物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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基于氧化镍背接触缓冲层碲化镉薄膜太阳电池的研究
肖迪, 王东明, 李珣, 李强, 沈凯, 王德钊, 吴玲玲, 王德亮
物理学报. 2017, 66 (11): 117301
单分子荧光共振能量转移数据处理的优化算法
吕袭明, 李辉, 尤菁, 李伟, 王鹏业, 李明, 奚绪光, 窦硕星
物理学报. 2017, 66 (11): 118701
物理学报  
   物理学报--2017, 66 (11)   发布日期: 2017-06-05
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综述

室温磁制冷技术的研究进展
Progress of room temperature magnetic refrigeration technology

李振兴, 李珂, 沈俊, 戴巍, 高新强, 郭小惠, 公茂琼
物理学报. 2017, 66 (11): 110701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.110701
全文: [PDF 899 KB] 下载:(607)
摘要
室温磁制冷具有绿色环保、内禀高效、低噪音与低振动等优点,有望成为室温制冷领域中的一种重要选择.本文首先简述了磁热效应等基本概念,阐述了磁制冷热力学循环,重点介绍由基本循环构成的复合式磁制冷循环、主动磁制冷循环以及耦合气体回热式制冷的主动磁制冷循环等.随后描述了室温磁制冷系统的不同维度数值模型的特点,介绍了模型中磁热效应、多层主动磁回热器、退磁效应等重要项的表述方式及其他因子对系统性能的影响.根据室温系统运动部件和运动方式的不同,将室温磁制冷样机细化为四类系统,包括往复磁体式、往复回热器式、旋转磁体式和旋转回热器式.结合样机的近期实验进展,分析了不同类别室温系统的结构、运行和性能等特性.最后,总结了室温磁制冷技术的未来发展趋势.
总论

基于偏振光相位调制的超衍射极限空间结构光研究
Sub-diffraction-limit spatially structured light pattern based on polarized beam phase modulation

袁强, 赵文轩, 马睿, 张琛, 赵伟, 王爽, 冯晓强, 王凯歌, 白晋涛
物理学报. 2017, 66 (11): 110201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.110201
全文: [PDF 3758 KB] 下载:(266)
摘要

具有超衍射极限尺寸的空间结构光在远场超分辨成像、光镊、微纳米加工等领域都有着重要的应用.本文基于偏振光的相位调制原理,结合光学实验与光场数值模拟开展了在空间生成具有超衍射极限尺寸的空间结构光的研究.首先设计了一种兼备圆形πup与涡旋形2πup相位板特点的新型相位板,并且实验观察到了高数值孔径系统中新型相位板调制圆偏振高斯光的焦点处的空间结构光形貌.随后通过结合矢量衍射积分理论的数值模拟,得出了一种具有超衍射极限尺寸、且同时呈现中心对称与轴对称的空间结构光.最后,本文详细讨论分析了新型相位板调制圆偏振光、线偏振光、径向偏振光以及角向偏振光所获得的空间结构光分布特点.结果显示,圆、线、径向与角向偏振条件下得到的空间结构光横向最小暗斑的半高全宽分别为0.31λ,0.32λ,0.24λ和0.36λ;在光轴上,线、径向与角向偏振光情况下的中心暗斑的半高全宽分别为0.8λ,0.78λ,0.76λ,而圆偏振光在轴向方向没有电矢量分布.

从离散Wigner函数的角度探讨量子相干性度量
Investigating quantum coherence from discrete Wigner function

林银, 黄明达, 於亚飞, 张智明
物理学报. 2017, 66 (11): 110301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.110301
全文: [PDF 1564 KB] 下载:(267)
摘要

量子相干性是量子信息处理的基本要素,在量子计算中扮演着重要的角色.为了便于讨论量子相干性在量子计算中的作用,本文从离散Wigner函数角度对量子相干性进行了探讨.首先对奇素数维量子系统的离散Wigner函数进行了分析,分离出表征相干性的部分,提出了一种可能的基于离散Wigner函数的量子相干性度量方法,并对其进行了量子相干性度量规范的分析;同时也比较了该度量与l1范数相干性度量之间的关系.重要的是,这种度量方法能够明确给出量子相干性程度与衡量量子态量子计算加速能力的负性和之间不等式关系,由此可以解析地解释量子相干性仅是量子计算加速的必要条件.

非对称型簇发振荡吸引子结构及其机理分析
Structures of the asymmetrical bursting oscillation attractors and their bifurcation mechanisms

吴天一, 陈小可, 张正娣, 张晓芳, 毕勤胜
物理学报. 2017, 66 (11): 110501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.110501
全文: [PDF 978 KB] 下载:(192)
摘要

旨在揭示频域不同尺度耦合时非对称动力系统簇发振荡的特点及其分岔机理,并进一步揭示快子系统多平衡点共存导致的不同簇发模式及其产生原因.以经典的蔡氏振子为例,通过引入非对称控制项及周期变化的电流源,选取适当参数,构建存在频域两尺度耦合的非对称动力系统模型.当周期激励频率远小于系统的固有频率时,将整个周期激励项视为慢变参数,得到随慢变参数变化的快子系统平衡曲线及其不同的分岔点以及分岔行为.重点分析了三种不同周期激励幅值下典型的非对称簇发振荡及吸引子结构,揭示其相应的产生机理.指出外激励幅值的变化不仅会引起不同稳定平衡点吸引域的变化,也会使得慢变量穿越不同分岔点的时间间隔发生变化,导致系统产生不同形式的簇发振荡.

含时驱动的Dicke模型的混沌特性
Chaos propeties of the time-dependent driven Dicke model

刘妮, 梁九卿
物理学报. 2017, 66 (11): 110502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.110502
全文: [PDF 1652 KB] 下载:(169)
摘要
依据Dicke量子相变首次被观测的实验装置,我们通过调节抽运激光强度来实现原子-场集体耦合强度的单频非绝热调制,即实现含时驱动的Dicke模型.当驱动的耦合强度为零时,系统回退到标准的Dicke模型.从刻画的庞加莱截面图观测到:在临近相变点附近系统由经典规则轨道向混沌变化,超辐射区对应着相空间的完全混沌;当静态耦合和驱动耦合同时存在时,系统显示出丰富的混沌运动.通过调节振荡频率,系统可在正常相区间从经典规则轨道变到混沌再变到经典规则轨道.
核物理学

高能重离子辐照的低活化钢硬化效应
Hardening of reduced activation ferritic/martensitic steels under the irradiation of high-energy heavy-ion

丁兆楠, 杨义涛, 宋银, 张丽卿, 缑洁, 张崇宏, 罗广南
物理学报. 2017, 66 (11): 112501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.112501
全文: [PDF 1325 KB] 下载:(191)
摘要
为了探讨聚变堆候选低活化钢的抗辐照性能,在兰州重离子加速器国家实验室HIRFL的材料辐照终端,利用63 MeV的14N离子和336 MeV的56Fe离子在-50℃下对一种国产低活化钢进行辐照实验.借助离子梯度减能装置,使入射离子能量在0.22-6.17 MeV/u之间变化,从而在样品表面至24 μm深度范围内产生0.05-0.20 dpa的原子离位损伤坪区.利用纳米压痕仪测试样品辐照前后的显微硬度,通过连续刚度测量(constant stiffness measurement)得到低活化钢硬度的深度剖面信息.使用Nix-Gao模型很好地描述了纳米压痕硬度随深度递减的现象(压痕尺寸效应,indentation size effect),从而有效避免了低能离子辐照的软基体效应(softer substrate effect).正电子湮灭寿命谱显示低活化钢在辐照之后长寿命成分增加,说明样品中产生了大量缺陷形成空位团,从而导致了材料力学性能的变化,在离子辐照剂量增加至0.2 dpa时,平均寿命τm增加量逐渐变慢,材料中辐照产生的缺陷趋于饱和.

硬X射线调制望远镜低能探测器量子效率标定
Quantum efficiency calibration for low energy detector in hard X-ray modulation telescope satellite

朱玥, 张子良, 杨彦佶, 薛荣峰, 崔苇苇, 陆波, 王娟, 陈田祥, 王于仨, 李炜, 韩大炜, 霍嘉, 胡渭, 李茂顺, 张艺, 祝宇轩, 刘苗, 赵晓帆, 陈勇
物理学报. 2017, 66 (11): 112901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.112901
全文: [PDF 771 KB] 下载:(137)
摘要
低能X射线望远镜是硬X射线调制望远镜卫星的主要载荷之一,探测器采用CCD236.探测器的量子效率会影响能谱拟合和绝对流量,有必要对其进行标定.利用55Fe放射源,以硅漂移探测器为标准探测器,标定了CCD236在Mn-Kα(5.899 keV)和Mn-Kβ(6.497 keV)能量点处的量子效率,此能段在Fe线附近,对X射线天文观测有重要价值.考虑探测器的分裂事例后,Mn-Kα和Mn-Kβ处的量子效率分别为71%和62%.在-95-30℃工作温度范围内,CCD量子效率与温度无关.利用CCD236的结构及实测的量子效率,不考虑沟阻影响,得到耗尽层厚度为38 μm.对CCD236施加不同的电压,其量子效率基本不变,表明其在两相驱动下高低电平的耗尽层厚度相等,进而说明CCD236一直工作在深耗尽状态,其耗尽层到了外延层和衬底层边界,已达最大值.
原子和分子物理学

采用相对论多组态Dirac-Hartree-Fock方法对Mg原子同位素位移的理论研究
Theoretical calculations on isotope shifts of Mg I by using relativistic multiconfiguration Dirac-Hartree-Fock method

余庚华, 刘鸿, 赵朋义, 徐炳明, 高当丽, 朱晓玲, 杨维
物理学报. 2017, 66 (11): 113101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.113101
全文: [PDF 359 KB] 下载:(130)
摘要
利用相对论多组态Dirac-Hartree-Fock方法研究了Mg原子基态到低激发态1S0-1P11S0-3P1两条跃迁谱线的同位素位移参数,包括正常质量位移系数,特殊质量位移系数和场位移因子,并计算了24Mg,25Mg和26Mg三个稳定同位素的同位素位移.在计算中采用了一种受限制的双电子激发模式,并将同位素位移计算结果与已有的实验测量和理论计算结果进行了对比.结果表明,用本文的研究方法计算的Mg原子同位素位移与其他理论结果和实验测量值十分符合.本文的计算结果可以为20-40Mg同位素位移测量实验提供必要的参考,所用的计算方法也可以应用到其他类Mg体系(核外电子数等于12的离子)等多电子离子的光谱结构计算和同位素位移的研究中.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

四光束剪切相干成像目标重构算法研究
Target reconstruction algorithm for four-beam sheared coherent imaging

陆长明, 陈明徕, 罗秀娟, 张羽, 刘辉, 兰富洋, 曹蓓
物理学报. 2017, 66 (11): 114201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114201
全文: [PDF 713 KB] 下载:(180)
摘要
针对传统剪切光束成像技术的准实时性问题,提出用口字形排布的四束光代替传统L形三束剪切光照射目标,研究了四光束剪切相干成像目标重构算法.只需单次测量就能同时重构出四幅目标图像,减少了用于降低散斑噪声、获取高质量图像所需的测量次数,同时大大减少了多组发射时的光束切换次数,提高了成像效率.在算法实现中,通过最小二乘法恢复出四组波前相位,利用散斑幅值的简单代数运算恢复波前幅值,从而重构出目标图像.仿真结果表明,与传统方法相比,在图像质量相同的前提下,本文方法所需的数据采集时间减少了至少1/2,不但提高了目标重构效率,还可为远程运动目标的成像识别提供更好的手段.

四元裂解位相调制实现相干光通过散射介质聚焦
Four-element division algorithm for focusing light through scattering medium

张诚, 方龙杰, 朱建华, 左浩毅, 高福华, 庞霖
物理学报. 2017, 66 (11): 114202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114202
全文: [PDF 2417 KB] 下载:(188)
摘要
光在不均匀介质中传播会受到散射的干扰,在这些散射材料中,例如粉末、生物组织、亚波长颗粒对入射光多次散射使得出射光无法聚焦,从而在接收平面形成散斑.本文提出四元裂解位相调制方法对入射相干光场进行调制,使其通过散射介质聚焦.此方法利用入射光场全场调制,充分考虑光场单元之间的干涉作用,从整个空间光调制器的调制面开始,逐层进行四元裂解及位相优化.运用此方法在实验中实现了相干光的前向散射和后向散射有效聚焦,这为生物医学领域中通过散射介质成像提供了新的思路和方法.

面阵探测下的污染云团红外光谱仿真
Simulation of pollutant-gas-cloud infrared spectra under plane-array detecting

王安静, 方勇华, 李大成, 崔方晓, 吴军, 刘家祥, 李扬裕, 赵彦东
物理学报. 2017, 66 (11): 114203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114203
全文: [PDF 1516 KB] 下载:(105)
摘要
研究污染云团的红外光谱仿真,对于利用仿真光谱进行光谱识别的算法研究十分重要.在单元探测器探测方式下污染云团的红外光谱仿真研究取得了一定成果,并且已经被应用于识别算法的研究工作中.针对基于成像光谱仪的污染云团识别算法研究缺乏实测数据的问题,利用具有高仿真精度的基于物理模型的污染云团扩散模型及其仿真结果网格化的特点,研究相应的云团红外光谱仿真多层模型,提出了面阵探测方式下污染云团红外光谱的仿真方法,生成了同时具有光谱维和空间维信息的数据立方体,为该研究领域提供了新的研究方法.提出的面阵探测方式下的污染云团红外光谱仿真直观地反映了污染云团的扩散,提供了完备且符合实际情况的污染云团红外光谱立方体数据,对于提高和完善红外光谱识别算法具有重要意义.

多面转镜激光器扫频光学相干层析成像系统的全光谱重采样方法
A full spectrum resamping method in polygon tunable laser-based swept-source optical coherence tomography

樊金宇, 高峰, 孔文, 黎海文, 史国华
物理学报. 2017, 66 (11): 114204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114204
全文: [PDF 992 KB] 下载:(180)
摘要
在多面转镜激光器扫频光学相干层析成像系统中,激光器存在着输出光谱错位与扫频范围波动的问题.目前的重采样方法中,普遍利用互相关运算校正光谱错位,并进行大范围的截取,保证扫频范围的一致性,但这会导致成像信噪比与分辨率的降低.本文用马赫-曾德尔干涉仪(MZI)采集到的干涉信号对扫频范围波动的问题进行了详细的测量与分析,其中干涉信号的解缠相位曲线的非随机性和平行性,表明该类激光器输出光谱的波长分布具备一致性.在此基础上,提出了一种用最长扫频范围的MZI干涉信号,对样品干涉信号进行时域光谱对齐、然后进行一对多插值的重采样方法.实验与分析表明,该方法利用了所有的光谱信号,保证了样品干涉信号的能量利用率,能有效提高图像的信噪比与分辨率.

基于低频压缩光的声频信号测量
Measurement of audio signal by using low-frequency squeezed light

闫子华, 孙恒信, 蔡春晓, 马龙, 刘奎, 郜江瑞
物理学报. 2017, 66 (11): 114205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114205
全文: [PDF 444 KB] 下载:(173)
摘要
低频信号测量在引力波探测、生物成像及磁场测量等方面具有重要的应用价值.本文利用非简并光学参量放大器获得了低频压缩态光场,在频率19 kHz处直接测到的压缩度为(7.1±0.1)dB;将产生的正交位相压缩态光场注入到马赫-曾德尔干涉仪中,实现了超越散粒噪声极限(3.0±0.4)dB的声频相位信号的测量.本实验的开展为低频压缩光的产生及基于低频压缩光的声频信号测量提供了一定技术支撑,并且此技术有望扩展到磁场、空间小位移等其他物理量的量子精密测量方案中.

基于光强传输方程相位成像的宽场相干反斯托克斯拉曼散射显微背景抑制
Nonresonant background suppression in wide-field Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy with transport of intensity equation based phase imaging

郑娟娟, 姚保利, 邵晓鹏
物理学报. 2017, 66 (11): 114206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114206
全文: [PDF 2222 KB] 下载:(190)
摘要
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微能够对样品的特殊化学组分进行选择性成像,无需荧光标记,在生物医学领域被广泛应用.然而,传统的CARS图像往往存在非共振背景信号.本文将基于光强传输方程的单光束相位成像技术用于CARS显微成像,来抑制CARS的非共振背景信号.该方法通过记录样品在三个相邻平面上的CARS图像,然后利用光强传输方程获取CARS光场的相位分布,最后利用共振CARS信号和非共振背景信号在相位上的差异,实现了对背景噪声的抑制.该方法无需参考光,通过三次测量可完成CARS的背景噪声抑制,具有良好的应用前景.

基于WS2可饱和吸收体的调Q锁模Tm,Ho:LLF激光器
Passively Q-switched mode-locked Tm, Ho:LLF laser with a WS2 saturable absorber

令维军, 夏涛, 董忠, 刘勍, 路飞平, 王勇刚
物理学报. 2017, 66 (11): 114207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114207
全文: [PDF 946 KB] 下载:(158)
摘要
采用聚乙烯醇塑料膜为基质的WS2作为可饱和吸收体,在Tm,Ho:LiLuF4全固态激光器中实现了被动调Q锁模运转.以掺钛蓝宝石激光器作为抽运源,当最大吸收抽运功率为2.6 W时,激光输出功率为156 mW,典型的调Q脉冲包络重复频率为25 kHz,脉宽约为300 μs.当吸收功率大于1.39 W时,进入稳定调Q锁模运转,对应锁模脉冲序列的重复频率为131.6 MHz,调整深度接近100%.结果表明:WS2可以作为2 μm波段全固态激光器锁模的吸收体材料.

基于波导间能量耦合效应的光子晶体频段选择与能量分束器
Photonic crystal frequency band selecting and power splitting devices based on the energy coupling effect between waveguides

赵绚, 刘晨, 马会丽, 冯帅
物理学报. 2017, 66 (11): 114208      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114208
全文: [PDF 2153 KB] 下载:(197)
摘要
基于波导间能量耦合效应的光子晶体功率分束器具有结构紧凑、带宽较宽、弯曲损耗低、分光角度大和不受外界电磁场干扰等优点.本文利用时域有限差分方法,理论研究了二维三角晶格光子晶体耦合波导的功率分束特性,设计得出了一种能够在宽频谱范围内针对不同频率区间实现不同分光比的功能器件.在此基础上通过改变耦合区介质柱形状以及输出分支波导与能量耦合波导的连接位置,最终针对三个相邻频率范围内的入射光信号,较好地实现了三均分、二均分、单一输出通道这3种能量分配输出模式.该功能器件具有透过率对比度高、结构紧凑等特性,对于发展全光功能器件在大规模全光复杂集成领域内的实际应用具有一定的促进作用.

基于石墨烯可饱和吸收体的纳秒锁模掺铥光纤激光器
Nanosecond mode-locked Tm-doped fiber laser based on graphene saturable absorber

王小发, 张俊红, 高子叶, 夏光琼, 吴正茂
物理学报. 2017, 66 (11): 114209      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114209
全文: [PDF 3709 KB] 下载:(278)
摘要
报道了一种基于石墨烯可饱和吸收体的纳秒锁模掺铥光纤激光器.该激光器采用环形腔结构,利用自制的三层石墨烯薄膜作为可饱和吸收体实现锁模.同时在腔内插入一个窄带光纤光栅,约束腔内起振的纵模数,适当调节抽运功率和偏振控制器的角度,得到了重复频率为3.8 MHz、脉宽在3.8-94.3 ns之间灵活可调的2 μm纳秒锁模脉冲输出,整个脉宽调节范围超过90 ns.此外,由于获得的兆赫兹纳秒锁模脉冲时间带宽积在49-1119范围内,即存在强烈的啁啾,因而可作为2 μm波段啁啾脉冲放大系统中的种子源使用.

波导不变量谱值及其分离方法
Concept of waveguide invariant spectrum and algorithm for its extraction

宋文华, 王宁, 高大治, 王好忠, 屈科
物理学报. 2017, 66 (11): 114301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114301
全文: [PDF 3188 KB] 下载:(127)
摘要
波导不变量有两种定义方式,按照干涉条纹斜率的定义适合工程应用,按照简正波频散的定义适合理论分析.在有跃层的波导中,这两种定义方式并不完全一致.由于简正波频散特性差异,按照频散特性定义的波导不变量β会有许多不同的取值,这些β被称为波导不变量的β谱.此时声场干涉结构应该用多个β来描述,而以往的β提取算法只能给出一个最佳估计值,导致一些信息的丢失.借鉴图像处理中的积分投影概念,将声强图像按照角度进行积分投影,以分离不同斜率的条纹成分;然后对投影曲线进行傅里叶变换,以分离不同间距的条纹成分,最终实现各个β谱值的分离.仿真和实验结果表明,β谱分离算法可以从声场干涉结构中有效地提取不同条纹成分的β,并将其映射到二维平面内,具有更强的噪声抑制能力,所以能在更低的信噪比条件下使用.

非均匀背景中任意柱状热斗篷的研究与设计
Design and research of columnar thermal cloak with arbitrary shape in inhomogeneous backgrounds

夏舸, 杨立, 寇蔚, 杜永成
物理学报. 2017, 66 (11): 114401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114401
全文: [PDF 1783 KB] 下载:(109)
摘要
在变换热力学的基础上,通过坐标变换的方法严格推导出在层状背景和渐变背景下二维任意形状热斗篷导热系数的通解表达式,并在此基础上设计出非均匀背景下二维非共形热斗篷.全波仿真结果表明:在不同背景下,热流均能绕过保护区域流出,保护区域的温度保持不变,而且热斗篷外的温度场并没有破坏,具有很好的热保护和热隐身的效果.这一方法考虑到背景的复杂性,更加贴近工程实际应用,为未来灵活控制热流传递提供了一种可行的方法,对目标热隐身和热保护具有重要借鉴意义.

基于旋转场曲率的二维剪切梁单元建模
Analysis of planar shear deformable beam using rotation field curvature formulation

张大羽, 罗建军, 郑银环, 袁建平
物理学报. 2017, 66 (11): 114501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114501
全文: [PDF 1332 KB] 下载:(161)
摘要
对二维剪切梁单元进行研究,利用平面旋转场理论推导了精确曲率模型.采用几何精确梁理论构建了剪切梁单元弹性力矩阵.通过绝对节点坐标方法建立了系统的非线性动力学方程,提出基于旋转场曲率的二维剪切梁单元,并分别引入经典二维剪切梁单元和基于位移场曲率的二维剪切梁单元进行比较研究.首先,静力学分析证明了所提模型的正确性;其次,特征频率分析验证了模型可与理论解符合,收敛精度高,并且能准确地预测单元固有频率对应的振型;最后,在非线性动力学问题上,通过与ANSYS结果对比分析,证明了该模型可有效处理柔性大变形问题,并且与经典二维剪切梁单元相比具有缓解剪切闭锁的优势.因此,本文提出的基于旋转场曲率的二维剪切梁单元在处理几何非线性问题中具有较大的应用潜力.

一种滑移区气体流动的格子Boltzmann曲边界处理新格式
A new curved boundary treatment in lattice Boltzmann method for micro gas flow in the slip regime

顾娟, 黄荣宗, 刘振宇, 吴慧英
物理学报. 2017, 66 (11): 114701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114701
全文: [PDF 1371 KB] 下载:(206)
摘要
针对滑移区复杂气-固边界存在速度滑移现象,提出了一种基于格子Boltzmann方法的非平衡态外推与有限差分相结合的曲边界处理新格式.该格式具有可考虑实际物理边界与网格线偏移量的优势,较传统half-way DBB(diffusive bounce-back)格式更能准确反映实际边界情况,同时还可获取壁面处气体宏观量及其法向梯度等信息.采用本文所提曲边界处理格式模拟分析了滑移区气体平直/倾斜微通道Poiseuille流、微圆柱绕流和同心微圆柱面旋转Couette流问题.研究结果表明,采用曲边界处理新格式所得结果与理论值以及文献结果符合良好,适用于滑移区气体流动的复杂边界处理,且比half-way DBB格式具有更高的精度,较修正DBB格式具有更好的适应性.

页岩气滑脱、扩散传输机理耦合新方法
A new method for the transport mechanism coupling of shale gas slippage and diffusion

李亚雄, 刘先贵, 胡志明, 高树生, 端祥刚, 常进
物理学报. 2017, 66 (11): 114702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.114702
全文: [PDF 2900 KB] 下载:(186)
摘要
针对页岩气流动计算中所用耦合机理不同的现状,且为了厘清滑脱和各种扩散之间的关系,首先采用理论分析和数学模型的方法,根据定义和微观运动机制对滑脱和各种扩散进行了分析,然后在考虑吸附层页岩气分子所占空间对气体流动影响的情况下,提出了“壁联扩散”的概念来表征克努森扩散和表面扩散的总效应,并指出壁联扩散和滑脱效应等同,由此提出了壁联扩散和滑脱效应在流动计算中可互换而不重复叠加的耦合新方法.实例验证表明,当毛细管半径从5 nm增大到2000 nm,壁联扩散和滑脱效应的质量通量相对误差较小,在绝大部分范围内都小于10%,且在整个孔径范围内两者平均值相差1.4×10-6kg·m-2·s-1,即平均值的相对误差仅为5.8%,该方法可以满足工程计算的需要.考虑到参数选取、机理数学模型有待完善等方面的影响,新方法的论证存在进一步提升的空间.壁联扩散的提出具有实际开发意义和多重研究意义,耦合新方法的提出阐明了滑脱和各种扩散之间的关系,防止了页岩纳米级孔隙中流动机理的重复叠加,能较好改变页岩气流动计算耦合方法不一致的现状,为页岩气开发定量计算指明新方向.
气体、等离子体和放电物理

飞秒激光成丝诱导Cu等离子体的温度和电子密度
Temperature and electron density in femtosecond filament-induced Cu plasma

杨大鹏, 李苏宇, 姜远飞, 陈安民, 金明星
物理学报. 2017, 66 (11): 115201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.115201
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摘要
研究了飞秒激光成丝诱导铜击穿光谱,利用光发射光谱对产生的铜等离子体光谱强度沿着丝长度进行了测量,获得了在不同样品与聚焦透镜间距离的Cu(I)的强度分布.结果显示,由于强度钳箍效应成丝诱导的光谱在较大的透镜样品间距离范围内有较强的辐射强度.另外,利用玻尔兹曼图和斯塔克展宽计算了整个成丝繁衍距离中Cu等离子体温度和电子密度.

神光Ⅲ激光装置直接驱动内爆靶产生的连续谱X光源
Spectrally smooth X-ray source produced by laser direct driven DT implosion target on SG-Ⅲ laser facility

王雅琴, 胡广月, 赵斌, 郑坚
物理学报. 2017, 66 (11): 115202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.115202
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摘要
激光驱动的内爆靶通过轫致辐射过程可以产生覆盖1-100 keV能区的小尺寸、短脉冲和高亮度的光滑连续谱X光源,可用于高密度等离子体的点投影照相和吸收谱诊断等.本文对30-180 kJ输出能量的神光Ⅲ激光装置直接驱动氘氚冷冻靶产生的连续谱X光源辐射特性进行了模拟研究,为优化内爆光源提供物理基础.采用了美国OMEGA激光装置和美国国家点火装置(NIF)使用的定标率来给出不同驱动能量时的靶参数和激光脉冲参数.研究发现,内爆靶丸在停滞阶段瞬时的密度和温度剧增可以产生尺寸约100 μm、发光时间约150 ps的X光脉冲;X光辐射主要产生于被压缩的氘氚冰壳层内侧、而不是中心的高温气体热斑区;等离子体的自吸收可以显著降低1-3 keV的较低能区的X光发射,但对更高能区没有影响;X光辐射主要集中在<30 keV的较低能区,氘氚聚变反应可以增强>30 keV的硬X光辐射、但对<30 keV的较软的X光辐射没有明显贡献.

激光等离子体中高能电子各向异性压强的粒子模拟
Particle simulation study on anisotropic pressure of electrons in laser-produced plasma interaction

王宬朕, 董全力, 刘苹, 吴奕莹, 盛政明, 张杰
物理学报. 2017, 66 (11): 115203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.115203
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摘要
直接驱动惯性约束聚变(ICF)的实现需要对靶丸进行严格的对称压缩,以达到自持热核反应(点火)所需的条件.快点火方案的应用降低了对靶丸压缩对称性以及驱动能量的要求,但压缩及核反应过程中良好的靶丸对称性无疑有助于核反应增益的提高.本文研究了快点火方案中高能电子注入高密等离子体后导致的各向异性电子的压强张量.这一现象存在于ICF快点火方案中的高能电子束“点火”及核反应阶段.鉴于高能电子加热离子过程以及靶丸核反应自持燃烧过程的时间较长,高密靶核会由于超高的各向异性压强的作用破坏高密靶丸的对称性,降低核燃料密度,进而降低了核燃料燃烧效率以及核反应增益.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

爆轰流体力学模型敏感度分析与模型确认
Sensitivity analysis and validation of detonation computational fluid dynamics model

梁霄, 王瑞利
物理学报. 2017, 66 (11): 116401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.116401
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摘要
验证、确认与不确定度量化(V&V&UQ)是评估物理模型可信度和量化复杂工程数值模拟结果置信度的系统方法.验证是要回答数值模拟程序是否正确求解了物理模型和程序是否正确实施或给出求解模型的误差、不确定性大小及使用范围,确认是要通过数值结果回答物理模型是否反映了真实客观世界或反映真实客观世界的可信程度.文章围绕爆轰流体力学模型,剖析了模型中不确定性因素,给出了影响模拟结果不确定性的关键因素清单,并对其开展了敏感度分析,确认了模型的适应性.

聚乙烯单链量子热输运的同位素效应
Isotope effect on quantum thermal transport in a polyethylene chain

吴宇, 蔡绍洪, 邓明森, 孙光宇, 刘文江, 岑超
物理学报. 2017, 66 (11): 116501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.116501
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摘要
高分子导热材料的有效调控受到了日益广泛的关注.应用密度泛函理论(DFT)、中央插入延展(central insertion scheme,CIS)方法及非平衡格林函数(NEGF)理论,对包含432个原子、长18.533 nm的聚乙烯单链量子热输运的同位素效应进行了研究.计算结果表明,室温下长100 nm的纯12C聚乙烯单链的热导率理论上限高达314.1 W·m-1·K-1;对于12C聚乙烯单链,其他条件一定时,14C掺杂引起的热导同位素效应比13C更为显著;室温下纯12C聚乙烯单链中14C掺杂原子百i分数为50%时同位素效应最显著,此时平均热导比未掺杂时下降了51%.这对探索聚乙烯材料热输运的同位素影响机理具有十分积极的意义.

氧原子在α钛晶体中扩散的第一性原理研究
First-principles investigation of oxygen diffusion mechanism in α-titanium crystals

杨亮, 王才壮, 林仕伟, 曹阳
物理学报. 2017, 66 (11): 116601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.116601
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摘要

在材料领域杂质原子的迁移是一个基础而永恒的主题.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了氧原子在α钛(α-Ti)晶体中的间隙占位情况,并计算了氧原子稳定占位点间隙能、电子态密度、电荷差分密度及其邻近钛原子的位移情况.采用基于过渡态搜索理论的CI-NEB(climbing image nudged elastic band)方法预测了稳定态氧原子在α-Ti晶体中的扩散路径、扩散势垒及相应的跳转频率,并由此推算出氧原子在不同位点之间跳转的扩散系数.研究结果表明,间隙氧原子在六角密排钛晶体结构中共有七种占位,但仅存在三个可稳定占据的间隙位点:八面体中心位点、六面体中心位点及0.28 nm钛-钛键中心位点.各稳定间隙位点之间的扩散具有不对称性,因此可确定三种稳定间隙氧原子位点间存在七条独立扩散路径.获取计算不同路径扩散系数所需要的微观参数,包括扩散势垒、扩散长度、不同扩散路径上鞍点氧原子的跳转频率,最终预测了不同间隙位点之间氧原子的扩散系数值,其中八面体中心扩散到邻近键位的扩散系数与实验值相符合.通过对间隙氧原子扩散行为的深入了解,希望能对控制钛合金中氧的扩散、提高钛金属中氧的含量及相关研究提供基础理论支持.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

Cu-Ag协同表面改性TiO2的第一性原理研究
Surface modification in Cu-Ag codoped TiO2: the first-principle calculation

李宗宝, 王霞, 周瑞雪, 王应, 李勇
物理学报. 2017, 66 (11): 117101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.117101
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摘要

因在温室气体的降解中扮演重要的角色,通过改性来提高二氧化钛的光催化性能的相关研究备受关注.由于催化反应主要发生在材料表面,因此对材料表面的改性研究尤为重要.本文采用第一性原理方法计算了金属Ag,Cu单掺杂及协同掺杂TiO2(001)和(101)表面不同位置,通过形成能的比较获得了最稳定的晶体结构.通过对能带及态密度的对比得出:离子掺杂(001)表面所形成的活性基团的氧化性较(101)面更强,利于光催化氧化性能的提升;表面协同掺杂较单掺杂具有更强的光响应效率,与前人的实验结果符合较好.

基于SPPs-CDEW混合模式的亚波长单缝多凹槽结构全光二极管
All-optical diode of subwavelength single slit with multi-pair groove structure based on SPPs-CDEW hybrid model

祁云平, 南向红, 摆玉龙, 王向贤
物理学报. 2017, 66 (11): 117102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.117102
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摘要

全光二极管是集成光子回路上最基本的光子器件,如何有效增强全光二极管的单向透射性,提高消光比一直是学者们研究的重点.当前,利用表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)和复合衍射衰逝波(composite diffracted evanescent wave,CDEW)的亚波长金属微纳结构构建全光二极管器件还鲜有研究.因此,开发出一种可调制的全光二极管,对未来制备复杂的光子回路具有重要意义.本文提出了一种基于SPPs-CDEW混合模式设计全光二极管的方法和结构,该结构结合纳米缝中的类法布里-珀罗共振效应,利用结构参数对SPPs进行调控,实现了光束单向透过的功能.首先,利用理论推导和有限元算法分析了单缝-对称双凹槽纳米结构的透射增强现象,提出了透射增强和削弱的物理机理.其次,计算出规约化透射率随单狭缝和凹槽对之间距离变化的远场透射谱,给出的理论和数值计算结果符合得很好.最后,通过此透射谱精确确定凹槽的位置和数量,得出上表面对称分布五对增强透射凹槽、下表面六对抑制透射凹槽的最优全光二极管结构,有效增强了全光二极管的单向透射性,提高了消光比,最大消光比可以达到38.3 dB,即正向透射率是反向透射率的6761倍,比已有文献提高了14.6 dB,并在850 nm左右有70 nm宽的工作波长带宽(>20 dB).本文提出的光二极管结构简单,宽带宽工作,易于集成,耦合效率高,研究结果对光学信号传输、集成光回路、超分辨率光刻等相关领域具有潜在的应用价值.

基于氧化镍背接触缓冲层碲化镉薄膜太阳电池的研究 Hot!
Nickel oxide as back surface field buffer layer in CdTe thin film solar cell

肖迪, 王东明, 李珣, 李强, 沈凯, 王德钊, 吴玲玲, 王德亮
物理学报. 2017, 66 (11): 117301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.117301
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摘要

采用电子束蒸发法制备了NiO薄膜,并对其作为碲化镉薄膜太阳电池背接触缓冲层材料进行了相关研究.NiO缓冲层的加入使得碲化镉太阳电池开路电压显著增大.通过X射线光电子能谱测试得到的NiO/CdTe界面能带图表明NiO和CdTe的能带匹配度很好.NiO是宽禁带P型半导体材料,在电池背接触处形成背场,减少了电子在背表面处的复合,从而提高电池开路电压.通过优化NiO薄膜厚度,制备得到转换效率为12.2%、开路电压为789 mV的碲化镉太阳电池.研究证实NiO是用来制备高转换效率、高稳定性碲化镉薄膜太阳电池的一种极有前景的缓冲层材料.

Ni掺杂对ZnO磁光性能的影响
Effect of Ni doping on optical and magnetic properties of ZnO

侯清玉, 贾晓芳, 许镇潮, 赵春旺
物理学报. 2017, 66 (11): 117401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.117401
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摘要

在掺杂浓度范围为2.78%-6.25%(物质的量分数)时,Ni掺杂ZnO体系吸收光谱分布的实验结果存在争议,目前仍然没有合理的理论解释.为了解决存在的争议,在电子自旋极化状态下,采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,构建不同Ni掺杂量的ZnO超胞模型,分别对模型进行几何结构优化和能量计算.结果表明,Ni掺杂量越大,形成能越高,掺杂越难,体系稳定性越低,掺杂体系带隙越窄,吸收光谱红移越显著.采用LDA(局域密度近似)+U方法调整带隙.结果表明,掺杂体系的铁磁性居里温度能够达到室温以上,磁矩来源于p-d态杂化电子交换作用.Ni掺杂量越高,掺杂体系的磁矩越小.另外还发现Ni原子在ZnO中间隙掺杂时,掺杂体系在紫外光和可见光区的吸收光谱发生蓝移现象.

微秒脉冲电场下Pb0.99(Zr0.95Ti0.050.98Nb0.02O3陶瓷击穿过程电阻变化规律
Resistance of Pb0.99(Zr0.95Ti0.05)0.98Nb0.02O3 under high voltage microsecond pulse induced breakdown

刘艺, 杨佳, 李兴, 谷伟, 高志鹏
物理学报. 2017, 66 (11): 117701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.117701
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摘要

陶瓷作为应用非常广泛的一种材料,其电击穿问题一直是研究的重点和热点.由于击穿过程涉及热、光、电多场耦合效应,目前还没有一个普适的模型能够解释陶瓷击穿问题.针对此问题进行分析,实验中采用脉冲高压发生装置击穿陶瓷,通过对陶瓷击穿过程中等效电阻的研究,揭示了PZT95/5陶瓷样品体击穿和沿面闪络形成过程的异同.结果显示,在两种击穿模式下,陶瓷样品内部均会在40 ns左右形成导电通道,陶瓷等效电阻急剧下降至105 Ω量级;然后体击穿与沿面闪络的导电通道以不同的速率继续扩展;电阻减小速率与导电通道上载流子的浓度有关,二者的等效电阻以不同速率减小,直至导电通道达到稳定.

近紫外宽带激发LED用红色荧光粉(Gd1-xEux6(Te1-yMoy)O12的制备与性能
Preparation and photoluminescent properties of near-UV broadband-excited red phosphor (Gd1-xEux)6(Te1-yMoy)O12 for white-LEDs

吕兆承, 李营, 全桂英, 郑庆华, 周薇薇, 赵旺
物理学报. 2017, 66 (11): 117801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.117801
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摘要

利用高温固相法制备了一种新型红色荧光粉(Gd1-xEux6(Te1-yMoy)O12,研究了Eu3+单掺和Eu3+,Mo6+共掺Gd6TeO12荧光粉的结构、形貌和荧光性能.实验结果表明,所合成的粉体为纯相.在393 nm近紫外光激发下,(Gd1-xEux6(Te1-yMoy)O12荧光粉发出特征红光,位于632 nm处的发射主峰属于Eu3+5D07F2跃迁.当Eu3+掺杂浓度超过20%(物质的量分数)时发光出现浓度淬灭,经证实这是由电偶极-电偶极相互作用造成的.随着工作温度升高,荧光粉发光强度减小,计算得到Eu3+热淬灭过程中的激活能为0.1796 eV.当(Gd0.8Eu0.2)6TeO12中共掺Mo6+(取代Te6+),该荧光粉发射光谱的峰位、强度变化不大,但是Mo3+-O2-电荷迁移态显著增大了近紫外波段的激发带宽度,可以有效提高激发效率.具有近紫外宽带激发特征的(Gd0.8Eu0.2)6(Te0.6Mo0.4) O12是一种潜在的白光LED用荧光粉材料.

一种基于双波长的光声测温技术
Photoacoustic temperature measurement based on dual-wavelength method

廖宇, 简小华, 崔崤峣, 张麒
物理学报. 2017, 66 (11): 117802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.117802
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摘要

光声测温是一种利用光声效应来进行温度监控的新方法,具有非侵入式、高灵敏度和探测深度较深等优点.但现有的单波长光声测温方法极易受到系统及测量环境干扰而导致测量精度降低.为了解决这一问题,本文提出了一种双波长光声温度测量方法.在光声测温理论的基础上,分析推导了双波长光声测温的基本原理,并进行了仿体及离体组织样品的双波长光声测温实验.实验结果显示,与传统单波长模式相比,双波长模式下的光声温度测量误差明显减小,测量精度平均提高35%以上.研究结果表明双波长光声测温方法能够有效提高光声温度测量的精度和稳定性,可作为一种更精准的光声温度监控方法应用于医疗手术等领域.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

掺杂对金属-MoS2界面性质调制的第一性原理研究
First principles investigation of the tuning in metal-MoS2 interface induced by doping

陶鹏程, 黄燕, 周孝好, 陈效双, 陆卫
物理学报. 2017, 66 (11): 118201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.118201
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摘要

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了卤族元素掺杂对金属-MoS2界面性质的影响,包括缺陷形成能、电子能带结构、差分电荷密度以及电荷布居分布.计算结果表明:卤族元素原子倾向于占据单层MoS2表面的S原子位置;对于单层MoS2而言,卤族元素的掺杂将在禁带中引入杂质能级以及导致费米能级位置的移动.对于金属-MoS2界面体系,结合Schottky-Mott模型,证明了卤族元素的掺杂可以有效地调制金属-MoS2界面间的肖特基势垒高度.发现F和Cl原子的掺杂将会降低体系的肖特基势垒高度.相比之下,Br和I原子的掺杂却增大了体系的肖特基势垒高度.通过差分电荷密度和布居分布的分析,阐明了肖特基势垒高度的被调制是因为电荷转移形成的界面偶极矩的作用导致.研究结果解释了相关实验现象,并给二维材料的器件化应用提供了调节手段.

基于动态参数响应模型的动力锂离子电池循环容量衰减研究
Cyclic capacity fading of the power lithium ion battery based on a numerical modelling with dynamic responses

蒋跃辉, 艾亮, 贾明, 程昀, 杜双龙, 李书国
物理学报. 2017, 66 (11): 118202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.118202
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摘要

结合锂离子电池容量衰减主要机制,建立了基于动态参数响应的电化学热耦合模型,研究磷酸铁锂电池循环寿命及电池内部的电化学行为.模型采用恒流恒压充放电制度对电池进行循环充放电仿真计算.结果显示:800次循环后,电池容量衰减率约为6.35%,电池内部固体电解质界面膜阻抗增大了15.6 mΩ·m-2.分别探讨了充放电倍率、负极活性物质颗粒粒径、负极固相体积分数对电池循环寿命的影响.研究表明:400次循环后,相较于1CC表示充放电倍率)倍率下的容量衰减率3.31%,2C,3C,4C容量衰减率分别达到3.93%,4.69%和5.04%;负极活性颗粒粒径为2和10 μm时对应容量衰减率分别为2.89%,3.87%,差值接近1%;固相体积分数在[0.5,0.6]区间内能保持最好的电池循环稳定性和寿命发挥.

单分子荧光共振能量转移数据处理的优化算法 Hot!
An optimization algorithm for single-molecule fluorescence resonance (smFRET) data processing

吕袭明, 李辉, 尤菁, 李伟, 王鹏业, 李明, 奚绪光, 窦硕星
物理学报. 2017, 66 (11): 118701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.118701
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摘要

单分子荧光共振能量转移(smFRET)技术是当今单分子生物物理研究领域的重要实验手段,该技术通过测量供体、受体荧光光强以及二者间的共振能量转移效率,揭示标记位点间的距离,用于研究DNA、蛋白质等生物大分子的构象变化.然而,当前传统数据处理方法大量依赖人工干预,噪音大,严重影响了实验效率和数据的可靠性.本文提出了一种针对smFRET数据的自动分析算法.该算法主要包括三个部分:基于计算供体与受体荧光光强的相关系数来确定受体与供体对应荧光点的自动匹配算法、甄别错误点的筛选算法以及基于隐马尔可夫模型的全局拟合算法.经改进后的算法大大简化了传统算法中需要人工干预的步骤,而且自动筛除了实验数据中主要的几类噪音.将改进的算法应用于人类端粒重复序列G-四联体(G4)DNA折叠动力学的数据分析,结果显示优化算法比传统算法能够更快地得到更高信噪比的数据,而且该数据结果清晰地表明G4的折叠体现出多态性并受到钾离子浓度的影响.

双添加剂处理电子传输层富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61丁酸甲酯对钙钛矿太阳能电池性能的影响
Influence of phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) electron transport layer treated by two additives on perovskite solar cell performance

刘毅, 徐征, 赵谡玲, 乔泊, 李杨, 秦梓伦, 朱友勤
物理学报. 2017, 66 (11): 118801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.118801
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摘要

有机无机复合钙钛矿材料被证明是非常出色的光伏材料,目前主要通过优化钙钛矿材料的结晶和形貌来提高钙钛矿太阳能电池的效率.而对于电荷传输层,特别是p-i-n结构中电子传输层的研究相对较少.因此,本文制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/Al的钙钛矿太阳能电池通过在电子传输层富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61丁酸甲酯(PCBM)中添加聚苯乙烯(PS)和1,8-二碘辛烷(DIO)使得钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从10.8%提升到了12.5%.分析了性能提高的原因主要是:1)添加剂PS的加入提升了PCBM的黏度,从而形成了质量更高、更平滑的膜层,这有利于抑制电子和空穴在钙钛矿层和电子传输层之间的复合;2)添加剂DIO的加入改善了电子传输层的形貌,有利于电荷的分离、传输和收集.研究结果表明用成本较低的添加剂处理可以改善电子传输层的形貌和膜层的质量达到了改善电荷传输特性的效果提升了钙钛矿太阳能电池的效率为提升钙钛矿太阳能电池性能提供了一条可行的路径.

地球物理学、天文学和天体物理学

中低纬度电离层偶发E层电波传播建模
Modeling of radio wave propagations under sporadic-E influence at low and middle latitudes

郝书吉, 张文超, 张雅彬, 杨巨涛, 马广林
物理学报. 2017, 66 (11): 119401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.119401
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摘要

基于电离层偶发E层(sporadic-E,Es)对电波传播的多条链路实测数据,认为电离层Es对入射电波的作用是反射和散射两种机制,且反射/散射的比例常数随着电离层Es临界频率的变化而变化,进而建立了包含反射、散射以及反射与散射共同作用的三段式电离层Es电波传播模型,并与国际电联(International Telecommunications Union,ITU)给出的Es层传播的电波场强预测模型进行了对比,验证了本文所建模型的正确性.该模型尤其适用于中低纬地区甚高频信号经Es层的传播研究.


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