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Vol. 61, No. 4 (2012)

2012年02月20日
总论 基本粒子物理学与场 核物理学 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 气体、等离子体和放电物理 凝聚物质:结构、力学和热学性质 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域 地球物理学、天文学和天体物理学
总论
稳定噪声环境下过阻尼系统中的参数诱导随机共振现象
张广丽, 吕希路, 康艳梅
2012, 61 (4): 040501. doi: 10.7498/aps.61.040501
摘要 +
本文采用随机模拟方法, 研究了过阻尼振子系统在稳定噪声环境下的参数诱导随机共振现象. 结果表明, 在噪声环境下, 调节系统参数能够诱导随机共振现象; 而且调节非线性项参数时, 随机共振效果随稳定噪声的指数的减小而减弱, 但当调节线性项参数时, 随机共振效果则随着稳定噪声的特征指数的减小而增强. 本文的结论在稳定噪声环境下, 利用参数诱导随机共振原理进行弱信号检测方面具有重要的理论意义, 并有助于理解不同稳定噪声对一般随机共振系统的共振效果的影响.

编辑推荐

一种有效的提高复杂网络同步能力的自适应方法
朱廷祥, 吴晔, 肖井华
2012, 61 (4): 040502. doi: 10.7498/aps.61.040502
摘要 +
本文提出了一种根据节点状态来调节网络中边权重的自适应方法(MDMF)来提高网络的同步能力, 总结了网络规模与网络平均速度对同步能力的影响. 研究发现, 通过这种自适应方法, 得到网络的同步能力与网络规模成幂率关系. 在相同网络规模下, 此方法能使网络的同步能力高于无权重网络几个数量级.当网络规模越大时, 提高同步能力越高效.
基于异构计算的简单行走模型的吸引区域研究
李清都, 周红伟, 杨晓松
2012, 61 (4): 040503. doi: 10.7498/aps.61.040503
摘要 +
被动行走机器人由于结构简单、能量利用率高而倍受青睐, 但其很容易跌倒, 因此准确把握最终步态与吸引区域成了关键. 由于面对非光滑系统, 大规模数值计算很难避免, 为此本文先提出基于CPU+GPU异构平台的Poincar映射算法. 该算法可发挥最新平台计算潜力, 比传统CPU上算法快上百倍. 得益于此, 本文针对双足被动行走的最基本模型, 大规模地选取样点进行计算, 不仅清晰地得出吸引区域的形状轮廓和细节特征, 揭示了其内在分形结构, 还得到系统吸引集和吸引区域随倾角k的变化关系, 发现了新的稳定三周期步态和倍周期分岔混沌现象, 并研究了吸引区域.
一个新的超混沌系统及其自适应追踪控制
李春来, 禹思敏
2012, 61 (4): 040504. doi: 10.7498/aps.61.040504
摘要 +
通过在一个三维混沌系统中加入状态反馈控制器, 构造出一个新的四维超混沌系统. 分析表明, 随着不同参数变化该系统呈现周期、复杂周期、准周期、混沌及超混沌运动. 同时设计出模拟电子电路对该超混沌系统进行了实验验证. 最后, 设计了一个自适应追踪控制器,实现了其对各种不同参考信号的单变量追踪控制.
基于SPIHT的图像加密与压缩关联算法
杨华千, 廖晓峰, Kwok-Wo Wong, 张伟, 韦鹏程
2012, 61 (4): 040505. doi: 10.7498/aps.61.040505
摘要 +
为了研究图像压缩与加密同步进行问题, 本文提出了一种在变换域下的图像加密与压缩关联算法在该算法中, 加密过程发生在小波变换与SPIHT编码之间它充分利用了离散小波变换和基于层次树的集合划分(set partitioning in hierarchical trees, SPIHT)编码属性, 扩散过程被限制在单个子带内部. 此外, 混淆过程保留了SPIHT编码中两个最重要的位和符号位, 它包含了图像的重要信息. 实验结果表明, 算法具有良好的安全性、图像重构视觉质量以及很高的加/解密速度.
采用优化极限学习机的多变量混沌时间序列预测
高光勇, 蒋国平
2012, 61 (4): 040506. doi: 10.7498/aps.61.040506
摘要 +
基于优化极限学习机理论, 提出一种多变量混沌时间序列预测方法. 该方法利用复合混沌和混沌变尺度算法对极限学习机的模型参数进行搜索和优化, 以提高极限学习机的泛化性能; 然后利用优化后的极限学习机对Rossler耦合系统的多变量混沌时序进行一步和多步预测, 并且与同类算法进行了比较, 结果表明了该方法的有效性, 且算法具有较强的抗噪能力; 最后讨论了预测结果和隐层神经元数目的关系.
一个全局耦合不连续映像格子中的冻结化随机图案模式
谭红芳, 金涛, 屈世显
2012, 61 (4): 040507. doi: 10.7498/aps.61.040507
摘要 +
本文研究了一类既不连续又不可逆分段线性映像构成的全局耦合映像格子系统中的一类典型集体动力学行为, 即冻结化随机图案模式. 计算了平均同步序参量和最大李雅普诺夫指数随耦合强度的变化. 结果显示, 当耦合强度超过某个阈值后, 在给定动力学变量的初始下, 系统几乎都能达到完全或部分同步状态, 出现冻结化随机图案. 这些现象表明, 耦合映像格子系统中存在着多个共存的吸引子. 因此, 其冻结化图案的结构和分布敏感地依赖于格点动力学变量初始值的选取. 感兴趣地是, 即使当单映像处于混沌状态时, 格点间的耦合仍能将系统调制到规则的运动状态, 这种特征对于混沌控制具有重要的利用价值. 上述丰富动力学行为的出现是由于单映像中不连续性和不可逆性相互作用的结果.
过渡流区钝锥体Linear桥函数调节参数研究
戎宜生, 刘伟强
2012, 61 (4): 040508. doi: 10.7498/aps.61.040508
摘要 +
由于过渡区域流动的物理现象的复杂性和流动控制方程的非线性, 航天飞行器设计所需要的气动加热特性目前主要由工程计算方法得到. 为了使计算过渡流区热流的Linear桥函数方法能适用于广泛应用的钝锥体外形, 拟合得到了相应的调节参数, 使用DSMC方法对计算结果进行验证. 验证结果表明该调节参数适用于钝锥体外形, 使得Linear桥函数在过渡流区能比较准确地计算钝锥体物面热流.
彩色滤光膜硅覆液晶微显示器的三维光学建模
张宝龙, 李丹, 戴凤智, 杨世凤, 郭海成
2012, 61 (4): 040701. doi: 10.7498/aps.61.040701
摘要 +
本文针对彩色滤光膜(color filter, CF)硅覆液晶(liquid crystal on silicon, LCoS)微显示器件(microdisplay)中的微型彩色像素建立了三维光学模型. 这个三维光学建模主要分为三个过程, 即彩色液晶器件的机电特性分析, 利用扩展琼斯矩阵(extended Jones matrix)计算器件的光反射率, 以及采用标准RGB(standard RGB, sRGB)协议将CF-LCoS微显示阵列中各像素点的光反射特性还原成彩色图像. 通过上述过程建立的三维光学模型用于CF-LCoS的光学特性研究并与实验数据进行比较. 比较结果显示, 模拟得到的CF-LCoS微显示器的光学特性与实验结果非常符合.
新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤的有限元分析
于歌, 韩奇钢, 李明哲, 贾晓鹏, 马红安, 李月芬
2012, 61 (4): 040702. doi: 10.7498/aps.61.040702
摘要 +
基于有限元法, 对新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤进行了分析与研究.研究结果表明: 新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤在不降低顶锤的传压效率的前提下, 能够将顶锤的使用寿命延长3.05%16.75 %; 新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤获得的极限腔体压力值可增加至6.09 GPa, 较传统顶锤(5.80 GPa)提高5%, 从而扩宽高压下功能材料的合成区间.新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤的使用, 将降低六面顶液压机的使用成本, 促进高压技术和材料科学等学科的发展.
刻划微棱锥抗反射层的GaP太赫兹波发射器
刘丰, 胡晓堃, 栗岩锋, 邢岐荣, 胡明列, 柴路, 王清月
2012, 61 (4): 040703. doi: 10.7498/aps.61.040703
摘要 +
报道了利用出射面加工有微棱锥结构抗反射层的GaP晶体THz发射器产生超快THz脉冲. 基于微结构界面等效折射率渐变原理, 设计并利用超精密微加工技术在GaP块状THz发射器出射面加工了亚波长微棱锥结构层, 用以提高所产生的THz波的耦合输出. 实验验证了该微结构层能提高所产生的THz波的耦合输出效率, 并能够有效散射剩余抽运光, 提高系统运转的稳定性.
基本粒子物理学与场
ILC上Z玻色子与荷电top-pion对联合产生过程的研究
韩金钟, 秦臻, 王学雷
2012, 61 (4): 041201. doi: 10.7498/aps.61.041201
摘要 +
在国际直线对撞机(ILC)上顶色辅助的人工色(TC2)模型下对Z玻色子与荷电top-pion对联合产生过程e+e- → Zπt+πt-进行了研究. 计算了过程e+e- → Zπt+πt-的产生截面, 发现在TC2模型所允许的参数空间范围之内该过程的截面最大可达到1 fb. 考虑到荷电top-pion的主要的衰变模式πt+ → tb, 发现该截面在ILC能产生很可观的事例数.
核物理学
相对论电子束在动态加载等离子体中的自聚焦传输
苏东, 唐昌建
2012, 61 (4): 042501. doi: 10.7498/aps.61.042501
摘要 +
为了进一步研究相对论电子束-离子通道辐射实验和理论的需要, 研究了相对论电子束入射中性气体以及通过碰撞电离动态加载等离子体实现对高能束流的自聚焦传输过程PIC(particle in cell) 模拟发现, 电子束电离出的离子背景能够实现对电子束的聚焦传输. 但是离子背景横向和纵向的不均匀性对束流的传输特性有显著影响. 在此基础之上, 提出了电子束在横向不均匀离子背景中传输的理论模型, 给出了束流的自聚焦条件.数值计算结果表明, 横向不均匀性会导致电子束的混合相位传输, 使得焦点附近内层电子可能跑到电子束外而被散焦损失, 这与PIC模拟的结果相符. 此外, PIC模拟还发现, 由于电子束的自聚焦, 在焦点处将电离出更多的离子而引起纵向不均匀性, 纵向不均匀性使得碰撞后的低能电子被俘获, 俘获电子效应会大幅降低电子束的传输效率. 但是俘获电子在纵向呈准周期分布, 对传输电子起到静电Wiggler场的作用, 可能实现静电Wiggler场的动态加载. 研究结果对于进一步研究电子束-等离子体系统的实验以及理论模型提出有一定的参考价值.
原子和分子物理学
啁啾微波场中里德伯钠原子高激发态的布居跃迁
蒋利娟, 张现周, 马欢强, 贾光瑞, 张永慧, 夏立华
2012, 61 (4): 043101. doi: 10.7498/aps.61.043101
摘要 +
采用含时多态展开方法, 结合B样条函数和单电子原子模型势研究微波场中钠原子里德伯高激发态的性质, 得到钠原子的能级结构及在微波场中的布居数迁移, 实现对量子态的操纵与控制. 结果表明: 含时多态展开方法结合B样条函数和单电子原子模型势是有效研究微波场中碱金属原子性质的一种方法; 选择合适的啁啾率、振幅等参数, 可以实现布居数在量子态之间的完全迁移和量子态囚禁.
NaBn(n=19)团簇的几何结构和电子性质
阮文, 谢安东, 余晓光, 伍冬兰
2012, 61 (4): 043102. doi: 10.7498/aps.61.043102
摘要 +
应用密度泛函理论(DFT)中B3LYP方法在6-311+G(d)水平上计算并分析了 NaBn(n=19)团簇的几何结构及电子性质. 同时, 讨论了团簇的平均结合能、能级间隙、二阶能量差分和极化率.研究表明:NaBn(n=19) 团簇基态绝大多数为平面构型. 能级间隙和二阶能量差分结果表明NaB3与NaB5是幻数团簇. 另外, 对平均线性极化率和极化率的各向异性不变量研究表明基态NaBn团簇的电子结构随B原子的增加虽然趋于紧凑, 但尚未形成特定的堆积方式.
第一性原理研究hcp-C3碳体环材料的力学性质
李青坤, 孙毅, 周玉, 曾凡林
2012, 61 (4): 043103. doi: 10.7498/aps.61.043103
摘要 +
为探索新型高强度材料, 使用第一性原理方法研究了hcp-C3碳体环材料的晶体结构、电子性质与力学性质. 结构计算与电子性质分析表明, 基于特殊的分子结构, 碳体环结构中出现了变形的sp3杂化形式. 这使得hcp-C3碳体环结构中力学特性具有明显的方向依赖性. 力学性质计算表明, 沿着[0001]晶向, 碳体环结构的弹性模量达到1033 GPa, 抗拉强度达到124.17 GPa, 抗压强度达到381.83 GPa, 沿[2110]晶向的抗压强度达到了458.34 GPa, 从而显示了hcp-C3碳体环材料优秀的力学性质. hcp-C3碳体环材料可作为新型的高强度材料而使用.
SiN分子外电场情况下的发光特性
徐国亮, 谢会香, 袁伟, 张现周, 刘玉芳
2012, 61 (4): 043104. doi: 10.7498/aps.61.043104
摘要 +
为全面分析外电场对分子发光特性的影响, 本文采用密度泛函B3P86方法6-31g(d)基组, 对SiN分子进行了基态结构的优化, 进而使用含时密度泛函方法(time dependent density functional theory, TDDFT), 计算了不同方向及大小的外电场情况下SiN分子的吸收谱、激发能、振子强度、跃迁偶极矩. 通过比较发现外电场对该分子的激发能、吸收谱、跃迁振子强度及跃迁偶极矩影响都比较明显, 说明了电场对SiN分子的激发特性影响比较复杂, 特别是在加场前后分子均有在可见光区波段的吸收谱, 这对研究分子的发光很有意义.同时对该分子所发可见光谱的产生机理进行了分析, 并与已有实验结果进行比较.
YH,YD,YT分子基态的结构与势能函数
许永强, 彭伟成, 武华
2012, 61 (4): 043105. doi: 10.7498/aps.61.043105
摘要 +
在Y的有效核势近似下, 对H分别选6-311++G(3df,2pd), AUG-cc-PVTZ, AUG-cc-PVQZ基组, 应用密度泛函理论的B3LYP方法, 优化计算了YH(D,T)分子基态的能量, 平衡结构, 和谐振频率.根据原子分子反应静力学原理, 导出了YH(D,T)分子基态的合理离解极限. 通过优化计算结果和已有的实验和理论数据对比, 得出LANL2TZ/AUG-cc-PVQZ混合基组为对体系进行计算的最优基组. 基于此, 在B3LYP/LANL2TZ/AUG-cc-PVQZ水平对YH(D,T)分子基态的势能面进行了单点能扫描. 并采用最小二乘法拟合得到了相应的Murrell-Sorbie势能函数. 计算出了这些分子的力常数(f2, f3, f4)和光谱常数(Be, e, e, ee, De).结果与已有的实验数据符合得很好.
高温辐射场作用下的原子过程
孟广为, 李敬宏, 裴文兵, 张维岩
2012, 61 (4): 043201. doi: 10.7498/aps.61.043201
摘要 +
等离子体中辐射能量密度与物质能量密度的比值是区分等离子体原子过程性质的重要参量. 根据这个参量, 等离子体中的原子过程可分为碰撞占优和辐射占优两种典型类型. 数值模拟发现碰撞占优和辐射占优的原子过程有不同的性质: 碰撞占优的等离子体能够很快达到LTE状态; 辐射占优等离子体的束缚电子温度、电离度和自由电子温度存在不同的弛豫时间尺度, 存在某种形式的准平衡状态.
平行线偏光激发CPT共振方案实验研究
杨晶, 刘国宾, 顾思洪
2012, 61 (4): 043202. doi: 10.7498/aps.61.043202
摘要 +
目前的相干布居囚禁(CPT)原子钟和CPT磁场计中普遍采用圆偏振光方案 (σ+-σ+)实现CPT共振, 该方案对原子的利用率较低. 为了提高原子的利用率, 本文实验研究了通过平行线偏振相干双色光与87Rb原子作用实现CPT共振的方案(lin//lin). 与σ+-σ+方案相比较, lin//lin方案消除了极化暗态, 获得更多工作原子. 在相同的实验条件下, 开展对比实验研究获得了信噪比为σ+-σ+方案2倍, 微分线型信号的中心斜率为σ+-σ+方案1.65倍的CPT共振信号. 研究结果表明该方案是实现低功耗原子钟、磁场计等设备的理想候选.
左手性材料对V形三能级原子光谱的影响
于明章, 曾小东, 王大伟, 羊亚平
2012, 61 (4): 043203. doi: 10.7498/aps.61.043203
摘要 +
本文研究了左手性材料板附近V形三能级原子的动力学演化及辐射光谱特性. 主要考虑了从两上能级向下能级跃迁的电偶极矩相互垂直的情形, 探讨了原子初始状态对辐射光谱的影响. 研究结果表明, 左手材料的反聚焦和相位补偿效应所引发的间接量子干涉, 导致两上能级的原子布居数相互影响, 原子在上能级的寿命明显增长或缩短, 并造成了谱线变窄或展宽.
Ar+17和 Ar+16谱线的电子碰撞展宽
段斌, 吴泽清, 颜君, 李月明, 王建国
2012, 61 (4): 043204. doi: 10.7498/aps.61.043204
摘要 +
利用修改后伦敦理工大学的UCL扭曲波程序, 本文计算了自由电子与原子或离子的碰撞反应矩阵, 以此得到它的散射矩阵和碰撞强度.利用碰撞强度, 研究电子碰撞对辐射谱线影响.具体地, 以Ar+17和Ar+16的线和线为例, 计算了不同电子温度和密度下谱线的展宽和位移.
70S超冷Cs Rydberg原子的动力学演化
车俊岭, 张好, 冯志刚, 张临杰, 赵建明, 贾锁堂
2012, 61 (4): 043205. doi: 10.7498/aps.61.043205
摘要 +
利用双光子激发超冷原子获得70S超冷Cs Rydberg原子, 采用脉冲场电离法使Rydberg原子电离, 并用微通道板测量Rydberg原子的信号. 改变激发光和电离电场脉冲的延迟时间和激发光脉冲的宽度, 研究70S超冷Cs Rydberg原子之间的相互作用和动力学演化过程. 利用黑体辐射导致的态转移和相互作用碰撞电离解释了实验结果,实验结果和理论相一致.

编辑推荐

约束冷原子气体的高增益Raman散射光谱
贾振强, 张林
2012, 61 (4): 043206. doi: 10.7498/aps.61.043206
摘要 +
本文研究了不同外部环境中原子气体在强激光抽运下的相干Raman散射光谱, 通过对固定无反弹原子气体(不考虑外部自由度)和自由原子气体增益光谱的理论计算, 得到了和Mollow实验结果基本一致的光谱曲线.通过与Mollow谱线结构的比较, 揭示了在微阱约束情况下原子气体存在不同于以上两种环境的高增益光谱, 该谱线直接反应了约束阱的性质, 谱线呈等间距梳状结构, 谱线尖锐分辨率高, 和传统的冷原子气体散射增益光谱的实验结果相比较有更大量级的光增益现象. 论文还分析了散射谱线增益的物理机理, 清晰地给出了约束情况下原子增益谱线的非线性Raman共振条件.
精确研究NbN分子d1+b1+电子态跃迁的P线系发射光谱
王琪, 樊群超, 孙卫国, 冯灏
2012, 61 (4): 043301. doi: 10.7498/aps.61.043301
摘要 +
本文利用最近建立的能精确求解双原子分子P线系发射光谱的物理新公式, 研究了NbN分子从电子态d1+向b1+电子态跃迁中(1,1)跃迁带的P支发射光谱. 获得的计算结果不仅很好地重现了已知低转动态的实验谱线数据, 同时也预言了该跃迁带包含转动量子数J=80在内的高振转激发态的精确P线系发射光谱. 该方法在理论上为实验技术难以精确测量的双原子分子体系提供了一种获得精确的高激发态谱线数据的物理新方法. 从而可以为那些需要NbN分子高激发态跃迁谱线的研究工作提供必要的数据.
自辐射场下PuO分子光谱研究
谢安东, 周玲玲, 阮文, 伍冬兰, 罗文浪
2012, 61 (4): 043302. doi: 10.7498/aps.61.043302
摘要 +
在相对论有效原子实势近似下, 以Pu为SDD基组、O为6-311+G*基组, 采用优选的密度泛函B3LYP方法, 研究了用电场摸拟钚本身产生自辐射场(-0.0050.005 a.u.) 作用下氧化钚(PuO)基态分子的最高占据轨道(HOMO)能级EH、最低空轨道(LUMO)能级EL、能隙Eg和费米能级EF. 结果表明: 在所加的电场范围内, EH随着电场的增加均逐渐减少, EF随着电场的增加均逐渐增大, Eg始终处于增大的趋势, 费米能级EF上升, 占据轨道的电子难以被激发至空轨道而形成激发态, PuO分子在自辐射场中更趋于稳定, 可以阻止O2, H2等扩散到表面内层而腐蚀钚表面, 有利于了钚在自辐射场中抗腐蚀.
任意夹角的双色偏振激光作用下孤立阿秒脉冲的产生
夏昌龙, 刘学深
2012, 61 (4): 043303. doi: 10.7498/aps.61.043303
摘要 +
本文选取脉宽为12 fs波长为2000 nm和800 nm的两束线性偏振激光, 适当调节两束激光的偏振方向的夹角θ, 发现当θ=π/2时, 高次谐波谱的第二级平台出现了“漏斗形”凹槽.当θ为π/6时, 得到了290 eV的超宽连续谱的高次谐波发射, 利用小波变换合理的解释了高次谐波形状及截止位置. 在该段连续谱上任意截取70 eV宽度的频率, 都可以得到脉宽约为60 as的孤立阿秒脉冲. 适当减小截取范围可以得到线性偏振的脉宽94 as的孤立阿秒脉冲. 这为实验中产生能灵活调节的孤立阿秒脉冲提供了一种方案.
共面不对称条件下Ag+(4p,4d)(e,2e)反应三重微分截面的理论研究
周丽霞, 燕友果
2012, 61 (4): 043401. doi: 10.7498/aps.61.043401
摘要 +
采用扭曲波玻恩近似(DWBA)理论计算了共面不对称几何条件下Ag+(4p6) 及Ag+(4d10)在不同入射电子能量和散射电子角度下(e,2e)反应的三重微分截面. 散射电子角度为4, 10和20. 计算结果表明, Ag+(4p6)(e,2e)反应的三重微分截面其binary峰峰位或劈裂峰的谷位与动量转移方向有较大差别, 这可能是由于一种两次两体碰撞造成的. 另外, 还发现Ag+(4p6)(e,2e)反应三重微分截面的binary峰出现了反常劈裂现象, 这表明离子靶内壳层电离(e,2e)反应过程较外壳层更为复杂.对Ag+(4p6)及Ag+(4d10), 除binary峰和recoil峰以外, 在其他敲出电子角度出现了新的峰, 本文用几种两次两体碰撞过程对这些新的峰进行了解释.
150 eV电子入射电离He原子三重微分截面的动量转移依赖
陈展斌, 杨欢, 张穗萌
2012, 61 (4): 043402. doi: 10.7498/aps.61.043402
摘要 +
用BBK模型和DS3C模型在入射能150 eV对氦原子截面依赖动量转移几何条件下的三重微分散射截面(TDCS)进行了理论计算, 把计算结果与实验测量结果进行了比较, 对截面的结构进行了分析, 并对该几何条件下的交换效应进行了系统的研究.
截面依赖动量转移条件下屏蔽效应的理论研究
陈展斌
2012, 61 (4): 043403. doi: 10.7498/aps.61.043403
摘要 +
利用BBK模型及修正方案, 对电子入射电离氦原子(e,2e)反应过程中截面依赖动量转移条件下的三重微分散射截面(TDCS)进行了理论计算, 把计算结果与实验测量结果进行比较, 分析了截面结构, 并研究了末通道屏蔽效应对三重微分截面所产生的影响.
电子与氢及其同位素分子碰撞的非解离性电离截面研究
何曼丽, 王晓, 高思峰
2012, 61 (4): 043404. doi: 10.7498/aps.61.043404
摘要 +
在边界等离子体中, 氢及其同位素分子与高能电子碰撞可发生电离反应. 对于尚无可利用的氢及其同位素分子的电子碰撞非解离性电离反应截面, 基于莫尔斯函数、弗兰克-康登原理, 采用半经典的Gryzinski方法进行了计算. 得到反应截面随电子能量的变化情况以及振动能级对反应截面的影响. 计算结果表明分子的振动激发对电离反应有着显著影响.
异质富勒烯C19M(M=Cr,Mo,W)的结构和电子性质的计算研究
张秀荣, 包虹璐, 李扬
2012, 61 (4): 043601. doi: 10.7498/aps.61.043601
摘要 +
采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法, 在LANL2DZ基组水平上, 优化了C19M(M=Cr,Mo,W)团簇的几何结构, 得出了它们的基态构型, 并研究了基态结构的物理化学性能.结果表明: 不同的M原子替换后, C19M的动力学稳定性相差不大, 而热力学稳定性随着M原子序数的增加而逐渐升高; 通过对C19M的前线轨道分析发现, M原子对各个轨道均有一定的贡献, M原子对各个轨道的贡献大致随着M原子序数的增加而增加, C19M中金属原子M(M=Cr,Mo,W)上集中了大量的正电荷; C19M的芳香性随着M原子序数的增加而减弱.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于高频雷达多普勒谱预测风向的一种新方法
毛媛, 郭立新, 丁慧芬, 刘伟
2012, 61 (4): 044201. doi: 10.7498/aps.61.044201
摘要 +
通过高频雷达一阶多普勒谱与海上风向的关系, 提出了一种基于神经网络和多波束采样法相结合预测海面风向的新方法. 在神经网络不同输入、输出参数情况下对扩展因子为奇数时的仿真数据进行了风向预测, 并在扩展因子为偶数时结合多波束采样法进行风向预测, 消除了风向的模糊性. 通过预测数据和仿真数据对比, 发现两者符合较好. 从神经网络和多波束采样法相结合的预测结果中可以看出, 风向的误差大约为46, 风向扩展因子的平均误差为0.26, 为预测海面风场的研究提供一种新的思路和方法.
微波驱动精细结构能级跃迁引起的电磁诱导负折射效应
李晓莉, 张连水, 孙江, 冯晓敏
2012, 61 (4): 044202. doi: 10.7498/aps.61.044202
摘要 +
本文通过建立Λ形四能级原子系统, 研究了微波驱动精细结构能级跃迁引起的电磁诱导负折射效应. 微波场作用于基态精细结构能级之间, 与不同精细结构能级之间的电偶极矩或磁偶极矩发生耦合, 使系统在某些频率处呈现负折射特性.同时, 两个耦合场各自激励一对基态和激发态之间的光学跃迁. 通过改变两个耦合场的频率失谐量控制负折射区域的频带宽度.结果表明, 耦合场失谐时出现负折射特性的频率范围比耦合场共振时迅速缩小, 而且耦合场负失谐和正失谐时的变化规律不同.
光子晶体光纤中高效的反斯托克斯信号产生
申向伟, 余重秀, 桑新柱, 苑金辉, 韩颖, 夏长明, 侯蓝田, 饶芬, 夏民, 尹霄丽
2012, 61 (4): 044203. doi: 10.7498/aps.61.044203
摘要 +
基于四波混频的反斯托克斯变换, 被广泛应用于短波辐射高分辨率成像以及直接激发分子的电子跃迁等方面. 为了实现更加高效的反斯托克斯变换, 利用中心波长为810 nm脉冲宽度为120 fs的钛蓝宝石(Ti: sapphire)飞秒激光器作为抽运光源, 在长度为0.5 m和3 m的光子晶体光纤中分别实现了高阶模和基膜的简并四波混频. 实验中, 采用的光子晶体光纤的零色散波长在820 nm附近. 在基模相位匹配条件下, 在560 nm附近实现了高效地反斯托克斯信号的产生, 反斯托克斯信号与残余抽运信号的最大功率比为33:1; 反斯托克斯信号和斯托克斯信号的最大功率比25:1; 反斯托克斯信号最大功率转换效率Pa/Pp0为34%. 抽运波长从790 nm逐渐增加到810 nm过程中, 在长为3 m的光子晶体光纤中相位从不匹配状态转化为高阶模匹配状态后, 再转化为基模匹配状态. 通过实验研究得出了相位匹配程度随抽运功率、波长和光纤长度的变化规律, 同时分析了造成理论计算与实验结果存在差异的主要因素. 本文为研究在光子晶体光纤基模中实现相位匹配和产生高效反斯托克斯信号提供了理论和实验依据.
脉冲激光-铜靶等离子体产生及其演化过程的瞬态光谱研究
刘院省, 刘世炳, 宋海英, 何润
2012, 61 (4): 044204. doi: 10.7498/aps.61.044204
摘要 +
应用时间分辨光谱技术, 研究了高能量纳秒脉冲激光作用下铜靶表面等离子体产生及演化的物理过程. 实验中相互作用区固-气-液三相对激光能量的吸收明显地反映于激光反射强度随时间的演化中, 使得靶表面物质形态的改变导致激光反射强度随时间呈双峰分布.同时, 随着激光峰值功率密度的增加, 靶面等离子体(气)-固-液相变发生的时间相应提前.因此, 这些瞬态性质是诊断激光-固体靶相互作用中靶面物质相变时间的有效方法.

编辑推荐

2 m Cr,Tm,Ho:YAG激光热退偏效应的数值模拟及实验研究
李哲, 江海河, 王礼, 杨经纬, 吴先友
2012, 61 (4): 044205. doi: 10.7498/aps.61.044205
摘要 +
理论分析了Cr,Tm,Ho:YAG激光晶体的热退偏效应, 模拟计算了该晶体棒端面退偏度的分布, 并进行了偏光干涉实验验证. 结果表明, 数值模拟和实验研究结果完全一致, 热致退偏效应随抽运能量增大而增强, 退偏度分布呈十字形, 最大退偏度发生在晶体棒端面上与起偏器偏振方向成45方位处. 以此提出了高能量Cr,Tm,Ho:YAG激光器的热退偏补偿方法, 获得了激光脉冲能量提高24%以上的实验效果.
基于非线性偏振旋转锁模的高功率光子晶体光纤飞秒激光振荡器
张大鹏, 胡明列, 谢辰, 柴路, 王清月
2012, 61 (4): 044206. doi: 10.7498/aps.61.044206
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为了探索大模场面积光子晶体光纤锁模激光器在全正色散锁模域内的耗散孤子锁模机理, 以获得更大的单脉冲能量和更高的峰值功率, 本文搭建了以掺镱大模场面积光子晶体光纤作为增益介质的耗散孤子锁模激光器. 激光器使用环形腔结构, 利用非线性偏振旋转以及滤光片提供的耗散作用实现了稳定的锁模运转. 实验中, 从激光器振荡级直接获得了平均功率10 W, 重复频率49.09 MHz(对应202 nJ的单脉冲能量), 脉冲宽度为1.03 ps的稳定锁模脉冲输出, 经过腔外色散补偿得到的脉冲宽度为95.5 fs.
多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量玻璃厚度的方法
李彦超, 王春晖, 高龙, 丛海芳, 曲杨
2012, 61 (4): 044207. doi: 10.7498/aps.61.044207
摘要 +
本文提出了一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量玻璃厚度的新方法. 基于激光外差技术和多普勒效应, 通过做简谐振动的多普勒振镜对不同时刻入射光的频率进行正弦调制, 把待测厚度信息加载到外差信号的频率差中, 通过快速傅里叶变换对外差信号解调后可以同时得到多个待测玻璃厚度值, 经加权平均处理可以提高待测厚度的测量精度. 利用这种新方法, 通过MATLAB仿真测量了不同玻璃厚度值, 结果表明:该测量结果的最大相对误差小于0.008%.
无透镜傅里叶变换显微数字全息成像系统的焦深
王华英, 张志会, 廖薇, 宋修法, 郭中甲, 刘飞飞
2012, 61 (4): 044208. doi: 10.7498/aps.61.044208
摘要 +
基于透镜相干光学成像系统的斯特列尔(Strehl)判据, 对无透镜傅里叶变换显微数字全息成像系统的焦深进行了推导, 得到了参考点源对称偏置和非对称偏置两种情况下的焦深表达式. 结果表明, 无透镜傅里叶变换显微数字全息成像系统的焦深决定因素与透镜相干成像系统的焦深决定因素不同, 其焦深不仅与照明光源的波长, 成像系统的孔径及记录距离有关, 还与参考光源的配置有关. 计算机模拟和实验结果均证明了理论分析的正确性.
周期型二元颗粒链中孤波传播的二体碰撞近似分析
陈琼, 杨先清, 赵新印, 王振辉, 赵跃民
2012, 61 (4): 044501. doi: 10.7498/aps.61.044501
摘要 +
本文运用二体碰撞近似理论研究了孤波在周期型二元颗粒链中的传播. 周期型二元颗粒链由N个大球和一个小球交替排列而成, 球的材质都相同. 将小球和与之相邻的大球等效成一个球, 形成一条等效链. 采用二体碰撞近似理论, 推导了孤波在颗粒链中传播的速度、通过颗粒链时间以及小球的振荡频率. 理论分析得到小球振荡频率随着半径的增大而减小, 该结果与计算机模拟结果符合得相当好. 二体碰撞近似理论给出的波通过整条颗粒链时间, 在N 2时与计算机模拟结果符合得很好. 理论计算的误差随链长的变化不大. 但随着N的增大, 理论得到的结果相对误差变大.
复杂型腔充模中纤维取向的动态模拟
杨斌鑫, 欧阳洁, 栗雪娟
2012, 61 (4): 044701. doi: 10.7498/aps.61.044701
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基于描述短纤维增强复合材料充模过程的气-固-液三相模型及同位网格有限体积法, 实现了纤维增强复合材料沿复杂型腔水平中面充模过程的动态模拟. 不仅得到了界面位置、各物理量的信息, 而且得到了纤维在型腔中的运动情况(包括纤维的平动和取向). 结果表明, 与沿型腔厚度方向纤维取向的表层-芯层结构不同, 纤维沿型腔水平中面的取向与型腔结构有关, 入口处纤维取向环绕型腔入口, 沿水平或竖直方向纤维取向与来流方向垂直, 型腔拐角处纤维取向指向拐点.
气体、等离子体和放电物理
磁控直流辉光等离子体放电特性
胡明, 万树德, 钟雷, 刘昊, 汪海
2012, 61 (4): 045201. doi: 10.7498/aps.61.045201
摘要 +
本文利用单探针诊断等离子体参数来研究自行设计的磁控直流辉光等离子体实验装置的放电特性, 从而得出电子密度与气体压强、电子密度分布与磁场位型以及磁场强度等的关系. 另外, 用有限元的方法对线圈通电产生的磁场进行数值计算, 模拟出不同接线方式的两种磁场位型分布. 通过实验得出这两种不同的位型的磁场均对等离子体的状态有一定的“控制”作用, 而且这种“控制”作用与现有理论相符合.
单束激光脉冲俘获及放大机理的理论分析与数值模拟研究
邹德滨, 卓红斌, 邵福球, 银燕, 马燕云, 田成林, 徐涵, 欧阳建明, 谢翔云, 陈德鹏
2012, 61 (4): 045202. doi: 10.7498/aps.61.045202
摘要 +
本文提出用固体靶前放置薄膜靶来实现激光场放大的新方案, 研究了针对单束激光脉冲条件的俘获及放大机理. 理论模型与数值模拟均表明入射激光能量可以部分地以驻波形式驻留在靶间区域并得到有效放大. 研究表明在入射激光光压、俘获激光光压和电荷分离场的共同作用下, 薄膜靶电子层压缩和膨胀是能量积累存在反复振荡过程的直接原因, 经过振荡后激光脉冲得到稳定俘获.
X射线烧蚀泡沫-固体靶增压机理研究
张璐, 杨家敏
2012, 61 (4): 045203. doi: 10.7498/aps.61.045203
摘要 +
X射线烧蚀泡沫-固体靶时界面失配会使得泡沫与固体靶中压力增加, 这一现象可用于研究高压下物质的状态方程. 本文以CH泡沫-Al固体靶为例, 研究了X射线烧蚀双层靶时的增压现象. 提出仅当泡沫中有冲击波产生时, 在固体靶中才会有增压现象出现. 文中基于冲击波强波近似, 理论分析了冲击波过界面情况与冲击波、稀疏波作用过程, 得到增压倍数与材料密度, 多方气体指数的近似表达式. 同时表明固体靶中增压产生的冲击波为高压脉冲, 会被紧跟热波的稀疏波追赶并稀疏. MULTI一维计算结果验证了该结论.
基于负氢离子源的全三维PIC/MCC模拟算法研究
杨超, 刘大刚, 王小敏, 刘腊群, 王学琼, 刘盛纲
2012, 61 (4): 045204. doi: 10.7498/aps.61.045204
摘要 +
在分析负氢离子源中等离子体物理机理基础下, 研究并优化粒子模拟算法, 设计高效的粒子存储方法. 研究并运用粒子碰撞蒙特卡罗方法, 考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞, 研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗算法(PIC/MCC). 采用磁荷模型, 运用时域有限差分方法计算多峰磁场, 并结合国外负氢离子源JT-60U, 考虑负氢离子源中主要反应, 对全三维PIC/MCC模拟算法模拟验证.
大气压氩气介质阻挡辉光放电的一维仿真研究
张增辉, 邵先军, 张冠军, 李娅西, 彭兆裕
2012, 61 (4): 045205. doi: 10.7498/aps.61.045205
摘要 +
为了研究氩气(Ar)中介质阻挡大气压辉光放电(APGD)的放电机理, 通过建立一个一维的多粒子自洽耦合流体模型, 采用有限元方法进行数值计算, 得到了气体间隙压降、介质表面电荷密度、放电电流密度随时间的周期变化波形, 以及电子、离子、亚稳态粒子密度和空间电场强度的时空分布. 仿真计算结果表明:介质表面积聚的电荷对于放电的过程的起始及熄灭具有重要作用;当增大外施电压时, 放电击穿时刻提前, 放电电流密度和介质表面电荷密度峰值增大, 表明放电过程更加剧烈;随着阻挡介质相对介电常数的增大, 放电电流密度也随之增大. 各粒子密度及电场的时空分布表明放电过程在外施电压半个周期中只有一次放电, 且存在明显的阴极位降区、负辉区、等离子体正柱区等辉光放电的典型区域, 为大气压辉光放电(APGD).
凝聚物质:结构、力学和热学性质
Pb-Mg-Al合金腐蚀机理的电子理论研究
段永华, 孙勇, 何建洪, 彭明军, 郭中正
2012, 61 (4): 046101. doi: 10.7498/aps.61.046101
摘要 +
为了了解Pb-Mg-Al合金腐蚀的物理本质, 本文采用基于第一性原理的赝势平面波方法系统地计算了Pb-Mg-Al合金中各物相的结合能、费米能级和局域态密度等电子结构参数, 分析了合金的电化学腐蚀机理. 计算结果表明:Pb-Mg-Al合金中各主要组成物相稳定性大小关系为 Mg17Al12>Mg2Pb>Mg;Mg,Mg2Pb和Mg17Al12的费米能级存在Ef(Mg)>Ef(Mg2Pb)>Ef(Mg17Al12)的关系, 说明Mg最容易失去电子, Mg2Pb次之, Mg17Al12最难;局域态密度表明, 在同样的外界条件下, 体系中Mg相和Mg2Pb相对于Mg17Al12均处于不稳定的状态, 容易失去电子, 即容易发生腐蚀. Pb-Mg-Al合金体系中不同物相的费米能级差构成了电化学腐蚀的电动势, 导致电子从费米能级高的Mg相和Mg2Pb相流向费米能级低的Mg17Al12相, 使Pb-Mg-Al合金发生腐蚀.
以最大原子密度定义合金相中的第一近邻团簇
陈季香, 羌建兵, 王清, 董闯
2012, 61 (4): 046102. doi: 10.7498/aps.61.046102
摘要 +
本文提出利用不同壳层所包含的径向原子密度, 即单位体积内的原子个数随着径向的分布, 来方便而精确地定义团簇, 即具有最大径向原子密度的且表面呈现三角密堆结构的完整壳层为第一近邻团簇. 最后以Al-Ni-Zr合金相为例说明了该方法的合理性与适用性, 及此方法所定义的团簇与非晶形成的关系.
质子对BaTiO3薄膜辐照损伤的计算机模拟
朱勇, 李宝华, 谢国锋
2012, 61 (4): 046103. doi: 10.7498/aps.61.046103
摘要 +
本文先应用分子动力学模拟BaTiO3体系在初级击出原子(primary knock-on atom, PKA)轰击下缺陷产生和复合的动力学过程, 模拟结果表明:PKA的方向和能量对缺陷数目有重要影响, 并计算了Ba, O和Ti原子的平均位移阈能分别为69 eV, 51 eV和123 eV, 远大于SRIM程序默认的位移阈能25 eV. 然后应用蒙特卡罗软件包SRIM, 模拟质子在BaTiO3薄膜中的能量损失过程, 比较位移阈能对模拟结果的影响, 分析质子能量和入射角度对空位数量以及分布的影响. 结果表明空位数量随着质子能量增加而增加, 增加的速率随能量的增加是降低的;当入射角度大于60°, 空位数量随入射角增大而明显减少.
带有碳杂质的钨中氢稳定性的第一性原理研究
金硕, 孙璐
2012, 61 (4): 046104. doi: 10.7498/aps.61.046104
摘要 +
应用第一性原理计算方法研究了碳(C)原子对钨(W)中氢(H)原子稳定性的影响. 本征W中, 当C-H间距离为~2.5 Å时, H的溶解能出现最低值, 此时为H最稳定的位置. W中存在空位时, 由于C的影响, H占据的最佳电子密度面值为0.10 Å-3. 研究发现, W中单空位最多能容纳10个H原子, 且不能形成H分子, 不同于没有C存在的情况, 表明C对W中H稳定性存在很大影响. 此外, 当两个C原子存在于空位中时, H占据的最佳电子密度面值变为0.13 Å-3.
He+辐照对Ga0.94Mn0.06As薄膜铁磁性的改善
丁斌峰, 相凤华, 王立明, 王洪涛
2012, 61 (4): 046105. doi: 10.7498/aps.61.046105
摘要 +
离子辐照半导体可以很好的改善半导体材料的磁学性质.用He+ 辐照Ga0.94Mn0.06As薄膜,可以较方便的调制Ga0.94Mn0.06As 薄膜中产生铁磁性载体的浓度.由于空穴居间而导致Ga0.94Mn0.06As薄膜的铁磁性, 可以通过He+的辐照来得到改善,其结果是Ga0.94Mn0.06As薄膜的矫顽力可以增加3倍多. 当He+辐照流强增加时, 居里温度和沿着样品面外磁化难轴方向的饱和磁场都减小了. 被辐照的Ga0.94Mn0.06As薄膜的电学性质和结构特征显示, He+辐照Ga0.94Mn0.06As薄膜可以有控制地改善它的铁磁性, 其结果源于He+辐照Ga0.94Mn0.06As薄膜所诱导产生电缺陷对空穴的补偿, 而不是He+辐照改变了Ga0.94Mn0.06As薄膜的结构.
Cr2MC(M=Al, Ga)的电子结构、弹性和热力学性质的第一性原理研究
杨则金, 令狐荣锋, 程新路, 杨向东
2012, 61 (4): 046301. doi: 10.7498/aps.61.046301
摘要 +
本文使用第一性原理的GGA/RPBE方法研究了Cr2MC(M=Al, Ga)的电子结构、弹性和热力学性质. 研究发现两个化合物的体积压缩性几乎相同, 并且证实了在050 GPa范围内c轴始终较a轴更难以压缩并且结构始终是稳定的. 通过对内坐标的研究发现了Cr2AlC中Cr离子的内坐标始终大于Cr2GaC中Cr离子的内坐标. 使用准谐德拜模型得到的体弹模量在0 GPa下随着温度的升高而减小, 而在300 GPa下则随着温度的升高而增大. 对德拜温度的研究发现Cr2GaC的值小于Cr2AlC的值, 而对热膨胀系数、Grneisen参数、熵和热容的计算发现Cr2GaC的值大于Cr2AlC的值. 对电子结构的分析发现Cr2GaC的s和p电子在费米能级处的值大于Cr2AlC的s和p电子的值, 而其他离子的电子分布几乎一致.
纳米孔模板浸润法制备聚乙烯纳米线阵列的热导率的实验研究
曹炳阳, 董若宇, 孔杰, 陈恒, 徐雁, 容启亮, 蔡岸
2012, 61 (4): 046501. doi: 10.7498/aps.61.046501
摘要 +
采用纳米孔模板润湿技术制备了直径为200 nm的低密度聚乙烯(LDPE)纳米线阵列, 并利用纳秒激光闪光法测量了2080℃时LDPE纳米线阵列的热导率. 测量得到室温时LDPE纳米线阵列的热导率为2.2 W/mK, 大约比其体材料的热导率高1个数量级, 并且纳米线阵列的热导率随温度的升高略有增加. 忽略纳米线之间的声子散射, 估算得到室温下单根LDPE纳米线的热导率高于5 W/mK. 本文制备LDPE纳米线热导率的提高源自其分子链定向度增加导致的低维导热效应的增强, 纳米线的分子链定向度受工艺过程中流体剪切、振动、分子链迁移运动、纳米孔约束等几种因素的综合影响.
纳米接触过程中黏着规律的变化
段芳莉, 王光建, 仇和兵
2012, 61 (4): 046801. doi: 10.7498/aps.61.046801
摘要 +
本文应用大规模分子动力学方法, 模拟了两种具有不同粗糙形貌的、刚性球形探头与弹性平面基体之间的纳米尺度接触, 计算了探头与基体之间的拉离力和黏着功, 研究了接触过程中界面黏着力随载荷的变化规律, 分析了接触界面原子的法向应力分布. 研究发现, 原子级光滑接触的黏着力随着载荷的增大而线性增大, 而原子级粗糙接触的黏着力-载荷曲线分为以不同斜率增长的两个阶段. 相比于原子级光滑探头, 原子级粗糙探头与基体之间具有较小的拉离力和黏着功, 却在接触过程中形成了较大的黏着力. 因此, 拉离力和黏着功不能表征出纳米接触过程中原子吸引作用对界面法向力的贡献大小.
分子束外延生长[111]晶向CdTe的研究
张兵坡, 蔡春锋, 才玺坤, 吴惠桢, 王淼
2012, 61 (4): 046802. doi: 10.7498/aps.61.046802
摘要 +
本文采用分子束外延(MBE)方法在BaF2衬底上直接外延生长了CdTe(111)薄膜. 反射高能电子衍射(RHEED)实时监控生长表面, 衍射图样揭示了CdTe(111)在BaF2表面由二维生长向三维生长的变化过程.XRD表征验证了外延生长的CdTe薄膜的单晶性质.由红外透射光谱测量和理论拟合相结合, 得到了CdTe外延薄膜室温带隙宽度Eg=1.511 eV.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
氧在Nb(110)表面吸附的第一性原理研究
房彩红, 尚家香, 刘增辉
2012, 61 (4): 047101. doi: 10.7498/aps.61.047101
摘要 +
通过第一性原理赝势平面波方法研究了氧在Nb(110)表面的吸附性质随覆盖度变化规律. O在Nb(110)表面最稳定吸附位是洞位,次稳定吸附位是长桥位. 在长桥位吸附时, O诱导Nb(110)表面功函数随覆盖度的增加而几乎线性增加;但当O在洞位吸附时, 与干净Nb表面相比, 覆盖度为0.75 ML和1.0 ML时功函数增加, 而覆盖度为0.25 ML和0.5 ML时功函数减小.通过对面平均电荷密度分布和偶极矩变化的讨论, 解释了由吸附导致功函数复杂变化的原因.通过对表面原子结构和态密度分析, 讨论了O在Nb表面吸附时引起表面原子结构变化以及O和Nb(110)表面原子的相互作用.
Li-N, Li-2N共掺p型ZnO的第一性原理研究
胡小颖, 田宏伟, 宋立军, 朱品文, 乔靓
2012, 61 (4): 047102. doi: 10.7498/aps.61.047102
摘要 +
利用密度泛函理论, 计算了本征ZnO, Li-N共掺杂ZnO及Li-2N共掺杂ZnO的电子结构. 计算结果表明, Li-N及Li-2N共掺杂ZnO体系的Fermi能级均不同程度地进入价带顶, 并在Fermi能级附近形成浅的受主能级, 这说明, Li, N原子共掺杂可获得稳定的p型ZnO;与Li-N掺杂ZnO体系相比, Li-2N掺杂ZnO体系进一步提高了体系的载流子浓度, 更有利于获得p型ZnO.
三方和四方相PbZr0.5Ti0.5O3 的结构稳定性和电子结构的第一性原理研究
邵庆生, 刘士余, 赵辉, 余大书, 曹茂盛
2012, 61 (4): 047103. doi: 10.7498/aps.61.047103
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理超原胞方法和虚晶近似方法, 在局域密度近似和广义梯度近似下系统研究了三方相和四方相 PbZr0.5Ti0.5O3的能量稳定性、原子结构以及电子结构. 计算结果表明三方相的能量比四方相低, 说明三方相结构更加稳定, 并且发现利用广义梯度近似计算的结构参数与实验值符合得更好. 电子结构表明, 两种相的Ti/Zr的3d电子和O的2p电子间存在明显的轨道杂化, 并且Ti-O之间的作用比Zr-O作用更强;Pb的6s和5d电子与O的2s和2p电子也分别存在轨道杂化. 而三方相中Pb的5d电子与O的2s电子杂化比四方相更强, 进一步说明三方相比四方相结构更加稳定.
N掺杂Cu2O薄膜的光学性质及第一性原理分析
濮春英, 李洪婧, 唐鑫, 张庆瑜
2012, 61 (4): 047104. doi: 10.7498/aps.61.047104
摘要 +
采用射频磁控溅射技术, 在不同温度下制备了N掺杂Cu2O薄膜.透射光谱分析发现, N掺杂导致Cu2O成为允许的带隙直接跃迁半导体, 并使Cu2O的光学禁带宽度增加.不同温度下沉积的薄膜光学禁带宽度Eg=2.52± 0.03 eV.第一性原理计算表明, N掺杂导致Cu2O的禁带宽度增加了约25%, 主要与价带顶下移和导带底上移有关, 与实验报道基本符合.N的2p电子态分布不同于O原子, 在价带顶附近具有较大的态密度是N掺杂Cu2O变成允许的带隙直接跃迁半导体的根本原因.
第一性原理计算研究金属Nb和间隙氢原子的相互作用
饶建平, 欧阳楚英, 雷敏生, 江风益
2012, 61 (4): 047105. doi: 10.7498/aps.61.047105
摘要 +
应用第一性原理计算方法, 研究了H在金属Nb体心立方晶格中的间隙占位情况, 并讨论了占位能和间隙大小的关系. 分析了H在间隙位和Nb金属晶格的相互作用, 并讨论了相互作用对电子结构的影响. 结果表明: 除了间隙大小直接影响溶解能的大小之外, H的1s电子和Nb的3d电子有比较强的成键作用, 也是导致H在Nb晶格中溶解能较低的一个重要原因. 估算了500 ℃ 下H在Nb晶格中的扩散系数大约为7.8× 10-9 m2/s, 和实验结果基本符合.
金掺杂锯齿型石墨烯纳米带的电磁学特性研究
胡小会, 许俊敏, 孙立涛
2012, 61 (4): 047106. doi: 10.7498/aps.61.047106
摘要 +
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了金原子填充锯齿型石墨烯纳米带 (ZGNRs)中双空位结构的电磁学特性. 计算结果表明: 边缘位置是金原子的最稳定掺杂位置, 杂质原子的引入导致掺杂边缘的磁性被抑制, 不过掺杂率足够大时, 掺杂边缘的磁性反而恢复了. 金掺杂纳米带的能带结构对掺杂率敏感: 随着掺杂率的增大, 掺杂纳米带分别表现半导体特性、半金属特性以及金属特性. 本文的计算表明金原子掺杂可以调制ZGNR的磁性以及能带特性, 为后续实验起指导作用, 有利于推动石墨烯材料在自旋电子学方面的应用.
纳米结构碲化铋合金的制备及电热输运特性
张忻, 马旭颐, 张飞鹏, 武鹏旭, 路清梅, 刘燕琴, 张久兴
2012, 61 (4): 047201. doi: 10.7498/aps.61.047201
摘要 +
采用惰性气体保护蒸发-冷凝法制备了纳米Bi及Te粉末, 结合机械合金化和放电等离子烧结技术, 在不同烧结温度下制备出了单一物相且具有纳米层状结构及孪晶亚结构的n型Bi2Te3块体材料, 并系统研究了块体材料的晶粒尺度、微结构及其对电热传输特性的影响. SEM, TEM分析结果表明, 以纳米粉末为原料, 通过有效控制工艺条件, 可以制备出具有纳米层状结构Bi2Te3合金块体材料, 同时纳米层状结构中存在孪晶亚结构; 热电性能测试结果表明, 具有纳米层状结构及孪晶亚结构的块体试样与粗晶材料相比, 热导率大幅度降低, 在423 K附近, 热导率由粗晶材料的1.80 W/mK降至1.19 W/mK, 晶格热导率从1.16 W/mK降至0.61 W/mK, 表明纳米层状结构与孪晶亚结构共存, 有利于进一步提高声子散射, 降低晶格热导率. 其中在693 K放电等离子烧结后的试样于423K附近取得最大值的无量纲热电优值(ZT), 达到0.74.
一步掩膜法制备超低压ITO沟道纸上薄膜晶体管
毛延凯, 蒋杰, 周斌, 窦威
2012, 61 (4): 047202. doi: 10.7498/aps.61.047202
摘要 +
基于一步掩模法工艺制备了一种新型的纸上双电荷层超低压薄膜晶体管. 在室温射频磁控溅射过程中, 仅仅利用一块镍掩模板, 就可同时沉积出氧化铟锡(ITO)源漏电极和ITO沟道. 在此基础上, 以等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)合成的具有双电荷层效应的微孔SiO2为栅介质, 成功制备出以纸为衬底的超低压氧化物薄膜晶体管. 这种晶体管显示出极好的性能: 超低的工作电压1.5 V, 场效应迁移率为20.1 cm2/Vs, 亚阈值斜率为188 mV/decade, 开关电流比为5× 105. 这种基于全室温一步掩模法工艺制备的纸上氧化物薄膜晶体管具有工作电压低, 工艺简单, 成本低廉等优点, 非常有望应用于未来便携式低功耗电子产品的制造中.
单轴、双轴应变Si拉曼谱应力模型
王程, 王冠宇, 张鹤鸣, 宋建军, 杨晨东, 毛逸飞, 李永茂, 胡辉勇, 宣荣喜
2012, 61 (4): 047203. doi: 10.7498/aps.61.047203
摘要 +
本文依据拉曼光谱原理, 基于Secular方程及拉曼选择定则分别获得了单轴、 双轴(001), (101), (111)应变Si材料应变张量与拉曼谱线移动的定量关系, 并在此基础上, 基于广义胡克定律最终建立了单轴、双轴(001), (101), (111)应变Si材料拉曼谱峰与应力的理论关系模型. 该模型建立过程详细、系统, 所得结果全面、量化, 可为应变Si材料应力的测试分析提供重要理论参考.
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中kink效应的半经验模型
马骥刚, 马晓华, 张会龙, 曹梦逸, 张凯, 李文雯, 郭星, 廖雪阳, 陈伟伟, 郝跃
2012, 61 (4): 047301. doi: 10.7498/aps.61.047301
摘要 +
初步分析了AlGaN/GaN 器件上的kink效应. 在直流模型的基础上, 建立了AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管中kink效应的半经验模型, 并加入了kink效应发生的漏源偏压与栅源偏压的关系. 该模型得出较为准确的模拟结果, 可用来判断kink效应的发生和电流的变化量. 最后, 我们采用模型仿真结合实验分析的方法, 对kink效应进行了一定的物理研究, 结果表明碰撞电离对kink效应的发生有一定的促进作用.
波段外激光辐照光导型InSb探测器的一种新现象
郑鑫, 江天, 程湘爱, 江厚满, 陆启生
2012, 61 (4): 047302. doi: 10.7498/aps.61.047302
摘要 +
利用不同功率密度的10.6 μm(光子能量为0.12 eV)连续激光辐照了禁带宽度为0.228 eV的光导型锑化铟探测器, 得到了与以往报道不同的实验现象. 当10.6 μm波段外激光辐照光导型探测器时, 探测器吸收激光能量后温度升高. 在探测器的温升过程中, 存在一个转变温度T0. 当探测器的温度TT0时, 载流子浓度基本不变, 迁移率随温度的升高呈T-2.35趋势下降, 引起探测器的电导率减小, 电阻增大, 响应输出电压升高; 当T>T0时, 热激发载流子浓度随温度的升高呈指数增长, 电阻急剧下降, 超过了载流子迁移率降低对电阻的影响, 响应输出急剧下降. 光电导探测器在较高功率密度波段外激光辐照下的响应特性是载流子的浓度和迁移率在温度影响下相互作用的结果. 这对进一步完善半导体内载流子输运模型提供了实验依据.
新型高速半导体器件IMOS阈值电压解析模型
李妤晨, 张鹤鸣, 张玉明, 胡辉勇, 徐小波, 秦珊珊, 王冠宇
2012, 61 (4): 047303. doi: 10.7498/aps.61.047303
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本文在研究IMOS器件结构的基础上, 分析了该器件不同区域的表面电场, 结合雪崩击穿条件, 建立了P-IMOS的阈值电压解析模型. 应用MATLAB对该器件阈值电压模型与源漏电压、栅长和硅层厚度的关系进行了数值分析, 并用二维器件仿真工具ISE进行了验证. 结果表明, 源电压越大, 阈值电压值越小; 栅长所占比例越大, 阈值电压值越小, 硅层厚度越小, 阈值电压值越小. 本文提出的模型与ISE仿真结果一致, 也与文献报道符合. 这种新型高速半导体器件IMOS阈值电压解析模型的建立为该高性能器件及对应电路的设计、仿真和制造提供了重要的参考.
Gd0.55Sr0.45MnO3薄膜光诱导电阻变化特性研究
赵省贵, 金克新, 罗炳成, 王建元, 陈长乐
2012, 61 (4): 047501. doi: 10.7498/aps.61.047501
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分别采用固相反应和脉冲激光沉积的方法制备了电荷-轨道有序态锰氧化物Gd0.55Sr0.45MnO3块材和多晶薄膜, 研究了薄膜在光诱导作用下的电阻变化特性. 实验结果表明该薄膜在整个测量温度范围内表现出了半导体型导电特性. 利用变程跳跃模型拟合电阻温度关系可知, 其电荷有序态转变温度为70 K. 激光作用致使薄膜电阻减小, 当激光功率度为40 mW/mm2时, 最大光致电阻相对变化值可达99.8%, 且在8 s的时间内达到了平衡态, 温度对其影响很小; 当激光功率度为6 mW/mm2时, 获得的最大光致电阻相对变化值为44%, 而且时间常数随温度的升高而增大, 这主要是由于光诱导和热扰动共同作用的结果.
磁性量子元胞自动机功能阵列的实验研究
杨晓阔, 蔡理, 王久洪, 黄宏图, 赵晓辉, 李政操, 刘保军
2012, 61 (4): 047502. doi: 10.7498/aps.61.047502
摘要 +
采用电子束光刻、热蒸镀和剥离工艺在室温下制备了多组磁性量子元胞自动机器件功能阵列. 实验研究了曝光剂量和曝光时间对三个不同间距参数磁性量子元胞自动机阵列图案的影响, 发现100 pA电子束束流和0.38 μs曝光时间可获得理想的阵列图案. 对制备的反相器阵列结构进行了磁力显微测试, 结果显示了正确的逻辑功能, 成功实现了不同间距参数功能阵列的实验制备. 此外, 实验还发现纳磁体阵列制备中容易出现缺陷, 模拟结果表明丢失纳磁体缺陷导致了信号传递反相.
纳米Ag颗粒表面等离子激元对上转换材料光致发光性能影响的研究
佟建波, 黄茜, 张晓丹, 张存善, 赵颖
2012, 61 (4): 047801. doi: 10.7498/aps.61.047801
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本文采用共烧结工艺将纳米Ag颗粒引入Yb3+, Er3+共掺的NaYF4上转换材料中, 利用X射线衍射及扫描电子显微镜技术对制备的NaYF4材料进行结构特性和表面形貌的表征, 通过吸收谱及荧光光谱测试技术对NaYF4材料光吸收及光发射特性进行表征. 通过对纳米Ag颗粒引入量的优化, 获得了Yb3+, Er3+共掺的NaYF4上转换材料荧光发射峰的增强, 300—800 nm全光谱范围内增益达28%, 在544 nm处获得最大增益55%, 具有显著的荧光增强效果. 同时分析了不同数量纳米Ag颗粒的引入对NaYF4材料吸收谱及光致发光特性影响, 指出了表面等离子激元的光猝灭及共振吸收增强作用机理.
椭圆截面金纳米管近场增强特性的研究
丛超, 吴大建, 刘晓峻
2012, 61 (4): 047802. doi: 10.7498/aps.61.047802
摘要 +
本文基于时域有限差分方法(finite difference time domain, FDTD)研究了入射光波长、入射光偏振方向、纳米管几何形状、 管壁厚度及内核和包埋介质的变化对椭圆截面金纳米管近场分布特征的影响. 研究发现, 入射光波长为纳米管等离激元共振波长时, 纳米管近场增强最大; 入射光偏振方向与椭圆长轴夹角的增加会导致管内的场强迅速增大; 椭圆管半短轴变大可以调节纳米管场强分布从两端高、中间低变化为均匀分布; 内核和包埋介质介电常数的增大均会使得纳米管内部及周围场强逐渐减弱.
具有分离门的电抽运多层石墨烯负动态电导率的理论研究
张玉萍, 张洪艳, 尹贻恒, 刘陵玉, 张晓, 高营, 张会云
2012, 61 (4): 047803. doi: 10.7498/aps.61.047803
摘要 +
本文提出了具有分离门的电抽运多层石墨烯结构, 建立了电诱导n-i-p结的理论模型, 计算了集居数反转的条件下与带内和带间跃迁相关的动态电导率, 讨论了偏置电压、门电压、石墨烯层数以及动量弛豫时间对动态电导率的影响. 结果表明, 在一定条件下, 动态电导率的实部在太赫兹范围内可以是负的, 即带间辐射大于带内吸收, 论证了电抽运多层石墨烯结构作为产生太赫兹相干光源的激活物质的可行性.
载能氢原子与石墨(001)面碰撞过程中的能量传递行为的分子动力学研究
张治海, 孙继忠, 刘升光, 王德真
2012, 61 (4): 047901. doi: 10.7498/aps.61.047901
摘要 +
本文采用分子动力学方法研究了单一载能氢原子与石墨碰撞时氢原子被石墨反射、 吸附和石墨被氢原子穿透的发生系数以及碰撞中的能量传递机理. 研究发现: 与单层石墨相比, 多层石墨之间的长程相互作用增加了氢原子发生反射的能量范围, 尤其当入射能量大于20.0 eV时, 对反射过程的影响很明显; 当氢原子的入射能量大于25.0 eV时, 有一定的概率穿透四层石墨; 当氢原子入射能量高于28.0 eV时, 载能氢原子的能量传递给第二层石墨烯的比传递给第一层石墨烯的多. 这些结果对理解聚变反应中, 碳基材料的化学腐蚀及氚滞留有重要意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
基底对亚波长金属双环结构太赫兹透射性质的影响
刘建丰, 周庆莉, 施宇蕾, 李磊, 赵冬梅, 张存林
2012, 61 (4): 048101. doi: 10.7498/aps.61.048101
摘要 +
太赫兹波通过人工金属亚波长结构开口共振环(SRRs)可以产生共振吸收, 目前普遍采用LC振荡电路和线性振子模型来解释. 利用太赫兹时域光谱系统测得并无开口的亚波长金属双环和反双环结构阵列透射的太赫兹波, 结果仍然观察到在太赫兹透射谱中存在吸收峰. 分析得出此吸收峰的出现可以用线性振子模型解释. 此外, 研究发现若将此结构制作到石英基底上, 当以样品表面法线方向为轴旋转样品时其太赫兹透射时域波形和频谱均会随旋转角度出现明显的周期性变化, 而以硅为基底并不出现此现象. 本文将其原因归结为石英基底的双折射效应对亚波长金属双环结构太赫兹透射性质的影响. 本文主要目的是分析造成这种影响的物理过程.
凸形晶粒的各向异性三维von Neumann方程研究
王浩, 刘国权, 栾军华
2012, 61 (4): 048102. doi: 10.7498/aps.61.048102
摘要 +
三维晶粒长大规律是材料科学研究的核心问题之一, 本文通过考虑实际多晶组织中晶界能和晶界迁移率的不均匀性和各向异性因素对晶粒三晶棱处两面角大小的影响, 借助经典体视学中晶粒界面积分平均曲率与平均切直径的关系, 经推导得到了适合于凸形晶粒的一般性三维von Neumann方程, 结果表明实际凸形晶粒的准确长大速率可以表示为晶粒的平均切直径、三晶棱总长度和三晶棱处两面角的函数. 所得方程经过了Kelvin十四面体和5种规则多面体验证, 对于三维von Neumann方程(Nature, 2007, 446:1053)进一步推广并应用于实际金属和陶瓷材料具有重要的意义.
多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像
喻寅, 王文强, 杨佳, 张友君, 蒋冬冬, 贺红亮
2012, 61 (4): 048103. doi: 10.7498/aps.61.048103
摘要 +
本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.
机械合金化过程对硫化铋块体热电性能的影响机理
葛振华, 张波萍, 于昭新, 刘勇, 李敬锋
2012, 61 (4): 048401. doi: 10.7498/aps.61.048401
摘要 +
以机械合金化法(MA)结合放电等离子烧结技术(SPS)制备了Bi2S3多晶块体热电材料. 研究了MA过程中干磨转速、湿磨时间和湿磨介质对Bi2S3多晶热电材料电传输性能的影响. 分析了样品的物相, 观察了显微组织, 测试了电传输性能和热传输性能. 研究表明, 以无水乙醇为湿磨介质时, 随着湿磨时间的延长, 出现了微量Bi2O3第二相, 样品的晶粒尺寸减小, 电阻率大幅增加, 功率因子下降. 以丙酮为湿磨介质时, 虽然不存在微氧化反应, 但是由于样品中存在大量孔洞, 导致功率因子降低. 425 r/min 干磨15 h后未湿磨的样品在573 K取得最大的ZT值0.25, 是目前文献报道的最高值.
基于透射率曲线确定聚合物太阳能电池功能层的光学常数和厚度
黄卓寅, 李国龙, 李衎, 甄红宇, 沈伟东, 刘向东, 刘旭
2012, 61 (4): 048801. doi: 10.7498/aps.61.048801
摘要 +
本文介绍了一种确定聚合物太阳能电池功能层光学常数和厚度的方法. 该方法借助于特定的色散模型拟合透射率测试曲线以获得功能层光学常数和厚度值. 文中比较了Forouhi-Bloomer和Lorentz-Oscillator模型在体异质结薄膜的透射率拟合计算中的适用性, 计算了poly(3-hexylthiophene)(P3HT)/[6,6]-phenylC61-butyric acid methyl ester (PCBM)和 poly[2-methoxy-5-5(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene](MEH-PPV)/PCBM体异质结薄膜的光学常数和厚度. 拟合得到的曲线与实验曲线符合良好, 厚度计算的结果与台阶仪测量结果保持一致, 误差小于4%. 进一步分析得到的热退火和加入高沸点溶剂添加剂后P3HT/PCBM薄膜的光学常数和光学禁带值与相应器件伏安特性相符. 该方法适用于所有体异质结的功能层, 可用于聚合物太阳能电池的膜系优化和在线检测.
地球物理学、天文学和天体物理学
遗传算法结合正则化方法反演海洋大气波导
何然, 黄思训, 周晨腾, 姜祝辉
2012, 61 (4): 049201. doi: 10.7498/aps.61.049201
摘要 +
针对正则化方法在解决实际反演问题时既能克服问题的不适定性又可以很大程度上抑制噪声和误差的传播, 本文提出了利用遗传算法结合正则化方法的新算法, 在遗传算法适应度函数中引入正则化项来反演波导参数; 然后对算法进行仿真试验, 结果表明新算法与传统遗传算法相比具有较高的反演精度, 并指出当噪声误差小于10%时, 算法具有较强的“去噪”性能; 最后利用机载雷达在Wallops岛探测的海表面处局部回波资料进行反演试验, 将反演结果与实测大气折射率廓线进行比较, 说明该算法的有效性. 新方法为海洋大气波导反演研究提供了一种新思路.