的表面模, 右表面的场很弱甚至完全消失, 而如果只存在对称或反对称的表面模, 右表面会有与左表面等强度的辐射场分布. 这些性质与原子在金属表面的辐射场分布明显不同, 我们的结果对原子辐射场的空间控制以及实现简单结构的单光子源有积极意义.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2015, 64 (1): 016801.
doi: 10.7498/aps.64.016801
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本文利用原子力显微镜原位研究Mn79.5Fe15.6Cu4.9反铁磁高温形状记忆合金在升降温过程中与马氏体相变相关的表面起伏特征, 同时采用X射线衍射、动态热机械分析等实验检测手段辅助分析其微观组织结构演化, 从纳米尺度分析面心立方–面心四方结构相变及表面浮突产生的物理机理. 实验结果表明: 在升降温过程中观察到帐篷型表面浮突, 由面心立方–面心四方马氏体逆相变产生的, 即母相浮突, 这与通常观测到的马氏体浮突不同; 实验证实面心立方–面心四方马氏体逆相变具有切变特征, 马氏体孪晶的逆向切变是产生帐篷型表面浮突的主要机理; 测得逆孪晶切变的浮突角小于1°, 远小于传统形状记忆合金的表面浮突角值, 这是由于面心立方母相与面心四方马氏体相结构差异较小造成的; 表面浮突随温度变化具有极好的可逆性, 这是马氏体相变晶体学可逆性决定的, 表明该合金具有优良的表面形貌记忆效应.
2015, 64 (1): 016101.
doi: 10.7498/aps.64.016101
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采用激光染料DCM、向列相液晶TEB30A、手性剂S-811、聚乙烯醇(PVA), 通过微胶囊法制备了聚合物分散胆甾相液晶薄膜, 测量激光辐射谱, 研究了其激光辐射机理和温度调谐特性. 利用正交偏光显微镜观察器件织构, 看到液晶微滴分散均匀, 尺寸较大, 约为80 μm, 并且微滴中液晶分子呈现平面态排列织构. 以532 nm的Nd:YAG固体激光器作为抽运源, 测得在634.5 nm和680.2 nm波长处出现了尖锐的激光辐射峰, 线宽分别约为0.25 nm, 0.29 nm. 并与染料掺杂胆甾相液晶激光器件进行比较. 升高器件温度, 其输出激光波长蓝移, 获得666.7 nm至643.9 nm共22.8 nm的调谐范围. 由实验结果分析得出, 激光辐射机理为光子禁带末端激光, 出射波长分别对应光子禁带的两个边沿.
2015, 64 (1): 016802.
doi: 10.7498/aps.64.016802
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为了说明钡助剂的存在形式, 本文采用第一性原理方法研究了BaxOy小团簇修饰Ru(0001)表面的结构稳定性和氮分子吸附性质. 基于总能的热力学分析发现, 在实验条件下(500 K, PH2O/PH2-3), Ba2O团簇比BaO2, BaO, Ba和O等团簇(原子)更加稳定. 这证实含有金属性钡原子的团簇也是氧化钡助剂可能的工作状态. 表面电荷差分密度说明Ba2O团簇的氧和钡原子与衬底的作用不同. 不过Ba2O团簇氧和钡原子附近的氮分子吸附行为相似, Ba2O团簇增强了氮分子和衬底的相互作用. Ba2O团簇氧和钡原子附近的氮分子吸附能分别为0.78 和0.88 eV, 均大于清洁表面的0.67 eV. 氮分子间距和氮分子的拉伸振动频率都表明Ba2O团簇在一定程度上活化了吸附氮分子. Ba2O团簇氧和钡原子附近的N–N键长分别为0.117和0.116 nm, 大于清洁表面的0.114 nm. 氧和钡原子附近氮分子的拉伸振动频率分别为 1888 和1985 cm-1, 小于清洁表面的2193 cm-1. 电荷差分密度的计算结果说明, 削弱作用主要来自于Ba2O团簇中钡离子和氮分子间的静电作用. 两者间的静电作用增加了氮分子π 反键轨道的占据数, 促进了氮分子极化, 从而削弱氮分子键.
2015, 64 (1): 016804.
doi: 10.7498/aps.64.016804
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本文利用分子动力学的方法和模拟退火技术从原子尺度分析研究了Si (100), Si (111)和Si (211)表面单原子层石墨烯的褶皱形貌及其演化特点. 研究表明, 分别置于Si晶体的三种不同原子表面的石墨烯都展现出原子尺度的褶皱形貌. 石墨烯与Si晶体表面原子的晶格失配是引起石墨烯褶皱的主要原因. 研究发现, Si晶体表面石墨烯的褶皱形貌强烈的依赖于退火温度. 石墨烯的褶皱形貌还将直接影响其在Si晶体表面的吸附稳定性. 这些研究结果有助于人们认识基于Si晶体衬底的石墨烯的结构形貌及其稳定性, 为石墨烯的进一步应用提供理论参考.
2015, 64 (1): 016202.
doi: 10.7498/aps.64.016202
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采用分子动力学方法结合对关联函数分析计算了0–1000 K范围内氦的固–液相变曲线, 与实验数据的对比显示, 在0–500 K之间与实验数据符合很好, 500 K以上还没有相应的实验数据. 另外, 计算了钛金属中不同尺寸氦泡的压强, 并与高密度氦的固–液相变曲线进行了对比. 结果显示, 在低温条件下, 随着温度的降低, 钛晶体中可能会出现固态氦泡; 在300 K以上不会存在固态氦泡.
2015, 64 (1): 016401.
doi: 10.7498/aps.64.016401
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对合金沉淀颗粒劈裂过程的模拟发现晶核长大过程中由结构和温度变化引起的体积变化的同时也发生弹性能坍塌现象. 弹性能坍塌方式可以是瞬间坍塌方式也可以是渐进坍塌方式, 计算结果表明: 沉淀是否发生劈裂与弹性能坍塌时刻有关, 而沉淀发生何种劈裂与弹性能坍塌的速率有关. 对弹性能坍塌速率较快的瞬间坍塌, 沉淀是否发生劈裂只决定于弹性能坍塌的时刻, 在沉淀晶核长大到直径为80l到90l之间大小时引入瞬间弹性能坍塌, 则沉淀发生4块型劈裂. 对弹性能坍塌速率较慢的渐进坍塌, 在引入时刻大于τ= 7.5× 103 s的情况下, 沉淀发生且只发生两块型劈裂.
2015, 64 (1): 016402.
doi: 10.7498/aps.64.016402
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通过键移动重整化群的方法, 分析了Sierpinski 地毯上S4模型的临界行为, 得到了系统的临界点. 由得到的结果可知, 本系统不仅有一个高斯不动点, 而且还存在着一个Wilson Fisher不动点, 把它与Sierpinski 地毯上的高斯模型相互对比, 发现本系统的临界点变化很大. 这说明这两个系统隶属于两个不同的普适类.
2015, 64 (1): 016803.
doi: 10.7498/aps.64.016803
摘要 +
本文应用分子动力学(MD)技术和改进分析型嵌入原子模型(MAEAM)研究B2-NiAl纳米薄膜有关弹性性能的尺寸效应和表面效应. 首先计算块体B2-NiAl合金的弹性性能和该类薄膜的厚度尺寸对其表面能的影响, 发现块体B2-NiAl薄膜的弹性性能与已有的实验和理论计算结果接近, 而薄膜表面能仅与表面原子组分有关, 基本不受其厚度尺寸的影响. 在此基础上, 重点研究了纳米薄膜的弹性性能随其厚度尺寸变化关系, 发现所有纳米薄膜弹性性能都随其尺寸增加而呈指数变化, 并受表面原子组分调控. 并进一步分析尺寸影响纳米薄膜弹性性能的内在机理, 发现纳米薄膜的晶面间距偏离和表面是影响其弹性性能随尺寸变化的主要因素, 并与以前实验和理论研究结果相符合.
2015, 64 (1): 016201.
doi: 10.7498/aps.64.016201
摘要 +
采用分子动力学模拟方法, 研究了层厚度和应变率对铜-金多层复合纳米线在均匀拉伸载荷下力学性能的影响, 并分析了铜-金位错成核机理. 研究结果表明, 随着铜-金层厚度的增加, 复合材料的屈服强度也随之增大; 高应变率时复合材料的力学性能比低应变率时要强, 低应变率的塑性形变主要是位错运动和孪晶形变, 而高应变率主要以单原子运动为主, 表现出了非晶化. 该研究对制备高性能的多层复合材料提供了一定的理论依据.
2015, 64 (1): 016102.
doi: 10.7498/aps.64.016102
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本文以钼酸钠、硫代乙酰胺为前驱体, 硅钨酸为添加剂, 成功用水热法合成高纯度纳米花状二硫化钼. 产物特性用X射线衍射(XRD)、能量色散谱(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)进行表征. XRD和EDS图显示实验产物为二硫化钼, 且其结晶度和层状堆垛良好. SEM图谱则表明二硫化钼为纳米花状结构, 颗粒直径300 nm左右, 由几十上百片花瓣组成, 每片花瓣厚度十个纳米左右. 通过以硅钨酸为变量的梯度实验, 研究发现, 硅钨酸对于纳米花状MoS2的形成具有重要作用, 不添加硅钨酸, 无法形成纳米花状MoS2, 此外, 硅钨酸的剂量会影响合成MoS2的大小和形貌. 本文还对纳米花状二硫化钼的形成机理做了初步的讨论.
2015, 64 (1): 016103.
doi: 10.7498/aps.64.016103
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采用磁控溅射法制备了不同Cu含量的Cu-Ge3Sb2Te5薄膜, 原位测试了薄膜电阻与温度的关系, 并利用X射线衍射仪、透射电镜、透过和拉曼光谱仪分别研究了 Cu-Ge3Sb2Te5薄膜的晶体结构、微结构、禁带宽度及成键情况. 结果表明, Cu-Ge3Sb2Te5薄膜的结晶温度和结晶活化能随着Cu含量的增加而增大, Cu的加入有效改善Ge3Sb2Te5薄膜的热稳定性和10年数据保持力. 随着Cu含量的增加, 非晶态Cu-Ge3Sb2Te5薄膜的禁带宽度逐渐减小. 同时, 拉曼峰从129 cm-1向127 cm-1处移动, 这是由于Cu–Te极性键振动增强的缘故. Cu-Ge3Sb2Te5结晶为均匀、相互嵌套的六方Cu2Te和Ge2Sb2Te5相.
原子和分子物理学
2015, 64 (1): 013601.
doi: 10.7498/aps.64.013601
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本文通过对高背压(50 bar, 1 bar = 1.0×105 Pa)氩气经长锥型喷嘴(长度L=30 mm)向真空绝热膨胀所形成的超声气体团簇喷流的数值模拟, 分析比较了由喷嘴喉口起沿喷流方向在喷流中心轴线上团簇平均尺寸的演化情况. 结果表明: 沿喷流方向团簇平均尺寸显示先增长后趋于饱和的变化趋势, 具有较大尺寸团簇的区域出现在距离喷嘴喉口大约20 mm. 据此本文再结合关于喷流中原子密度沿喷流方向变化的模拟结果开展了锥形喷嘴长度的优化研究. 针对由常见构型的锥形喷嘴(喉径～ 0.5 mm, 半张角～ 8.5°)在高背压下形成的团簇喷流, 20 mm左右的长度为锥形喷嘴的适宜长度.
2015, 64 (1): 013602.
doi: 10.7498/aps.64.013602
摘要 +
基于蒙特卡罗方法, 本文采用了紧束缚势和量子修正Sutton-Chen型多体势两种势能函数对具有不同比例、不同尺寸二十四面体Au-Pd合金纳米粒子的稳定结构、表面原子分布、核壳分布和化学短程序值进行了研究分析. 结果表明: 两种势函数得到的表面原子分布趋势一致, 即Au-Pd合金纳米粒子中的Au原子趋向于分布在纳米粒子的外层, 而Pd原子趋向于分布在纳米粒子的内层, 这有利于降低纳米粒子的总能; 在Au原子比例较小时, 两种势函数下得到的稳定结构均呈现出核壳分离的结构, 随着Au比例的增大, 紧束缚势函数下得到的纳米粒子稳定结构将趋向于洋葱状的多壳层的结构; 相比于紧束缚势, 量子修正Sutton-Chen型多体势作用下得到的Au-Pd纳米粒子的稳定结构偏聚程度更高.
2015, 64 (1): 013101.
doi: 10.7498/aps.64.013101
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基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了硅烯饱和吸附碱金属元素原子的稳定性、微观几何结构和电子性质, 并与纯硅烯及其饱和氢化结构进行了对比分析. 研究发现复合物SiX(X=Li, Na, K, Rb)的形成能都是负的, 相对于纯硅烯来说可以稳定存在. Bader电荷分析表明, 电荷从碱金属原子转移至硅原子. 从成键方式来看, 硅烯与氢原子形成共价键, 而与碱金属原子之间形成的键主要是离子性成键, 但还存在部分共价关联成分. 能带计算表明, 锂原子饱和吸附在硅烯形成的复合物SiLi是直接带隙的半导体, 带隙大小为0.34 eV. 其他碱金属饱和吸附在硅烯上形成的复合物都表现为金属性.
气体、等离子体和放电物理
2015, 64 (1): 015101.
doi: 10.7498/aps.64.015101
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结合NS-DBD实验数据和理论分析, 建立NS-DBD单区非均匀唯象学模型, 旨在通过合理的模型进行流动控制仿真, 揭示流动控制机理. 在平板无来流时, 运用单区非均匀唯象学模型, 通过引入涡量输运方程, 求解涡量方程各项, 分析展向涡形成机理. 展向涡主要是由压力升诱导激励区压力梯度和密度梯度的不正交性产生的, 其次是激励区附近流场的对流引起的涡量转移. 圆柱上的激励仿真得到与实验一致的压缩波结构和冲击波位置, 验证了模型合理性. NACA 0015翼型大迎角分离控制的仿真表明, 激励诱导展向涡促使主流和分离流相互作用, 使分离点移向下游; 脉冲激励频率通过诱导展向涡的数量对流动分离产生不同的作用效果, 本文最佳的无量纲激励频率为6.
2015, 64 (1): 015202.
doi: 10.7498/aps.64.015202
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为研制出满足惯性约束聚变(ICF)实验的氘氚(DT)冷冻靶, 需要控制DT结晶生长过程, 实现DT单晶生长, 由此减少影响冰层均匀化及聚变实验的晶体缺陷. 本文运用晶体生长形态动力学理论建立了密排六方晶体(hcp)单晶生长模型, 实验中通过对靶室进行± 3 mK精确控温, 采用可见光背光成像技术在线表征了低温下玻璃微球内氘(D2)的结晶生长过程, 结果表明: 在20–100 Pa低温氦气导热环境下, 通过缓慢降温可显著降低氘晶体生长过程中形成的缺陷; 当降温速率达到2 mK/min时, 观测到了氘燃料的两种单晶生长过程, 实验具有可重复性; 建立的hcp单晶生长理论模型与实验结果符合, 并与美国利弗莫尔国家实验室(LLNL)的DT单晶生长过程进行了对比, 提出了冷冻靶内D2/DT燃料的单晶生长方法.
2015, 64 (1): 015201.
doi: 10.7498/aps.64.015201
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本文基于大涡模拟方法, 采用高阶精度格式对平面入射激波以及不同反射距离条件下的反射激波与SF6重气泡相互作用过程进行了三维数值模拟. 数值结果清晰地显示了SF6重气泡在激波作用下诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性过程, 揭示了入射激波以及反射激波在气泡界面聚焦诱导射流的过程, 详细分析了不同反射距离条件下反射激波与SF6重气泡作用过程及流场结构.
2015, 64 (1): 015203.
doi: 10.7498/aps.64.015203
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利用PPG-1脉冲电流源(400 kA, 100 ns), 同时驱动X-pinch和双丝Z箍缩负载. 用X-pinch作为X射线源, 对双丝Z箍缩进行了轴向背光照相的初步实验. 得到了双丝Z箍缩在r-θ 平面上随时间演化的图像, 观察到了丝阵Z箍缩所有早期过程, 包括丝芯膨胀、冕层等离子体产生、等离子体向丝阵中心的运动、先驱等离子体形成. 利用阶跃光楔滤片, 对上述背光图像进行了等离子体质量面密度的标定, 首次得到了在r-θ平面上双丝Z箍缩等离子体质量面密度的时空分布图像.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2015, 64 (1): 017102.
doi: 10.7498/aps.64.017102
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本文以原子层沉积超薄氧化铝(Al2 O3)为过渡层, 采用射频反应磁控溅射法在硅半导体基片上制备了颗粒致密并具有(011)择优取向的二氧化钒(VO2)薄膜. 该薄膜具有显著的绝缘体金属相变特性, 相变电阻变化超过3 个数量级, 热滞回线宽度约为6℃. 基于VO2薄膜构建了平面二端器件并测试了不同温度下I-V曲线, 观测到超过2个数量级的电流跃迁幅度, 显示了优越的电致相变特性. 室温下电致相变阈值电压为8.6 V, 电致相变弛豫电压宽度约0.1 V. 随着温度升高到60℃, 其电致相变所需要的阈值电压减小到2.7 V. 本实验制备的VO2薄膜在光电存储、开关、太赫兹调控器件中具有广泛的应用价值.
2015, 64 (1): 017201.
doi: 10.7498/aps.64.017201
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目前, 在Nb高掺杂量摩尔数分别为0.050和0.0625的条件下, 对掺杂体系锐钛矿TiO2电阻最低存在相反的两种实验结果都有文献报道. 为解决这个矛盾, 本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法, 计算了纯的单胞和三种不同Nb高掺杂量对锐钛矿Ti1-xNbxO2 (x=0.03125, 0.050, 0.0625)超胞的能带结构分布、态密度分布和光学性质. 结果表明, 在本文限定掺杂量的条件下, Nb掺杂量越增加, 掺杂体系的体积越增加, 总能量越升高, 稳定性越下降, 形成能越升高, 掺杂越难, 相对自由电子浓度越增加, 电子有效质量越增加, 电子迁移率越减小, 电子电导率越减小, 最小光学带隙越变宽, 吸收光谱和反射率向低能方向移动越显著, 透射率越增加. 计算结果与实验结果相吻合.
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2015, 64 (1): 017302.
doi: 10.7498/aps.64.017302
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在紧束缚近似下, 解析求解了扶手椅型边界石墨烯介观环的能量本征值问题, 计算和讨论了不同大小尺寸的介观环中持续电流随Aharonov-Bohm (A-B)磁通的变化, 并证明了能级和持续电流关于磁通变化的周期性和特殊对称性. 研究表明, 持续电流显著地依赖于介观环的几何结构; 零能量附近的能级可以承载较大的持续电流, 而远离零能量的其他能级对持续电流的贡献很小.
2015, 64 (1): 017101.
doi: 10.7498/aps.64.017101
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采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法(PWPP), 利用Material studio 计算N, Fe, La三种元素掺杂引起的锐钛矿TiO2晶体结构、能带结构和态密度变化. 并通过溶胶-凝胶法制得锐钛矿型本征TiO2, N, Fe共掺杂TiO2和N, Fe, La共掺杂TiO2; 用X射线衍射和扫描电镜表征结构; 紫外-可见分光光度计检测TiO2对甲基橙的降解效率变化. 计算结果表明, 由于N, Fe, La三掺杂TiO2的晶格体积、键长等发生变化, 导致晶体对称性下降, 光生电子-空穴对有效分离, 同时在导带底和价带顶形成杂质能级, TiO2禁带宽度由1.78 eV变为1.35 eV, 减小25%, 光吸收带边红移, 态密度数增加, 电子跃迁概率提升, 光催化能力增加. 实验结果表明: 离子掺杂使颗粒变小, 粒径大小: 本征TiO2>N/Fe_TiO2>N/Fe/La_TiO2, 并测得N/Fe/La_TiO2发光峰425 nm, 能隙减小, 光催化能力比N/Fe_TiO2强, 增强原因是杂质能级和电子态数量增加引起.
2015, 64 (1): 017303.
doi: 10.7498/aps.64.017303
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理想因子能够反映电流、载流子泄漏以及缺陷导致的非辐射复合等现象. 针对目前报道的GaN基发光二极管的理想因子的问题, 通过对高压发光二极管I-V曲线的拟合计算出了理想因子n的数值, 分别讨论了12 V, 19 V, 51 V 和80 V GaN基高压发光二极管的理想因子与其结构中串联晶粒个数的关系, 分析了理想因子大小与光谱半高宽(FWHM)的变化关系. 另外, 还对电流拥挤效应对理想因子的影响进行了分析. 结果表明: 高压发光二极管理想因子n随串联晶粒个数的增加几乎为线性规律增加, 高压发光二极管理想因子n是由其串联单元理想因子之和构成的. 这对GaN基高压发光二极管理想因子的研究具有参考价值.
2015, 64 (1): 017801.
doi: 10.7498/aps.64.017801
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采用高温固相法制备了Na2SrMg(PO4)2: Ce3+, Mn2+ (NSMP: Ce3+, Mn2+) 荧光粉, 并对其发光性质及Ce3+ 对Mn2+ 的能量传递机理进行了研究. Ce3+ 和Mn2+ 在334 nm 和617 nm 的发射峰分别为Ce3+ 的5d→4f 跃迁和Mn2+ 的4T1(4G)→6A1(6S) 跃迁产生. Ce3+ 对Mn2+ 的发光有较强的敏化作用, 根据Dexter能量传递效率公式判断Na2SrMg(PO4)2 中Ce3+ 对Mn2+ 的能量传递属于电偶极-电四极相互作用引起的共振能量传递.
2015, 64 (1): 017501.
doi: 10.7498/aps.64.017501
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采用固相反应法制备了系列样品TixNi1-xFe2O4 (x=0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4). 室温下的X射线衍射谱表明样品全部为(A)[B]2O4型单相立方尖晶石结构, 属于空间群Fd3m. 样品的晶格常数随Ti掺杂量的增加而增大. 样品在10 K温度下的比饱和磁化强度σS随着Ti掺杂量x的增加逐渐减小. 研究发现, 当Ti掺杂量x≥ 0.2时, 磁化强度σ随温度T的变化曲线出现两个转变温度TL和TN. 当温度低于TN时, 磁化强度明显减小; 当温度达到TN时, dσ/dT具有最大值. σ-T曲线的这些特征表明, 由于Ti掺杂在样品中出现了附加的反铁磁结构. 这说明样品中的Ti离子不是无磁性的+4价离子, 而是以+2和+3价态存在, 其离子磁矩的方向与Fe和Ni离子的磁矩方向相反. 利用本课题组提出的量子力学方势垒模型拟合样品在10 K温度下的磁矩, 得到了Ti, Fe和Ni三种阳离子在(A)位和[B]位的分布情况, 并发现在所有掺杂样品中, 80%的Ti离子以+2价态占据尖晶石结构的[B]位.
2015, 64 (1): 017802.
doi: 10.7498/aps.64.017802
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通过高温固相法在还原气体保护下制备出β-Sr2SiO4: Eu2+, La3+系列样品. 通过样品光谱显示, 光致发光、余辉及光激励发光中心均来自于Eu2+离子; 并且La3+ 的掺入有效增强光致发光、余辉及光激励发光强度. 热释光与余辉衰减测试证明, 与单掺Eu2+样品所具备的缺陷数量相比, 共掺La3+样品在浅陷阱区(T1区)较多的俘获中心数量是导致其余辉性能优化的主要因素; 其光激励发光强度的增强则归因于在深陷阱(T3区)的俘获中心数量增加. 共掺样品放置15h并在980nm红外激光激励后, 表现出光激励长余辉发光现象. 此现象的出现, 为电子俘获型材料的浅陷阱对深陷阱中的载流子再俘获过程的存在提供了直接证据. 因此, β-Sr2 SiO4: Eu2+, La3+ 材料可视为一种潜在的长余辉和光激励发光材料.
2015, 64 (1): 017301.
doi: 10.7498/aps.64.017301
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本文主要利用TiO2亚微米球较强的光散射特性设计了纳米TiO2颗粒/亚微米球多层结构光阳极, 并借助强度调制光电流谱(intensity-modulated photocurrent spectroscopy)、电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy)和入射单色光光电转化效率(incident photon-to-current conversion efficiency), 研究亚微米球的引入对多层结构薄膜内缺陷态、电子传输时间、电子收集效率和界面电荷转移性能的影响. 强度调制光电流谱反映出亚微米球表面缺陷态少, 但其颗粒间接触不紧密, 导致在接触部位形成了势垒, 阻碍了电子的传输, 导致电子传输时间增长. 电化学阻抗谱结果表明不同多层结构电池界面复合无明显差别, 同时底层采用纳米TiO2 透明薄膜结构的电池, 其光利用率要明显高于底层采用亚微米球薄膜结构的电池, TiO2费米能级电子填充水平也相对增大, 使得电池的光电转换效率得到提升. 多层结构复合薄膜电荷传输和光伏特性的研究, 为高效染料敏化太阳电池光阳极设计提供了实验基础.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2015, 64 (1): 018103.
doi: 10.7498/aps.64.018103
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本文通过采用自适应网格技术, 将激光立体成形的宏观温度场模型和凝固微观组织的低网格各向异性元胞自动机模型(cellular automaton, CA)结合, 建立了适用于激光立体成形的集成数值模型. 模型包括基材的温度场分布, 熔池形貌和熔凝过程的凝固微观组织. 模拟了激光扫描速度为15 mm/s时, 激光作用在Fe-C单晶基材上形成熔池的形状以及熔池内凝固微观组织. 计算结果揭示了熔池内固液界面从平界面失稳到胞\枝晶的非稳态凝固过程, 并得到了平界面组织形成的白亮带. 白亮带上方形成了外延生长的枝晶列.
2015, 64 (1): 018201.
doi: 10.7498/aps.64.018201
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多尺度冲击技术可以准确的再现含能材料冲击起爆过程中冲击波阵面及反应区内的热力学和化学反应路径. 文本利用反应力场分子动力学(ReaxFF-MD)对六硝基六氮杂异伍兹烷/2, 4, 6-三硝基甲苯(CL20/TNT)1:1共晶沿110方向以610 kms-1的冲击速度进行冲击压缩模拟. 产物识别分析显示当冲击速度7 kms-1时, 冲击激发化学反应发生, 并且利用Rankine-Hugoniot守恒关系求得冲击起爆压力为24.56 GPa. 再者, 比较了冲击速度与粒子速度, 冲击速度与冲击诱发形变的关系, 当冲击速度为78 kms-1时, 冲击起爆发生, 系统经历弹- 塑性相变, 初级化学反应及次级化学反应, 并且相变与化学反应同时进行, 对于较高的冲击波速度(9 kms-1), 共晶系统内为过驱响应, 热力学参数均出现陡峭的梯度变化, 冲击波压缩材料直接阶跃至塑性变形阶段, 并且此阶段出现大量的碳原子.
2015, 64 (1): 018102.
doi: 10.7498/aps.64.018102
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利用分子动力学模拟方法研究了CH2基团轰击金刚石(111)面所形成的无定形碳氢薄膜(a-C:H)的生长过程. 结构分析表明, 得到的无定形碳氢薄膜中碳原子的局域结构(如CC第一近邻数)与其中氢原子的含量密切相关. CH2 基团入射能量的增加会导致得到的薄膜的氢含量降低, 从而改变薄膜中类sp3成键碳原子的比例.
2015, 64 (1): 018401.
doi: 10.7498/aps.64.018401
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设计了工作在长脉冲的X波段同轴强流多注相对论速调管放大器, 对长脉冲强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的束流调制以及经过输出腔的微波提取等过程进行了实验研究, 采用了相应的设计措施以减轻实验中出现的脉冲缩短现象, 得到了初步的长脉冲实验结果. 在输入微波功率60 kW、频率9.378 GHz、电子束电压700 kV、束流4.2 kA、轴向引导磁感应强度1 T的条件下, 重频5Hz输出微波功率为670 MW, 脉宽89 ns, 效率为23%, 增益为40 dB, 输出微波频率与输入微波一致. 从实验上验证了几十千瓦级输入微波驱动X波段同轴多注RKA输出几百兆瓦长脉冲高功率微波的可行性, 为后续更高功率研究打下了基础.
2015, 64 (1): 018101.
doi: 10.7498/aps.64.018101
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近年来, 基于非晶硅太阳能电池在提高能量转换效率和降低成本等方面的研究越来越受到学者的关注, 其中, 太阳能电池吸收峰值的位置, 反映了电池对该频点及其附近频谱光波吸收具有较好的效果. 然而, 非晶硅太阳能电池的吸收峰位置主要是由非晶硅和金属电极的参数决定, 很难实现位置的可调以及进一步的吸收效率增加. 所以, 在周期结构太阳能电池的金属光栅结构中引入单层石墨烯薄膜, 借助石墨烯的特殊光电特性, 即介电常数可通过改变化学势μc来调谐, 并结合频域有限差分方法的数值模拟, 理论上实现了对太阳能电池能量吸收峰位置的调谐. 针对石墨烯电导率的虚部出现奇异点, 本文提出了采用数值拟合予以解决奇异点的方法, 数值结果表明近似表达式的最大绝对误差为0.8%. 本设计结构的理论结果可为实际有机薄膜太阳能电池在工作频段的调节和优化提供理论基础和技术支撑.
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2015, 64 (1): 018403.
doi: 10.7498/aps.64.018403
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在超导磁悬浮支承系统中, 如果被悬浮的超导球形转子是一个理想的球体, 并且是表现出完全的迈斯纳态, 那么由于球体的对称性, 就不会产生干扰力矩. 但实际的情况并非如此, 一般情况下, 超导球形转子总是存在加工制造误差, 且在高速旋转时总是存在离心变形, 因此转子的表面并不是理想的球面, 当超导转子悬浮在磁场中时, 沿转子表面法线方向的磁悬浮力, 不是完全通过转子质心, 将会产生磁支承干扰力矩, 从而引起转子的漂移误差. 本文从超导转子磁支承干扰力矩的物理机理出发, 对干扰力矩及其引起的漂移误差进行了分析, 包括转子非球形产生的一次干扰力矩、转子非球形与失中度和装配误差产生的二次干扰力矩, 并推导出了磁支承干扰力矩引起的漂移率计算公式, 代入转子参数计算出各种干扰力矩引起的漂移率大小, 为转子漂移测试和系统误差补偿提供了参考, 对于转子的结构优化设计具有指导意义.
2015, 64 (1): 018501.
doi: 10.7498/aps.64.018501
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研究了在垂直结构发光二极管(VLED)器件中, 光致电化学法(PEC)刻蚀N极性n-GaN的速率受不同刻蚀条件(刻蚀浓度、刻蚀时间和光照强度)的影响. 并选择N极性n-GaN表面含有较理想六角金字塔结构(侧壁角为31°)的样品制成器件, 研究PEC刻蚀对VLED的欧姆接触和光电性能的影响. 结果表明, 与未粗化样品相比, PEC刻蚀后的样品接触电阻率明显降低, 形成更好的欧姆接触; 其电学特性有较好的改善, 光输出功率有明显提高, 在20 mA电流下光输出功率增强了86.1%. 对不同金字塔侧壁角度的光提取效率用时域有限差分法(FDTD)模拟, 结果显示光提取效率在侧壁角度为20°– 40°有显著提高, 在23.6° (GaN-空气界面的全反射角)时达到最大.
2015, 64 (1): 018402.
doi: 10.7498/aps.64.018402
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信号受长距离同轴电缆的趋肤效应、介电损耗等因素的影响, 高频衰减严重, 产生码间干扰, 使接收端很难恢复信号, 限制信号传输速度. 脉冲宽度调制(PWM)预加重技术, 是通过时域信息处理来增加信号的传输速度, 在二进制信号中已经得到很好运用. 自适应PWM预加重方法则是进一步针对数据相关性抖动, 对不同数据序列进行或强或弱的预加重, 动态补偿多进制数据的传输损耗, 提高信号完整性, 眼图结果表明该方法改善了信号传输质量.
2015, 64 (1): 018901.
doi: 10.7498/aps.64.018901
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旨在研究无线传感器与执行器网络(WSANs)中节点失效情况下恢复执行器(actor)节点服务的算法. 首先说明了WSANs中的实时覆盖模型, 证明WSANs覆盖恢复问题是NP难问题, 给出了近似求解方案. 在此基础上, 提出了一种基于六边形蜂巢结构的移动容错算法HMFR用于恢复失效actor节点, HMFR 算法在限制网络初始部署的条件下拥有很好的性能. 通过实验与现有的恢复算法进行比较, 发现HMFR算法在actor覆盖sensor节点数和移动距离方面有更好的性能.
2015, 64 (1): 018902.
doi: 10.7498/aps.64.018902
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复杂网络的演化博弈是社会结构与稳定的重要模型. 基于单网络演化博弈模型, 提出了一种双复杂动态网络的演化博弈模型, 考虑双复杂网络在两个不同收益矩阵的囚徒困境博弈下增长, 当两个网络没有相互联系时, 发现增长网络中的空间互利性所导致的平均合作水平的突变, 推广了前人的结论. 在两个网络有相互联系时, 平均合作水平可以两者出现高度同步. 在网络的收益系数达到一定时, 才实现较高的合作水平. 增加网络内连接数量时, 自然选择不利于网络的合作, 而公平选择却有利于网络的合作, 说明了更新策略的影响. 当增加网络间连接数量时, 两个网络合作水平都下降. 当保持网络间和网络内的连接比例不变时, 网络的平均度越大, 平均合作水平越小. 本文发现了背叛领袖的存在, 并揭示了双网络模型下背叛领袖对平均合作水平的影响及其与合作领袖的互动机理, 这结果给出社会结构, 稳定和演化的重要信息和启示.
2015, 64 (1): 018903.
doi: 10.7498/aps.64.018903
摘要 +
在考虑行人视野范围的随机偏走格子气模型基础上, 引入行人对前方开阔区域的移动偏好特性, 提出改进的格子气模型, 对通道内对向行人流进行仿真研究. 模型再现了对向行人流在不同密度下出现的3种演化过程, 发现了行人密度与对向行人流分层现象的形成具有随机性, 以及统计了概率的变化趋势, 同时分析了分层现象形成概率与系统几何尺寸参数、移动强度参数、右行人流比例参数和视野范围参数等的关系. 分析结果表明, 改进的模型能够再现实际低密度下对向行人流不会出现分层现象的特性. 根据分层形成的概率, 可将对向行人流的密度分为5个区间, 不同区间的行人流演化过程各有差异. 模型和分析结果对理解对向行人流的动态演化过程, 提高通道内对向行人流的走行效率有一定帮助.
2015, 64 (1): 018404.
doi: 10.7498/aps.64.018404
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该文研究了冗余中继, 次用户及中继用户数目, 检测门限, 信道传输错误率等因素对中继协作频谱感知系统性能的影响, 并提出一种新的自适应全局最优化算法.该算法基于获得最大无干扰功率的自适应中继选择方法, 确定备选认知中继集合;单个次用户以信道传输错误率最小为准则, 从备选认知中继集合中自适应选择最佳中继, 使总体检测率最大;在给定目标检测率的条件下, 以系统吞吐量最大为准则, 给出了自适应全局最优化算法.仿真实验结果表明新算法信道传输精度高, 信道吞吐量大, 节约带宽资源.
