物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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基于PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3压电单晶的磁电复合薄膜材料研究进展
徐萌, 晏建民, 徐志学, 郭磊, 郑仁奎, 李晓光
物理学报. 2018, 67 (15): 157506
磁电异质结及器件应用
杨娜娜, 陈轩, 汪尧进
物理学报. 2018, 67 (15): 157508
微纳尺度多铁异质结中电驱动磁反转
宋骁, 高兴森, 刘俊明
物理学报. 2018, 67 (15): 157512
物理学报  
   物理学报--2018, 67 (15)   发布日期: 2018-08-05
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编者按:
       作为凝聚态物理与材料物理的前沿分支之一,多铁性研究脱胎于磁电耦合的研究. 固体中磁电耦合的概念最初由居里先生提出,至今已有一百多年. 在漫长的历史长河中,磁电耦合领域的研究曾经在冷战时期短暂热闹过一阵,但随后是漫长的冷寂期. 日内瓦大学的老先生Hans Schmid在磁电耦合领域坐了半辈子冷板凳,在1994年提出了多铁体(multiferroics)这个概念. 九年之后,该领域研究才真正引起广泛关注. 2003年以BiFeO3薄膜的大铁电极化和TbMnO3单晶的磁控电这两大突破作为里程碑,该领域快速蹿红,吸引了大量研究者的瞩目. 在接下来的几年中,研究者在该领域迅速取得了若干重要突破性成果. 2007年底美国《科学》杂志遴选了七个下一年度重点关注领域(Areas to Watch),多铁体荣幸入选,并且这是凝聚态物理/材料物理方向唯一入围者.
        但出乎意料,2008年铁基超导的异军突起与拓扑绝缘体的系列突破迅速抢占了凝聚态物理/材料物理大舞台的主角位置,掩盖了多铁体的光彩. 因此最近十年来多铁领域的研究变得相对平淡. 但即使在这样的平淡岁月中,仍然有一群研究者一直在这个领域坚持耕耘,默默地将该领域一步步向前推进. 实际上,这个领域在过去十年的发展并不孤独,而是逐渐和物理的各分支(包括理论物理、凝聚态物理、材料物理、光物理、器件物理等)交叉融合. 因此当前的多铁领域研究已经涵盖了从基础物理理论,到具体材料体系,再到器件应用等多个方面.
        受《物理学报》责任编缉古丽亚的委托,我邀请了国内若干活跃在该领域前沿的中青年专家撰稿,合成这样一期以短篇综述为主的专辑,较为全面和深入地介绍该领域已取得的部分成果以及最新进展. 从研究内容上,可大致分为两类:一是,探索多铁性材料和揭示其物理规律;二是,探索多铁性异质结、器件和应用. 第一类研究的综述包括(以下排名按投稿先后):1) Ruddlesden-Popper结构杂化铁电体(浙江大学刘小强、陈湘明等);2)低维铁电材料(南京理工大学阚二军等);3)激发态电荷输运有机多铁体(南京理工大学袁国亮等);4)异常双钙钛矿多铁氧化物(中山大学李满荣等);5)四倍体钙钛矿多铁氧化物(中国科学院物理研究所龙有文等);6)非常规铁电钙钛矿氧化物(上海大学任伟等);7)铋层状多铁氧化物单晶薄膜(中国科学技术大学翟晓芳、陆亚林等). 第二类研究的综述包括:1)多铁性磁电异质结及器件(清华大学赵永刚等;西安交通大学胡忠强、刘明等;南京理工大学汪尧进等);2)压电单晶磁电复合薄膜(中国科学院上海硅酸盐研究所郑仁奎等);3)铁电光伏效应(苏州大学蔡田怡、雎胜);4)钙钛矿薄膜的多铁性与氧空位调控(南京航空航天大学杨浩等);5)微纳尺度电场驱动磁翻转(华南师范大学高兴森等). 除了短篇综述外,还有三篇研究论文,在此就不细述. 希望这个专题能够为国内多铁性及相关领域研究的学术交流做一些贡献.

   (客座编辑: 东南大学物理学院 董帅)

多铁性:物理、材料及器件专题

(1-x)Sr3Sn2O7+xCa3Mn2O7陶瓷合成及其光电性能
(1-x)Sr3Sn2O7+xCa3Mn2O7 ceramics and their photo-electric characteristics

黄禹田, 王煜, 朱敏敏, 吕婷, 杨洪春, 李翔, 王秀章, 刘美风, 李少珍
物理学报. 2018, 67 (15): 154203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180954
全文: [PDF 2216 KB] 下载:(291)
摘要

为了寻求新的非常规多铁性材料,采用固相合成方法制备具有Ruddlesden-Popper结构的(1-x)Sr3Sn2O7+xCa3Mn2O7(SSO+CMO)(x=0,0.05,0.10,0.15,0.20)系列陶瓷.通过X射线衍射、紫外可见光谱和磁性测量,发现SSO+CMO陶瓷为单一正交相结构,空间群为A2-1am.随着掺杂量x的增加,样品的晶胞参数和体积相应地减小;在室温不同频率下,样品的介电常数和介电损耗随着频率增加而减小,且在x=0.1时有弱的铁磁性.

多铁性钙钛矿薄膜的氧空位调控研究进展
Oxygen vacancies induced tuning effect on physical properties of multiferroic perovskite oxide thin films

赵润, 杨浩
物理学报. 2018, 67 (15): 156101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20181028
全文: [PDF 3295 KB] 下载:(329)
摘要

精确调控ABO3钙钛矿结构中氧空位的位置与浓度已被证明可调控多铁性薄膜的不同物理性质,包括输运特性、光学特性和多铁性质等.本文回顾了多种典型的多铁性材料,从氧空位形成机理、氧八面体结构、应变-氧空位关系和具体物性调控效应(多铁、超导和电化学性能)等角度介绍了该体系中氧空位调控效应.同时依托氧空位调控的最新研究进展,尤其是对氧空位调控单相材料多铁性质方面工作的分析,为探索新型磁电功能性材料与器件提供了重要参考.

伸缩-剪切模式自偏置铌酸锂基复合材料的磁电性能和高频谐振响应
Magnetoelectric effect in stretch-shear mode self-biased LiNbO3 based composite with high-frequency resonant response

辛成舟, 马健男, 马静, 南策文
物理学报. 2018, 67 (15): 157502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180810
全文: [PDF 493 KB] 下载:(130)
摘要

选用多种切型铌酸锂(LiNbO3)单晶,研究了铁基非晶合金(Metglas)/LiNbO3叠层复合材料基于伸缩-剪切模式的磁电耦合性能,揭示了铌酸锂单晶压电系数与复合材料剪切磁电耦合系数的对应关系,在使用铌酸锂xzt/30°切型时得到了最优化剪切磁电系数.通过SrFe12O19薄磁带提供偏置磁场,Metglas/LiNbO3磁电复合材料可在没有外加直流磁场时实现剪切磁电响应,并在0.991 MHz和3.51 MHz频率时分别测出了谐振磁电系数,有望将铌酸锂基剪切磁电复合材料用于高频磁场探测.

Ruddlesden-Popper结构杂化非本征铁电体及其多铁性
Hybrid improper ferroelectricity and multiferroic in Ruddlesden-Popper structures

刘小强, 吴淑雅, 朱晓莉, 陈湘明
物理学报. 2018, 67 (15): 157503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180317
全文: [PDF 1129 KB] 下载:(135)
摘要

杂化非本征铁电性是指在具有钙钛矿结构单元的金属氧化物中由氧八面体面内旋转和面外倾侧耦合诱导出的二阶铁电序,其有望在室温强磁电耦合多铁性材料中获得重要应用,并将极大地拓展铁电体物理学的内涵和外延.本文在阐述杂化非本征铁电性物理起源及其内禀电控磁性的基础上,总结了有关Ruddlesden-Popper结构杂化非本征铁电体及多铁性的主要研究进展与面临的挑战,并展望了发展方向.

钙钛矿型氧化物非常规铁电研究进展
Recent progress of improper ferroelectricity in perovskite oxides

赵国栋, 杨亚利, 任伟
物理学报. 2018, 67 (15): 157504      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180936
全文: [PDF 904 KB] 下载:(206)
摘要

钙钛矿型氧化物因具有丰富的磁性、铁电、力学和光学等诸多功能属性,在电子信息通信材料器件领域中有广阔的应用前景.在各种物理性质之中,铁电极化因其产生机制多样,并能与磁性和晶格应变相互耦合形成多铁性等特点,近十多年来一直被作为凝聚态物理研究的国际热点问题.与以自发极化作为初级序参量的常规铁电材料不同,非常规铁电材料中的铁电极化是被其他的序参量诱导而产生的.本综述围绕无机钙钛矿型氧化物非常规铁电体的研究进展进行了总结.回顾了该体系经典唯象理论和原子尺度的微观模型,有序排列的人工钙钛矿超晶格型结构,以及稀土正铁氧体单晶的反铁磁畴壁结构中非常规铁电的极化强度大小及其诱导机制,为系统理解非常规铁电提供了理论途径.

多阶有序钙钛矿多铁性材料的高压制备与物性
High pressure synthesis and physical properties of multiferroic materials with multiply-ordered perovskite structure

周龙, 王潇, 张慧敏, 申旭东, 董帅, 龙有文
物理学报. 2018, 67 (15): 157505      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180878
全文: [PDF 2029 KB] 下载:(195)
摘要

钙钛矿是研究磁电多铁性最重要的材料体系之一.由于高的结构对称性,在以往的立方钙钛矿晶格中尚未发现多铁现象.另外,现有的单相多铁性材料很难兼容大电极化和强磁电耦合,严重制约多铁性材料的潜在应用.本文简单综述了利用高压高温条件制备的两个多阶有序钙钛矿氧化物的磁电多铁性质.在具有立方晶格的多阶钙钛矿LaMn3Cr4O12中,观察到自旋诱导的铁电极化,表明该材料是第一个被发现的具有多铁性的立方钙钛矿体系.在另一个多阶有序钙钛矿BiMn3Cr4O12中,随温度降低该材料依次经历了I类多铁相和Ⅱ类多铁相.正因为这两类不同多铁相的同时出现,BiMn3Cr4O12同时展示了大的电极化强度和强的磁电耦合效应,并且通过不同的电场调控可实现四重铁电极化态,为开发多功能自旋电子学器件与多态存储提供了先进的材料基础.

基于PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3压电单晶的磁电复合薄膜材料研究进展 Hot!
Progresses of magnetoelectric composite films based on PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3 single-crystal substrates

徐萌, 晏建民, 徐志学, 郭磊, 郑仁奎, 李晓光
物理学报. 2018, 67 (15): 157506      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180911
全文: [PDF 5225 KB] 下载:(204)
摘要

电子信息技术的迅速发展对磁电功能器件的微型化、智能化、多功能化以及灵敏度、可靠性、低功耗等都提出了更高的需求,传统的块体磁电功能材料已日渐不能满足上述需求,而层状磁电复合薄膜材料同时具有铁电性、铁磁性和磁电耦合等多种特性,因此能满足上述需求且有望应用于新一代磁电功能器件.层状磁电复合材料不仅具有非常丰富的物理现象和效应,而且在弱磁探测器、多态存储器、电写磁读存储器、电场可调低功耗滤波器、移相器、天线等微波器件中也具有广阔的应用前景,因而受到材料科学家和物理学家广泛的关注和研究.在层状磁电复合材料中,功能薄膜/铁电单晶异质结因其制备简单、结构设计和材料选择灵活以及电场调控方便和有效,最近十余年引起了越来越多的研究人员的兴趣.目前,以具有优异铁电和压电性能的(1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3(PMN-PT)单晶作为衬底,构建功能薄膜/PMN-PT异质结已成为国内外多铁性复合薄膜材料研究领域的重要方向之一.相比于其他国家,我国科学家无论在发表的文章数量还是在文章被引用次数方面都处于领先地位,表明我国在功能薄膜/PMN-PT单晶异质结方面的研究卓有成效.迄今为止,研究人员已构建了锰氧化合物/PMN-PT、铁氧体/PMN-PT、铁磁金属/PMN-PT、稀磁半导体/PMN-PT、发光材料/PMN-PT、二维材料/PMN-PT、多层薄膜/PMN-PT、超导薄膜/PMN-PT等多种类型的异质结,在理论研究和实验方面都取得了丰富的研究成果.本文对基于PMN-PT压电单晶的磁电复合薄膜材料的研究进展进行了总结:简要介绍了与功能薄膜/PMN-PT异质结相关的研究论文发表现状;介绍了PMN-PT单晶在准同型相界附近的相图和应变特性;按照功能薄膜材料所属的体系对异质结进行了分类,并选取部分代表性的研究成果,介绍了材料的磁电性能和内涵的物理机制;最后就目前有待解决的问题和未来可能的应用方向进行了总结和展望.

多铁性磁电器件研究进展
Recent progress of multiferroic magnetoelectric devices

俞斌, 胡忠强, 程宇心, 彭斌, 周子尧, 刘明
物理学报. 2018, 67 (15): 157507      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180857
全文: [PDF 5136 KB] 下载:(300)
摘要

多铁性材料可以实现力、电、磁等多物理场之间的相互耦合,在小尺寸、快速响应和低功耗的磁电器件领域具有重要的应用前景.在应用需求的推动下,以具有磁电耦合效应的多铁性材料为基础的磁电器件在设计、微纳加工和性能优化等方面的研究取得了持续的进展.本文简要介绍了基于磁电耦合效应的几种原型器件的最新进展,包括可调谐电感、滤波器、磁电存储器、能量回收器、磁电传感器和磁电天线等,分析总结了各种磁电器件的工作原理及其性能表现,讨论了当前多铁性磁电器件研究所面临的问题和挑战,并提出了改进磁电器件性能的研究方向.

磁电异质结及器件应用 Hot!
Magnetoelectric heterostructure and device application

杨娜娜, 陈轩, 汪尧进
物理学报. 2018, 67 (15): 157508      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180856
全文: [PDF 1760 KB] 下载:(195)
摘要

磁电异质结是由铁磁和铁电材料通过连接层耦合而成,其磁电效应来源于铁电相的压电效应和铁磁相的磁致伸缩效应.相对于颗粒混相磁电复合材料,层状磁电异质结材料具有更高的磁电耦合系数和更低的介电损耗,使得其在磁场传感器、能量收集器、天线以及存储器等领域都有着巨大的应用前景.本综述重点总结了磁电异质结材料的发展历程以及相关应用领域的最新进展,最后评述了磁电异质结材料发展的挑战和前景展望.

激发态电荷转移有机体的多铁性研究
Excited charge-transfer organics with multiferroicity

袁国亮, 李爽, 任申强, 刘俊明
物理学报. 2018, 67 (15): 157509      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180759
全文: [PDF 5292 KB] 下载:(145)
摘要

随着人们对多铁性的深入了解,越来越多不同类型的有机多铁材料被合成出来.激发态电荷转移有机体的电荷转移网络是由一个提供电子的分子(给体donor,D+)和一个接受电子的分子(受体acceptor,A-)有序排列后构成的.D+A-长程有序排列,其激发态(激子)具有较长寿命和±1/2自旋,这是产生室温铁电性和铁磁性的根本原因.激发态容易受外场刺激,因此光照、磁场、电场、应力等能够很好地调控这类材料的铁电极化、磁矩和相应的磁电耦合系数.激发态电荷转移有机体不仅大大丰富了室温多铁材料体系,而且可以为开发新型多功能电子器件提供材料基础和技术储备.

异常双钙钛矿A2BB'O6氧化物的多铁性
Multiferroic properties of exotic double perovskite A2BB' O6

吴枚霞, 李满荣
物理学报. 2018, 67 (15): 157510      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180817
全文: [PDF 1367 KB] 下载:(221)
摘要

异常钙钛矿结构氧化物是多铁性材料家族中研究得最为广泛的体系之一.本文从ABO3钙钛矿结构出发,引入了异常A2BB'O6双钙钛矿材料,首先简要介绍了传统及异常A2BB'O6双钙钛矿氧化物的结构特点;然后讨论了A2BB'O6多铁性材料的研究进展,包括A位为Mn,Ni等过渡金属离子的极性磁体多铁性材料和A2CoMnO6A=Lu,Y,Yb,Lu)以及Mn2FeSbO6等第Ⅱ类多铁性材料;最后,在以上基础上展望了异常A2BB'O6双钙钛矿多铁性研究中存在的问题及新型多铁性材料研究的方向.

四方相多铁BiMnO3电控磁性的理论研究
Theoretical study on magnetoelectric effect in multiferroic tetragonal BiMnO3

袁野, 田博博, 段纯刚
物理学报. 2018, 67 (15): 157511      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180946
全文: [PDF 732 KB] 下载:(171)
摘要

钙钛矿结构BiMnO3作为同时具有铁电性与铁磁性的多铁材料,在人工神经网络方面可以作为一种潜在的人工突触材料,从而设计出新型多铁人工突触器件.本文使用第一性原理计算的方法,分别研究了四方相BiMnO3xy面内施加0.18%与4%应力条件下的铁电情况,以及Mn原子磁矩随着铁电极化强度变化的曲线.结果表明,在四方相多铁BiMnO3中,Mn原子磁矩会随着极化强度的增强而增大,表示其铁磁性可以在一定程度上由其铁电极化来进行调控,并且应力越大,其磁矩变化范围就越大.这一结果使得多铁BiMnO3在人工突触器件设计方面拥有潜在的应用价值,多铁性使其在作为人工突触器件材料中具有更多可调控的自由度,从而可用于模拟多突触连接.这可为将来构造类脑芯片打下一定的理论基础.

微纳尺度多铁异质结中电驱动磁反转 Hot!
Electric field driven magnetic switching in nanoscale multiferroic heterostructures

宋骁, 高兴森, 刘俊明
物理学报. 2018, 67 (15): 157512      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20181219
全文: [PDF 3185 KB] 下载:(136)
摘要

近年来,多铁异质结中电控磁性研究引起了广泛关注,已成为多铁领域的热点.现代自旋电子学器件(如磁内存)通常利用电流产生的磁场或自旋转移扭矩效应驱动磁反转来实现数据擦写,但这带来高额能耗和热量,成为亟待解决的关键难题.而利用多铁异质结实施电场驱动磁反转则有望大幅降低能耗,从而实现高速、低能耗、高稳定性新型高密度磁存储、逻辑及其他自旋电子学器件.在当前器件发展的微型化趋势下,探索可集成化的微纳尺度电场驱动磁反转方案显得越发重要.本文针对发展新型磁电器件所面临的微型化关键问题,回顾了微纳尺度电场驱动磁反转研究的新进展,主要关注小尺度多铁异质结中电控磁的新特点、新方法及相关物理机理的实验和理论成果,讨论了进入纳米尺度将面临的挑战,并对未来研究工作提出一些展望.

多铁异质结构中逆磁电耦合效应的研究进展
Progress of converse magnetoelectric coupling effect in multiferroic heterostructures

陈爱天, 赵永刚
物理学报. 2018, 67 (15): 157513      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20181272
全文: [PDF 4645 KB] 下载:(192)
摘要

电场调控磁性能够有效降低功耗,在未来低功耗多功能器件等方面具有巨大的潜在应用前景.铁磁/铁电多铁异质结构是实现电场调控磁性的有效途径,其中室温、磁电耦合效应大的应变媒介磁电耦合是最为活跃的研究领域之一.本文简要介绍在以Pb(Mg1/3Nb2/30.7Ti0.3O3为铁电材料的多铁异质结构中通过应变媒介磁电耦合效应对磁性、磁化翻转及磁性隧道结调控的研究进展.首先讨论了多铁异质结构中电场对磁性的调控;之后介绍了电场调控磁化翻转的研究进展及理论上实现的途径;然后简述了电场对磁性隧道结调控的相关结果;最后在此基础上,对多铁异质结构中电场调控磁性及磁性器件进行了总结和展望.

低维铁电材料研究进展
Research progress of low-dimensional ferroelectric materials

胡婷, 阚二军
物理学报. 2018, 67 (15): 157701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180483
全文: [PDF 8797 KB] 下载:(246)
摘要

铁电材料是一类重要的功能材料,铁电元件的小型化、集成化是当今铁电材料发展的一大趋势.但是尺寸效应、表面效应等的存在制约了传统块体铁电材料在纳米尺度下的应用,因而低维度纳米材料中的铁电性能研究成为当前材料科学领域的研究热点之一.本文综述了近年来理论和实验上关于低维铁电材料的探索,包括二维范德瓦耳斯层状铁电材料、共价功能化低维铁电材料、低维钙钛矿材料、外界调控以及二维“铁电金属”等材料的理论预言与实验铁电性的观测;也提出一些物理新机制来解释低维下的铁电性;最后对该领域今后的发展进行了展望.

铋层状氧化物单晶薄膜多铁性研究进展
Research progress of multiferroicity in Bi-layered oxide single-crystalline thin films

翟晓芳, 云宇, 孟德超, 崔璋璋, 黄浩亮, 王建林, 陆亚林
物理学报. 2018, 67 (15): 157702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20181159
全文: [PDF 8468 KB] 下载:(143)
摘要

室温单相多铁材料非常稀缺,磁性元素掺杂的铋层状钙钛矿结构Aurivillius相氧化物是一类重要的单相室温多铁材料,但由于缺少单晶类样品,这一类多铁材料研究主要是围绕多晶类块体或者多晶薄膜展开,它们的磁、电等性能研究大都采用宏观探测方式,因此这类多铁材料的多铁性机理研究进行得非常困难.近年来在高质量单晶薄膜的基础上,研究了多种磁性元素掺杂和不同周期结构的铋层状氧化物多铁单晶薄膜.这些单晶薄膜在室温下大都具有层状面面内方向的铁电极化,以及比较小的室温磁化强度,低温区存在第二个磁性相变.通过X射线共振非弹性散射实验发现元素掺杂会改变金属和氧原子之间的氧八面体晶体场的劈裂,能够增强铁磁性.另一方面,通过极化中子反射实验发现薄膜主体的磁化强度远小于通常探测的宏观磁化强度,说明单晶薄膜中磁的来源及其磁电耦合机理和多晶块体很可能是不同的.铋层状单晶薄膜的多铁性对未来继续改善这类材料的多铁性能有很好的指导作用.

铁电体的光伏效应
Photovoltaic effect in ferroelectrics

蔡田怡, 雎胜
物理学报. 2018, 67 (15): 157801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180979
全文: [PDF 1741 KB] 下载:(275)
摘要

介绍了铁电光伏效应的发展历史和现状,通过与传统半导体p-n结光伏器件比较,旨在阐述铁电光伏器件非比寻常的优点和重要的应用前景.铁电光伏效应分为体光伏效应和反常光伏效应,多种物理机制已被发现,无疑为铁电光伏效应的提高指明了方向.还对钙钛矿氧化物、卤化物和双钙钛矿结构氧化物等铁电体中的光伏效应进行了阐述,讨论了通过引入新的自由度实现多功能性光伏器件的可能性.

综述

高效平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的质量管理
Quality management of high-efficiency planar heterojunction organic-inorganic hybrid perovskite solar cells

李少华, 李海涛, 江亚晓, 涂丽敏, 李文标, 潘玲, 杨仕娥, 陈永生
物理学报. 2018, 67 (15): 158801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172600
全文: [PDF 1760 KB] 下载:(130)
摘要

基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳电池具有能量转换效率高和制备工艺简单等优点,引起了学术界的高度关注.其中平面异质结结构太阳电池具有结构简单,可与其他类型电池相兼容以构筑叠层电池设计,以及可低温制备等诸多优点,成为当前的一个重要研究方向.然而,电池性能的优劣与钙钛矿薄膜质量的高低有着直接的联系.本文对钙钛矿材料的特性、一步溶液法制备薄膜的成核-生长机理、电池结构的演变等进行了概述,其中重点介绍了高质量钙钛矿薄膜溶液法制备过程的一些最新的质量控制方法;最后对钙钛矿太阳电池的发展及存在问题进行了总结和展望,为今后的研究提供参考.

总论

级联光束分离器的纠缠特性及其应用
Entanglement properties of multi-cascaded beamsplitter and its applications

贾芳, 张魁正, 胡银泉, 张浩亮, 胡利云, 范洪义
物理学报. 2018, 67 (15): 150301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180362
全文: [PDF 388 KB] 下载:(83)
摘要

光束分离器是一个具有广泛应用的线性光学器件,它在非经典量子态特别是纠缠态的制备中具有重要作用.基于单个光束分离器的表象表示,本文进一步考察多个级联光束分离器的纠缠特性,特别是结合有序算符内的积分技术推导了级联光束分离器的正规乘积、紧指数表示及级联算符的表象表示.作为应用,本文利用两个级联光束分离器获得了量子力学表象及其Schmidt分解,并结合量子条件测量制备了qubit态的叠加态.本文的研究方法已被直接推广至多个光束分离器级联情况,相关研究内容为多模纠缠态、多模qubit态的制备提供了一种有效的途径,且为由光束分离器组成的线性器件系统总作用的算符正规乘积及其紧指数表示提供了一般方法.

XY双自旋链耦合的双量子比特系统的关联性与相干性
Correlation and coherence for two-qubit system coupled to XY spin chains

杨阳, 王安民, 曹连振, 赵加强, 逯怀新
物理学报. 2018, 67 (15): 150302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180812
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摘要

研究了双量子比特系统中在具有Dzyaloshinsky-Moriya相互作用的独立XY自旋链环境下的相干性与关联性动力学.推导出相干性与关联性的演化规律.发现在自旋链的临界点附近,当t<t0时,系统相干性的演化与经典关联完全相同;而在t>t0时,则与量子关联完全相同;在t0时刻,量子关联突变为经典关联.

分数阶Willis环脑迟发性动脉瘤时滞系统混沌分析
Chaotic analysis of fractional Willis delayed aneurysm system

高飞, 胡道楠, 童恒庆, 王传美
物理学报. 2018, 67 (15): 150501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180262
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摘要

在脑血动脉瘤的临床研究中,Willis环脑动脉血管瘤系统(Willis aneurysm system,WAS)起着重要作用,分数阶WAS尽管能进一步加深该系统的机理刻画,但是不能描述原因不明的迟发性动脉瘤.鉴于此,本文提出分数阶Willis环脑迟发性动脉瘤时滞系统(fractional Willis aneurysm system with time-delay,FWASTD)并验证了其有效性;利用时间序列图、相图、Poincaré截面等证实了FWASTD的混沌特性;研究时滞对于系统的重要生理参量的影响,发现了血流阻力系数在时滞状态下对系统稳定的重要性;根据分数阶时滞系统的稳定性理论,设计相应线性控制器,对FWASTD进行了有效控制,同时也探讨了时滞系统的自同步控制.本文完善了脑动脉瘤系统的理论基础.

运动目标激光微多普勒效应平动补偿和微动参数估计
Translation compensation and micro-motion parameter estimation of laser micro-Doppler effect

郭力仁, 胡以华, 董骁, 李敏乐
物理学报. 2018, 67 (15): 150701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172754
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摘要

利用激光探测微多普勒效应可以精确估计微动参数,有利于实现目标的准确分类和精细识别.运动目标的微多普勒效应是一种由多项式相位信号模型与正弦调频模型组成的混合信号.对于这类混合信号中的微动参数估计目前还未提出有效的方法.对此,本文提出一种基于分数阶傅里叶变换(FrFT)的平动补偿方法,通过设计对FrFT参数域的带宽搜索方法,可以从混合信号中精确估计平动参数,实现平动和微动的分离;通过设计静态参数粒子滤波器,从补偿后的信号中准确估计了微动参数;针对静态参数模型,采用马尔可夫-蒙特卡罗方法增加粒子多样性,并利用累积残差定义新的粒子权重计算函数,保证了算法在对多维参数估计时的快速有效收敛,避免了参数分别估计时误差传递的影响.通过仿真分析对比和实验数据,验证了本文所提补偿和参数估计算法的有效性.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

激光器内腔频差对双折射外腔激光回馈系统输出影响的理论及实验研究
Theoretical and experimental research on influence of cavity frequency difference in birefringent laser feedback system

牛海莎, 祝连庆, 宋建军, 董明利, 娄小平
物理学报. 2018, 67 (15): 154201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180230
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摘要

玻璃材料的内应力关系及所在系统的稳定性、安全性和可靠性,是精密加工领域的重要问题.基于双折射外腔激光回馈效应的应力测量技术以其先进新颖的测量原理受到普遍关注.传统理论普遍认为双折射回馈系统中激光器的输出相位仅由外腔相位延迟决定,而将测量误差归因于外腔镜的非线性运动.本文结合正交偏振激光原理和三镜腔等效模型,测量了激光器的内腔双折射引起的频差大小,进行了频率调谐回馈实验,并根据结论计算了内腔频差对外腔相位延迟测量结果的影响,发现激光器的输出相位由外腔相位延迟、内腔频差、外腔长度共同决定.本文总结了内腔和外腔各向异性共同作用下激光器正交偏振态的相位特性,补充了激光回馈的物理内容,对于应力-双折射、位移、距离等重要参量的精确测量,都具有重要指导意义.

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析
Theoretical and numerical study on narrow-linewidth nanosecond pulsed Raman fiber amplifier

粟荣涛, 张鹏飞, 周朴, 肖虎, 王小林, 段磊, 吕品, 许晓军
物理学报. 2018, 67 (15): 154202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172679
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摘要

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.

背景气体对金属原子二维平面蒸发过程的影响
Influence of background gas on two-dimensional metal evaporation

卢肖勇, 张小章
物理学报. 2018, 67 (15): 154701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180066
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摘要

在原子蒸气法激光分离同位素中,金属原子蒸气宏观物理性质的空间分布会直接影响到分离过程的电离率和原料利用率.本文从分离过程的实际需求出发,建立了双组分气体的Bhatnagar-Gross-Krook模型方程组,并利用数值计算方法对方程进行求解,研究了背景气体对二维平面蒸发过程中原子蒸气宏观物理性质和蒸发速率的影响.研究结果表明:随着背景气体密度的增加,远离蒸发源位置处的金属原子蒸气密度增大,速度减小,温度升高,而近蒸发源位置处原子蒸气的性质则几乎不受影响,因而蒸发速率基本上不随背景气体密度发生变化.另外,随着尾料板温度的升高和对原子蒸气吸收率的增加,金属原子蒸气宏观物理性质受背景气体的影响逐渐下降.理论计算的结果对于分离装置的真空设计和光斑分布设计有较为重要的参考意义.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

X-两环结构的光学特性研究
Optical property of X-two ring structure

潘庭婷, 曹文, 邓彩松, 王鸣, 夏巍, 郝辉
物理学报. 2018, 67 (15): 157301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172582
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摘要

提出了一种X-两环的金属周期性阵列结构,该结构由两个同心圆环包围中心X型构成.利用时域有限差分算法研究了该结构的光学特性.计算表明,当光入射到金属表面时,能够在结构中产生法诺共振现象,并在不同的位置下产生共振谷.同时,共振谷的出现又明显依赖于结构的相对参数(X的臂长、内外环的距离、内外环宽度、周期、环数、X所呈的角度),从而可以通过调节结构的相对参数来实现对结构的共振强度及共振谷位置的调控.另外,进一步分析了在不同环境折射率条件下该结构共振谷的变化规律,可以得出该结构也对周围的环境折射率有着较高的敏感度,最高可达1300 nm/RIU.结果表明,该结构在环境折射率传感器及某些光子器件的应用方面有着潜在的价值.

基于Au/TiO2/FTO结构忆阻器的开关特性与机理研究
Resistive switching characteristics and resistive switching mechanism of Au/TiO2/FTO memristor

余志强, 刘敏丽, 郎建勋, 钱楷, 张昌华
物理学报. 2018, 67 (15): 157302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180425
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摘要

采用简单的一步水热法在FTO导电玻璃上外延生长了锐钛矿TiO2纳米线,制备了具有Au/TiO2/FTO器件结构的锐钛矿TiO2纳米线忆阻器,系统研究了器件的阻变开关特性和开关机理.结果表明,Au/TiO2/FTO忆阻器具有非易失的双极性阻变开关特性.同时,在103 s的时间内,器件在0.1 V的电阻开关比始终保持在20以上,表明器件具有良好的非易失性.此外,器件在低阻态时遵循欧姆导电特性,而在高阻态时则满足陷阱控制的空间电荷限制电流传导机制,同时提出了基于氧空位导电细丝形成与断开机制的阻变开关模型.研究结果表明Au/TiO2/FTO忆阻器将是一种很有发展潜力的下一代非易失性存储器.

氧化物隔离对Si基片上生长L10相FePt薄膜磁性的影响
Effects of oxide isolation layer on magnetic properties of L10 FePt film grown on Si substrate

李丹, 李国庆
物理学报. 2018, 67 (15): 157501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180387
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摘要

用MgO和SiO2两种氧化物将FePt薄膜与Si(100)基片隔离,分析隔离层在FePt层发生A1 → L10转变过程中的作用,寻找用Si母材涂敷L10-FePt磁性层来提高磁力显微镜针尖矫顽力的合理方案.采用磁控溅射法在400℃沉积FePt薄膜,在不同温度进行2 h的真空热处理,分析晶体结构和磁性的变化.结果表明:没有隔离层,Si基片表层容易发生扩散,50 nm厚FePt薄膜的矫顽力最大只有5 kOe(1 Oe=103/(4π)A·m-1);而插入隔离层,矫顽力可以超过10 kOe;MgO在Si基片上容易碎裂,热处理温度不能高于600℃,用作隔离层,FePt的最大矫顽力为12.4 kOe;SiO2与Si基片的晶格匹配更好,热膨胀系数差较小,能承受的最高热处理温度可以超过800℃,使得FePt的矫顽力可以在5 kOe到15 kOe范围内调控,更适合用于制作矫顽力高并可控的磁力显微镜针尖.

介质部分填充平行平板传输线微放电过程分析
Multipactor in parallel-plate transmission line partially filled with dielectric material

翟永贵, 王瑞, 王洪广, 林舒, 陈坤, 李永东
物理学报. 2018, 67 (15): 157901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180351
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摘要

本文主要研究了介质填充微波部件微放电随时间演变的过程,重点分析了介质微波部件微放电自熄灭机理.以介质部分填充平行平板传输线为研究对象,忽略空间电荷效应,采用自主研发粒子模拟软件模拟微放电过程,并将模拟结果与金属微波部件结果进行对比.结果表明,在一定功率下,金属微放电过程中电子数目呈指数形式增长,而介质微放电过程经历初始电子倍增后发生自熄灭现象,同时发现在电子数目即将下降为0时,介质表面的平均二次电子发射系数大于1或约等于1.另外,在上述模拟结果的基础上对微放电过程中介质表面积累电荷问题进一步分析,模拟结果表明,如果持续向微波部件内注入电子,介质表面的平均二次电子发射系数最终都约等于1.所得结论对研究复杂介质填充微波部件微放电的机理具有一定的理论指导价值.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

多聚赖氨酸诱导的负电性磷脂巨囊泡形变
Poly-L-lysine induced shape change of negatively charged giant vesicles

盛洁, 王开宇, 马贝贝, 朱涛, 蒋中英
物理学报. 2018, 67 (15): 158701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180456
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摘要

利用荧光显微技术表征了多聚赖氨酸诱导的负电性磷脂巨囊泡的动力学响应行为.研究发现,多聚赖氨酸可吸附至二油酰磷脂酰胆碱和二油酰磷脂酸混合磷脂巨囊泡的表面,诱导其发生粘连、出“绳”及破裂现象.分析认为,在低盐环境中,膜形变由多聚赖氨酸吸附于二油酰磷脂酸富集区引起的膜两叶应力不对称,以及静电相互作用等因素产生.研究结果对基于聚合物-巨囊泡体系的药物输运控释、细胞形变、微控反应和基因治疗等方面的研究提供有价值的支持.

用于心脏电活动成像的空间滤波器输出噪声抑制方法
The method of suppressing spatial filter output noise-power gain for cardiac electrical activity imaging

周大方, 张树林, 蒋式勤
物理学报. 2018, 67 (15): 158702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180294
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摘要

利用人体表面测量的心脏磁场数据无创成像心脏电活动,需要解决的关键问题是提高其重建分布电流源偶极矩强度的分辨率.本文在最小方差波束成形(MVB)方法的基础上,提出了一种可抑制空间滤波器输出噪声功率增益(SONG)的波束成形方法,目的是通过构造一种新的滤波器权矩阵,约束空间滤波器的输出噪声功率增益,提高重建分布电流源偶极矩强度的分辨率,即分布电流源空间谱估计的源分辨能力,从而增强心脏电活动磁成像的分辨率.文中给出了电流源重建的理论分析和仿真结果;比较了该方法与MVB方法的差别;并给出了两个健康人36通道心脏磁场数据的电活动成像.结果表明,SONG方法分辨电流源的能力较强,能够观察到心脏电磁场信号R峰时刻健康人的心室电活动较强,心房电活动较弱等特征


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