搜索

文章查询

x

Vol. 63, No. 2 (2014)

2014年01月20日
总论 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 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 更正
更正
总论
时变离散切换系统的迭代学习控制
曹伟, 孙明
2014, 63 (2): 020201. doi: 10.7498/aps.63.020201
摘要 +
针对一类具有任意切换序列的时变离散切换系统的轨迹跟踪问题,提出了一种离散迭代学习控制算法. 该算法在切换序列沿迭代轴不变而只沿时间轴变化的前提下,将整个有限时间区间划分为有限个子区间,并利用-范数对各个子区间上的收敛性进行了严格证明,给出了算法收敛的范数形式的充分条件. 该方法不仅实现了时变离散切换系统在有限时间内对目标轨迹的完全跟踪,而且结构简单更便于工程实现. 仿真结果验证了该方法的有效性.
在非惯性系中处于热库中的两个腔的纠缠动力学
梁艳, 吴奇成, 计新
2014, 63 (2): 020301. doi: 10.7498/aps.63.020301
摘要 +
研究了非惯性系中处于热库中的两个腔的纠缠动力学. 不仅考虑了加速参数对纠缠的影响,还考虑了Unruh单粒子态左右成分之间的不同比率对纠缠的影响. 结果表明:加速参数一定时,随着腔间纠缠的减少,热库间的纠缠将会增加;此外,当初始状态为最大纠缠,并且,|qR|=1时,粒子和反粒子模之间会产生纠缠的再分配;发现当|qR|=|qL|=1/√2,在无限加速参数下发生纠缠猝死现象;当qR2 时,纠缠在有限加速参数下就会发生纠缠猝死现象.
相干态在参数量子相空间的两维正态分布
范洪义
2014, 63 (2): 020302. doi: 10.7498/aps.63.020302
摘要 +
把量子力学与数理统计的正态分布联系起来进行初步的尝试. 用数理统计的观点和有序算符内的积分技术研究相干态,指出在依赖一个实参数k的量子化方案中,相干态|z >z| 在相空间呈现出以(q,p)为随机变量的两维正态分布,z=(q+ip)/√2. 两个随机变量的相关系数为ik. 在k=±1 的参数相空间中,|z >z|分别表现出 P排序(P在Q左)和Q排序的形式(Q 在P 左),而在k=0的参数相空间中,|z >z|表现出Weyl排序的形式. 在 P 排序和Q排序的情况下,量子算符|z >z||z=(q+ip)/√2的经典对应函数中随机变量(q,p)是关联的,只有在Weyl 对应时,随机变量(q,p)是独立的. 也就是说,算符的Weyl排序有利于其经典对应的随机变量解脱关联.
变时延移动Ad-Hoc网络容量非合作规划博弈模型的渐近稳定性
杨娟, 杨丹, 黄彬, 张小洪, 杨聪
2014, 63 (2): 020501. doi: 10.7498/aps.63.020501
摘要 +
移动Ad-Hoc网络容量的稳定性是保证其服务质量的关键性质之一. 本文提出一种新颖的考虑时变传播时延的非合作规划博弈移动Ad-Hoc网络容量分析模型稳定性控制技术. 首先求得加入时变传播时延项的非合作规划博弈移动Ad-Hoc网络容量分析模型的源节点发送流量速率演化方程组——一类非线性时变时滞微分方程组,在此基础上采用描述器技术结合线性矩阵不等式技术得到该模型的渐进稳定性准则,并设计了模型稳定性控制的迭代算法. 由于是基于等价模型变换,所提出的渐近稳定性判别准则具有较小的保守性. 仿真实验验证了本算法的有效性. 本建模与分析方法虽以具体的非合作规划博弈移动Ad-Hoc网络容量分析模型为例,但其可以应用于一般的移动Ad-Hoc网络容量稳定性控制问题.
基于Kramers逃逸速率的Duffing振子广义调参随机共振研究
冷永刚, 赖志慧
2014, 63 (2): 020502. doi: 10.7498/aps.63.020502
摘要 +
以二维Duffing振子的随机共振为研究对象,提出Duffing振子的广义调参随机共振. 以Kramers逃逸速率为基础,建立了Duffing振子随机共振的判别函数,阐述了Duffing振子在不同噪声强度及信号频率输入条件下的广义调参随机共振规律,并给出了Duffing振子广义调参随机共振的一般方法.
复Ginzburg-Landau方程中模螺旋波的稳定性研究
高继华, 王宇, 张超, 杨海朋, 戈早川
2014, 63 (2): 020503. doi: 10.7498/aps.63.020503
摘要 +
研究了复Ginzburg-Landau方程系统中模螺旋波与其他斑图在同一平面内的竞争行为,发现演化结果在系统参数平面内可分为四个主要区域:在I区和Ⅲ区中,模螺旋波与相螺旋波相比稳定性较差,模螺旋波的空间被相螺旋波所入侵. 在Ⅱ区中,模螺旋波具有较强的稳定性,相螺旋波的空间被模螺旋波所入侵. 在IV区内,由于时空混沌所导致的频率不稳定性,演化的结果较为复杂. 我们通过对模螺旋波、相螺旋波以及时空混沌的频率分析,发现当模螺旋波的系统参数为α1=-1.34,β1=0.35时,较高频率的模螺旋波具有较好的稳定性,高频模螺旋波可以入侵低频斑图空间. 竞争结果主要受系统变量实部的频率影响,频率分析所得到的理论结果与数值实验结果符合得非常好.
忆阻电路降维建模与特性分析
包伯成, 王春丽, 武花干, 乔晓华
2014, 63 (2): 020504. doi: 10.7498/aps.63.020504
摘要 +
通过对蔡氏忆阻电路的数学建模分析,提出了忆阻电路动力学建模的降维问题. 以包含两个磁控忆阻器的忆阻电路为例,进行了忆阻电路降维建模,由此建立了一个三维系统模型. 基于该模型,分析了忆阻电路的平衡点和稳定性,研究了电路参数变化时忆阻电路的动力学特性. 进一步,对包含两个磁控忆阻器的忆阻电路常规模型的分析结果和其降维模型的分析结果进行了比较. 结果表明:忆阻电路降维模型的维数只与电容器的数量和电感器的数量有关,而与忆阻器的数量无关;当电路参数变化时忆阻电路存在分岔模式共存等非线性现象;降维建模降低了系统建模复杂度,有利于系统的动力学特性分析,但消除了忆阻器内部状态变量的初始条件对忆阻电路动力学特性的影响.
热漏对换热器(火积)耗散最小化的影响
夏少军, 陈林根, 戈延林, 孙丰瑞
2014, 63 (2): 020505. doi: 10.7498/aps.63.020505
摘要 +
建立了存在热漏的换热器的传热过程模型. 假定热流体与冷流体间的传热以及冷流体与外界环境间的热漏均服从牛顿传热定律,在冷流体净传热量一定的条件下,应用最优控制理论导出了换热过程(火积)耗散最小时热流体温度和冷流体温度的最优构型,并将最优路径分别与热流体温度一定和热流率一定的传统传热策略进行了比较. 研究结果对于实际换热器的优化设计和最优运行具有一定的理论指导意义.
一种基于混沌和汉明码的数字图像篡改检测及修复算法
王兴元, 张继明
2014, 63 (2): 020701. doi: 10.7498/aps.63.020701
摘要 +
提出了一种基于混沌映射和汉明码的数字图像篡改检测及修复算法. 该算法采用了目前在信道编码中广泛使用的编组码汉明码,将差错控制应用于图像认证和修复,并使用混沌映射保证算法的有效性和安全性. 分析及实验表明:该算法在保证良好的视觉效果,嵌入较少认证信息的前提下,可以有效地进行数字图像篡改检测,并能够完成一定程度的图像修复.
连续波抽运气体波导产生太赫兹激光的理论研究
张会云, 刘蒙, 张玉萍, 申端龙, 吴志心, 尹贻恒, 李德华
2014, 63 (2): 020702. doi: 10.7498/aps.63.020702
摘要 +
基于速率方程理论,建立了光抽运气体波导产生太赫兹(THz)激光的能量转化模型,理论分析并求解得到抽运光吸收系数、THz小信号增益系数以及THz输出功率表达式. 计算结果表明,THz输出功率随工作物质气压的升高先增加后逐渐减少,随抽运功率的增加、输出镜反射率的减小而增加;最佳工作气压随抽运功率的增大而增大;激发态粒子数以及THz光子通量随波导截面径向逐渐减小,而THz 小信号增益系数逐渐增加;抽运饱和、弱抽运吸收与激发态工作物质对THz 激光的吸收是限制激光转化效率提高的根源;基于该模型的计算结果与相关文献中的实验数据符合较好.
原子和分子物理学
Heusler型X2RuPb (X=Lu, Y)合金的反带结构和拓扑绝缘性
王啸天, 代学芳, 贾红英, 王立英, 刘然, 李勇, 刘笑闯, 张小明, 王文洪, 吴光恒, 刘国栋
2014, 63 (2): 023101. doi: 10.7498/aps.63.023101
摘要 +
采用第一性原理的计算方法,在不同条件下对Heusler型X2RuPb(X=Lu,Y)体系的电子结构展开研究. 计算结果表明,这些合金在适当晶格变形或掺杂条件下,能够具有真正的拓扑绝缘体特性. 杂化作用和自旋-轨道耦合作用都对材料产生反带结构发挥作用. 但是针对不同成分所构成的材料,它们各自所起作用的程度有所不同,二者可以相辅相成. 利用替换掺杂和四角变形双重调控方式可以更理想地进行反带结构调控进而获得理想的拓扑绝缘体,这对于材料的实际制备具有重要意义.
外电场下二氧化锆的分子结构及其特性
凌智钢, 唐延林, 李涛, 李玉鹏, 魏晓楠
2014, 63 (2): 023102. doi: 10.7498/aps.63.023102
摘要 +
对O原子采用6-311++G*基组,Zr原子采用aug-cc-pVTZ-PP基组,利用密度泛函(B3P86)方法优化得到了ZrO2分子的稳定构型,并研究了不同外电场(0–0.025 a.u.)作用下ZrO2 基态分子键长、能量、电荷分布、偶极矩和能级的变化规律. 在优化构型的基础上,利用含时密度泛函(TD-B3P86)方法研究了ZrO2分子在外电场作用下前6个激发态的激发能、跃迁波长和振子强度的激发特性. 研究结果表明:随着电场强度的增大,Zr–2O的键长增大,而Zr–3O的键长均匀减少,总能量降低,偶极矩增大;最高占据轨道能量基本保持不变,最低未占据轨道和能隙均减小. 电场的增大使得激发能减小,各个激发态跃迁波长均发生不同程度的红移现象,因而,利用外电场可以控制ZrO2的发光光谱范围在可见-红外区域扩展.
PtnAl (n=18)小团簇的密度泛函理论研究
温俊青, 夏涛, 王俊斐
2014, 63 (2): 023103. doi: 10.7498/aps.63.023103
摘要 +
采用密度泛函理论方法,在BPW91/LANL2DZ水平下详细研究了PtnAl(n=18)团簇的几何结构、稳定性和电子性质. 同时,分析了团簇的结构演化规律、平均结合能、二阶能量差分、能隙、磁性、Mulliken电荷和电极化率. 结果表明:除Pt2Al外,所有PtnAl(n=18)团簇的基态几何结构都可以用Al原子替换Ptn+1基态构型中的Pt原子得到,且Al原子位于较高的配位点上. 二阶能量差分、能隙的分析结果表明,PtAl和Pt4Al团簇相对其他团簇具有较高的稳定性. Mulliken电荷分析表明,Al原子所带的电荷转移到Pt原子上,Al原子是电荷的捐赠者. 磁性的分析说明,单个Al原子的加入对Ptn团簇的平均每原子磁矩随尺寸的变化趋势没有影响,但总体上降低了Ptn团簇的平均磁矩. 极化率的研究表明,富Pt团簇的非线形光学效应强,容易被外场极化.
低温下氘分子红外吸收特性研究
刘江平, 黎军, 刘元琼, 雷海乐, 韦建军
2014, 63 (2): 023301. doi: 10.7498/aps.63.023301
摘要 +
采用基于第一性原理的从头计算单双取代耦合簇方法并结合cc-PVTZ基组,计算了处于基态的(D2)3分子两种不同构型(D2d和D2h)的各种能量模式及其对应的红外谱图. 利用自主研制的低温平面冷冻靶系统和低温红外光谱测量系统获得了低温下液氘的红外吸收谱. 结果表明,实验测得的液氘红外吸收最强位置与理论计算得到的基态(D2)3分子的红外强度最大位置基本一致,且均为低模式Q1(0)+S0(0).
NaLi分子飞秒含时光电子能谱的理论研究
张敏, 唐田田, 张朝民
2014, 63 (2): 023302. doi: 10.7498/aps.63.023302
摘要 +
运用三态模型和含时波包方法,研究了NaLi分子处于强飞秒抽运-探测激光场中的波包动力学过程和时间分辨光电子能谱,并且揭示了飞秒激光脉冲参数与NaLi分子光电子能谱之间的关系. 研究发现:对于不同的激光波长,波包的振动周期是不同的,而且随着抽运-探测脉冲延迟时间的不同,NaLi分子光电子能谱的谱峰高度和位置发生变化;当1=352 nm并且t=400 fs 时,外阱中相应的光电离信号(0.5 eV处)明显强于内阱中相应的光电离信号(1.35 eV 处). 计算结果表明,NaLi分子激发态41+上波包动力学的一些信息能够通过其光电子能谱反映出来. 这些结果可以为实验上实现分子的光控制以及量子操控过程提供一些有价值的参考信息,并为进一步的理论研究提供重要依据.
分子双电离对激光偏振性的依赖关系
童爱红, 冯国强
2014, 63 (2): 023303. doi: 10.7498/aps.63.023303
摘要 +
利用经典系综模型研究了氢分子双电离对激光场椭圆率的依赖性. 研究发现,氢分子双电离机制对激光的椭偏性有强烈的依赖关系. 随着激光场椭圆率的增加,双电离机制由非次序双电离转变为次序双电离. 在大椭圆率情况的次序双电离中,电子关联动量分布随椭圆率的灵敏变化显示了电子出射时间对椭圆率的强烈依赖关系.
质子与羟基碰撞的含时密度泛函理论研究
王志萍, 朱云, 吴亚敏, 张秀梅
2014, 63 (2): 023401. doi: 10.7498/aps.63.023401
摘要 +
采用将含时密度泛函理论和分子动力学非绝热耦合的方法,研究了不同入射速度下质子与羟基碰撞的反应动力学. 计算了碰撞前后质子动能和羟基动能的变化及羟基电子和质子的运动. 计算结果表明,质子沿垂直羟基分子轴方向入射时,质子与羟基碰撞后,质子被反弹且动能损失并俘获了羟基中氧的一部分电子,而丢失部分电子的羟基则获得动能以伸缩振动的形式向计算边界平动. 随着入射质子的初动能增加,质子从羟基中俘获的电子增多,碰撞后羟基的键长变长,羟基振动变强而伸缩振动频率降低. 此外,还发现质子的入射方向对碰撞过程的激发动力学有很大的影响. 质子从不同的方向入射时,质子的入射初动能越大,其损失的动能越多且损失的动能与入射初动能呈线性关系,而入射方向对质子动能损失的影响很小. 在质子入射初动能较低(小于25 eV)的情况下,羟基获得的动能与质子入射初动能呈线性关系且与入射方向无关;在质子入射初动能较高(大于25 eV)时,当质子沿羟基分子轴方向入射时,羟基动能的增量远大于质子沿垂直于羟基分子轴方向入射时羟基动能的增量.
碰撞能及反应物振动激发对Ar+H2+→ArH++H反应立体动力学性质的影响
胡梅, 刘新国, 谭瑞山
2014, 63 (2): 023402. doi: 10.7498/aps.63.023402
摘要 +
基于我们最近所构建的Ar+H2+→ArH++H(12A’) 反应的新势能面,采用准经典轨线法研究了碰撞能分别为0.48,0.77,1.24 eV 以及能量为0.48 eV 时反应物不同振动态下Ar+H2+→ArH++H反应的立体动力学性质. 结果显示在给定的碰撞能情况下,以及当反应物振动量子数由0 变到2 时计算的积分反应截面与实验值符合得较好. 通过比较发现,碰撞能对此反应k-j’ 关联函数P(θr) 分布的影响大于其受振动激发的影响,并且关于k-k’-j’ 三矢量相关的函数P(φr) 分布以及极化微分反应截面对碰撞能较敏感,同时发现振动激发对P(φr)分布和极化微分反应截面也有较大的影响.
利用蓝失谐激光诱导微型光学偶极阱中冷原子间的光助碰撞提高单原子制备概率
刁文婷, 何军, 刘贝, 王杰英, 王军民
2014, 63 (2): 023701. doi: 10.7498/aps.63.023701
摘要 +
借助于微米尺度的远失谐光学偶极阱(FORT)中蓝失谐光的光助碰撞效应与反馈控制系统,文章在实验上实现了FORT中单个原子的高效制备. 结合原子的势能曲线,分析了原子在红失谐光和蓝失谐光作用下的光助碰撞效应,并且在实验上得到红失谐光诱导下单原子的制备概率约50%,蓝失谐光诱导下单原子的制备概率约80%. 通过反馈控制系统,当原子数目小于1 时,反馈控制使磁场梯度减小以快速俘获原子,当原子数目大于1时,反馈控制开启蓝失谐光场,使得原子一个个逃逸出阱中,最终实现了FORT中单原子的制备概率约95%,为下一步偶极阱的二维扩展奠定了基础. 通过HBT 实验测量FORT中单原子发出光子的统计特性,得到二阶相干度g(2)(τ=0)=0.08.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
介质加载复合光栅结构的色散特性研究
曹苗苗, 刘文鑫, 王勇, 李科
2014, 63 (2): 024101. doi: 10.7498/aps.63.024101
摘要 +
提出了一种用于Smith-Purcell器件的介质加载金属光栅周期慢波结构. 通过采用本征函数法和单模近似法求解了介质加载金属光栅的“热色”散方程,在同步点得到了注-波互作用的一阶和二阶增长率,分析了光栅槽宽和槽深对色散特性的影响,并研究了电子注参数及其与光栅表面距离等主要参数对增长率特性的影响. 结果表明:通过介质加载金属光栅有利于减弱色散,随着介质相对介电常数、槽宽度以及深度的增大,色散曲线变平缓且向低频区移动;当电子注参数变化时,一阶增长率曲线从整体上粗略地描述增长率变化趋势,二阶曲线则更精细地描述增长率相应值的变化. 利用软件MAGIC 对该结构的色散特性进行了二维模拟,模拟结果与理论计算值符合良好.
双向使用高非线性光纤实现同时解复用出两路10 Gbit/s信号
贾楠, 李唐军, 孙剑, 钟康平, 王目光
2014, 63 (2): 024201. doi: 10.7498/aps.63.024201
摘要 +
提出一种利用双向使用高非线性光纤(HNLF)实现同时解复用出两路信号的全光解复用方案. 将复用信号和控制光的混合信号从 HNLF 的两端同时注入,复用信号中的某一路信号通过交叉相位调制使控制光产生蓝移或红移,在HNLF的输出端用窄带滤波器将控制光的蓝移或红移部分滤出从而同时实现两路信号解复用. 理论分析了信号光和控制光在HNLF中的相互作用和解复用原理. 搭建80 Gbit/s光时分复用系统,对双向使用HNLF的解复用结构进行了实验研究. 在HNLF的两个输出端同时实现不同信道的无误码解复用,其中信道解复用的最大功率代价为2.6 dB.

编辑推荐

双包层大模场面积保偏掺镱光子晶体光纤研究
赵楠, 陈瑰, 王一礴, 彭景刚, 李进延
2014, 63 (2): 024202. doi: 10.7498/aps.63.024202
摘要 +
采用改进的化学气相沉积法和溶液掺杂法制备出掺镱石英光纤预制棒,以该预制棒为有源纤芯制备芯区直径约为30 m的双包层保偏掺镱光子晶体光纤. 模拟计算得到该保偏光纤的模场面积约232 m2,双折射系数B为510-5. 利用该光纤分别进行了脉冲激光和连续激光的放大测试实验,在国内首次实现了高效率的飞秒激光放大,2 m 长的光子晶体光纤可得到1.64 W的激光输出,激光放大斜率效率为49.8%. 同时5 m长的光纤还能够实现8.12 W的连续激光放大输出,斜率效率达到55.9%,具有较高的斜率效率. 此外,该光纤消光比约10 dB,具有良好的保偏特性.
一级近似下的双模激光随机共振
张良英, 金国祥, 汪志云, 曹力
2014, 63 (2): 024203. doi: 10.7498/aps.63.024203
摘要 +
将周期信号输入双模激光,对激光光强方程中的乘法噪声项取一级近似,用线性化近似方法计算相关函数和功率谱,结果发现:信噪比随抽运噪声强度、量子噪声强度及信号频率的变化均出现随机共振.
非局域表面暗孤子及其稳定性分析
高星辉, 唐冬, 张承云, 郑晖, 陆大全, 胡巍
2014, 63 (2): 024204. doi: 10.7498/aps.63.024204
摘要 +
非局域体介质中的暗孤子及表面亮孤子由于在光通信领域的潜在应用而受到极大关注,然而到目前为止却没有对非局域表面暗孤子的研究. 在线性介质和非局域非线性介质的分界面上,数值模拟得到了1+1维非局域基态和二阶表面暗孤子,研究了它们的波形与传播常数和介质非局域程度的关系,基于它们的稳定性分析进行了理论推导和数值模拟. 稳定性分析结果表明:1+1维非局域基态表面暗孤子在其存在区域总是稳定的,而二阶表面暗孤子是区域不稳定的,其不稳定区域的宽度与传播常数以及介质的非局域程度有关系,且受传播常数的影响更大. 加噪声的初始输入传输图验证了稳定性分析结果的正确性.
溶胶凝胶法制备圆柱形大孔二氧化硅反蛋白石结构晶体
李侠, 郭文华, 吕志娟, 邢进华, 王鸣
2014, 63 (2): 024205. doi: 10.7498/aps.63.024205
摘要 +
利用溶胶凝胶法在不同直径的毛细管表面制备了圆柱形二氧化硅反蛋白石多孔结构. 利用扫描电子显微镜表征了其形貌,发现胶体晶体的类(111)面结构整体为圆柱形,平行于毛细管表面. 透射光谱结果表明,二氧化硅多孔结构在[111]方向具有典型的光子带隙效应,与布拉格理论相符合,有望应用到光通讯和传感领域.
仅用一根局部微结构长周期光纤光栅实现温度与弯曲曲率的同时测量
曹晔, 裴庸惟, 童峥嵘
2014, 63 (2): 024206. doi: 10.7498/aps.63.024206
摘要 +
提出并制作了一种具有微结构缺陷的局部微结构长周期光纤光栅,该光栅是用氢氟酸局部腐蚀长周期光纤光栅,在包层区域形成局部缺陷得到的. 理论分析与实际制作表明,局部腐蚀会改变包层模的有效折射率调制,相当于在缺陷部分引入一个相移,在其光谱图上表现为在透射阻带中打开一个透射窗口,形成两个透射阻带和一个透射通带. 在此基础上对其进行了传感实验,研究了两个透射阻带和透射通带的温度和弯曲特性. 实验结果表明:透射通带和两透射阻带的温度灵敏度相同,均约为0.05 nm/℃;而透射通带的弯曲曲率灵敏度(约为-2.61 nm/m-1)小于透射阻带的弯曲曲率灵敏度(约为-4.71 nm/m-1),因此利用敏感矩阵,可以仅用一根光栅对弯曲曲率和温度双参量进行同时测量.
基于局域共振单元实现声子晶体低频多通道滤波
程聪, 吴福根, 张欣, 姚源卫
2014, 63 (2): 024301. doi: 10.7498/aps.63.024301
摘要 +
从理论上提出一种由局域共振单元组成的声子晶体低频多通道滤波模型. 在二维三组元局域共振声子晶体中引入不同填充率的共振单元构成波导结构,通过有限元法计算出其能带结构、透射曲线和透射场图. 结果显示:这种设计能够在低频带隙范围内不同填充率散射体的共振频率附近产生新的分立模,且这些分立模能够使相应的声波在声子晶体中沿波导方向传播;这些分立模只与相应的共振单元相关,抗干扰能力强. 所得结果为低频多通道滤波器的设计提供了一种新的理论依据.
密度梯度薄板超高速撞击特性的实验研究
侯明强, 龚自正, 徐坤博, 郑建东, 曹燕, 牛锦超
2014, 63 (2): 024701. doi: 10.7498/aps.63.024701
摘要 +
以二级轻气炮作为加载手段,在撞击速度范围为4.0–7.0 km/s内获得了Ti6Al4V/Ly12 Al/聚酰胺纤维密度梯度薄板的穿孔特性、验证板损伤特性和弹道极限特性. 与Ly12 Al薄板的相应实验结果的对比显示,在相同撞击速度下,该密度梯度薄板的穿孔直径更大,且随撞击速度的增大而增加;其验证板上的撞击坑尺寸小,且随撞击速度的增大而减小;其弹道极限比Ly12 Al薄板的弹道极限高50%以上. 分析认为,超高速撞击下Ti6Al4V/Ly12 Al/聚酰胺纤维密度梯度薄板中高阻抗的Ti6Al4V产生的峰值冲击压力比Ly12 Al薄板的峰值冲击压力高,这增强了对弹丸的破碎能力;而其中的聚酰胺纤维层延长了冲击波在薄板中的传播时间,增大了冲击波的耗散,使撞击过程中转化的不可逆功增多,从而消耗了弹丸更多的动能. 使用这种密度梯度材料作为防护屏具有很好的抗撞击能力,在航天器空间碎片防护工程应用中具有很大的潜力.
零质量射流激励下诱发液体相变及其格子Boltzmann方法模拟
任晟, 张家忠, 张亚苗, 卫丁
2014, 63 (2): 024702. doi: 10.7498/aps.63.024702
摘要 +
使用格子Boltzmann方法对零质量射流激励下液体的相变演化过程进行了数值模拟和分析. 首先,提出了此特定零质量射流进出口边界的处理格式. 然后,结合Shan和Doolen提出的单组分多相模型,模拟了方腔内液体受到此零质量射流激励而诱发产生空化的过程,着重分析了三个重要射流参数ε/T,T和vout/vin对方腔内液体相变的影响. 分析表明:演化过程中方腔内气相节点数量在初始阶段急剧增长,然后经振荡趋于一个稳定值. 由于ε/T和vout/vin可以反映射流在出入方腔两个过程间相互转换时的急剧变化,所以能够影响方腔中的液体相变的演化;而改变参数T并不影响射流速度的变化程度,所以T对液体相变的影响较弱. 对于本文给定的参数取值,ε/T较小时,方腔内液体相变生成的孤立气泡脱离壁面;较大的ε/T下产生附着于方腔壁面的气泡,并且能够加速液体的相变进程;vout/vin的增加使方腔内相应的孤立气泡所覆盖的范围略有减小. 研究结果揭示了零质量射流激励诱发的液体相变过程,为进一步探索液体空化的控制途径奠定了基础.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
双极电压比较器电离辐射损伤及剂量率效应分析
马武英, 陆妩, 郭旗, 何承发, 吴雪, 王信, 丛忠超, 汪波, 玛丽娅
2014, 63 (2): 026101. doi: 10.7498/aps.63.026101
摘要 +
为了对双极电压比较器在电离辐射环境下的损伤变化特征及其剂量率效应进行研究,选择一组器件,在不同偏置条件下进行60Co高低剂量率的辐照和退火试验. 结果表明:电压比较器的电源电流、偏置电流及失调电压等多个关键参数都有不同程度的蜕变;偏置条件对于电压比较器的辐射响应有很大影响;此外,不同公司生产的同种型号电路表现出不同的剂量率效应;通过对测试结果分析,系统地讨论了各参数变化的原因,并结合电离损伤退火特性,探讨了各剂量率效应形成的机理. 研究结果对工程应用考核提供了参考,而且为设计抗辐射加固器件提供了依据.
光梯度力驱动纳谐振器的非线性动力学特性研究
刘岩, 张文明, 仲作阳, 彭志科, 孟光
2014, 63 (2): 026201. doi: 10.7498/aps.63.026201
摘要 +
光梯度力作为纳谐振器的一种新型驱动方式,得到了广泛关注. 本文研究了光梯度力的固有非线性特性,建立了光梯度力驱动圆环与辐条谐振系统的动力学模型. 揭示了入射光功率以及几何参数对系统的非线性动力学响应的影响规律. 研究表明:光梯度力会引起系统呈现刚度软化效应,随着入射光功率增大,系统主共振峰值明显增大,且谐振频率随着振幅增大而产生较大偏移;两环初始间隙增大,系统振动幅值和谐振频率均下降;辐条厚度越大,系统主共振峰值和谐振频率均减小. 因此,可以通过调节入射光功率来实现圆环辐条谐振器的频率调节,为光梯度力驱动纳谐振器动力学设计和性能预测提供理论参考.
钒的高压声速测量
俞宇颖, 谭叶, 戴诚达, 李雪梅, 李英华, 谭 华
2014, 63 (2): 026202. doi: 10.7498/aps.63.026202
摘要 +
采用反向碰撞方法进行了钒冲击实验,利用激光干涉测速技术对V/LiF窗口界面粒子速度剖面进行测量. 通过对粒子速度剖面的分析获得了32–88 GPa压力范围内钒的高压声速. 实验获得的声速-冲击压力关系在约60 GPa存在间断,表明钒发生了冲击相变. 相变压力与静高压实验结果及第一性原理计算结果基本一致.
粗化过程中颗粒界面形状演化的三维多相场法研究
罗海滨, 李俊杰, 马渊, 郭春文, 王锦程
2014, 63 (2): 026401. doi: 10.7498/aps.63.026401
摘要 +
利用多相场模型对液-固两相体系中固相颗粒的粗化过程进行了三维模拟,对粗化过程中的界面形状分布进行了统计分析,研究了不同固相体积分数下颗粒连接状态对界面形状演化及粗化速率的影响. 模拟结果表明:当颗粒间存在大量连接时,粗化速率随固相分数的变化速率比颗粒无连接时变缓,且随着粗化进行,高曲率的双曲形界面所占比例不断降低,低曲率的椭球形界面所占比例逐渐增多;无论固相颗粒间是否发生连接,界面形状演化经历一定阶段后,三维界面形状分布均呈现自相似性,但随着固相体积分数的增加,界面形状分布呈现自相似性所需的时间延长.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
使用PTB7作为阳极修饰层提高有机发光二极管的性能
黄迪, 徐征, 赵谡玲
2014, 63 (2): 027301. doi: 10.7498/aps.63.027301
摘要 +
采用poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]](PTB7)作为有机发光二极管器件的阳极修饰层,制备了结构为indium tin oxide(ITO)/PTB7(不同浓度)/N,N’-Bis(naphthalen-1-yl)-N,N’-bis(phenyl)benzidine(NPB,40 nm)/8-hydroxyquinoline(Alq3,60 nm)/LiF(1 nm)/Al的系列器件,同时研究了不同浓度的PTB7对器件性能的影响. PTB7的最佳浓度为0.25 mg/mL,器件性能得到明显的改善,起亮电压为4.3 V. 当驱动电压为14.6 V时,最大亮度为45800 cd/m2,最大电流效率为9.1 cd/A. 与没有PTB7修饰的器件相比,其起亮电压降低了1.9 V,最高亮度提升了78.5%. 器件性能提高归因于PTB7的插入使得空穴注入和传输能力大大改善.
柔性有机非易失性场效应晶体管存储器的研究进展
柴玉华, 郭玉秀, 卞伟, 李雯, 杨涛, 仪明东, 范曲立, 解令海, 黄维
2014, 63 (2): 027302. doi: 10.7498/aps.63.027302
摘要 +
柔性有机非易失性场效应晶体管存储器具有柔性、质轻、成本低、可低温及大面积加工等优点,在射频识别标签、柔性存储、柔性集成电路和大面积柔性显示等领域展现出巨大的应用前景. 本文在介绍柔性有机非易失性场效应晶体管存储器的衬底材料、器件结构和性能参数的基础上,总结了柔性有机非易失性场效应晶体管存储器的分类,并讨论了机械应力和不同温度对柔性有机非易失性场效应晶体管存储器性能参数的影响,最后展望了柔性有机非易失性场效应晶体管存储器的应用前景以及所面临的挑战.

编辑推荐

在预刻蚀的衬底上通过分子束外延直接生长出拓扑绝缘体薄膜的微器件
韦庞, 李康, 冯硝, 欧云波, 张立果, 王立莉, 何珂, 马旭村, 薛其坤
2014, 63 (2): 027303. doi: 10.7498/aps.63.027303
摘要 +
在利用光刻将拓扑绝缘体外延薄膜加工成微米尺寸结构的过程中,所用的各种化学物质会导致薄膜质量的下降. 在实验中,通过在钛酸锶衬底上预先光刻出Hall bar形状的凸平台并以此为模板进行拓扑绝缘体(BixSb1-x)2Te3薄膜的分子束外延生长,直接获得了薄膜的Hall bar微器件,从而避免了光刻过程对材料质量的影响. 原子力显微镜和输运测量结果均显示该微器件保持了(BixSb1-x)2Te3外延薄膜原有的性质. 这种新的微器件制备方法有助于在拓扑绝缘体中实现各种新奇的量子效应,并可推广于其他外延生长的低维系统.

编辑推荐

SrTiO3(001)衬底上单层FeSe超导薄膜的分子束外延生长
王萌, 欧云波, 李坊森, 张文号, 汤辰佳, 王立莉, 薛其坤, 马旭村
2014, 63 (2): 027401. doi: 10.7498/aps.63.027401
摘要 +
在以前工作的基础上,进一步研究了SrTiO3(001)(STO)衬底上单层FeSe超导薄膜的分子束外延生长. 首先,通过去离子水刻蚀、盐酸溶液腐蚀和纯氧气氛中退火等步骤,获得台阶有序、具有单一TiO2终止的原子级平整表面的STO衬底,这是前提条件. 这个过程中酸的选择和退火过程中氧的流量是最为关键的因素. 其次,在FeSe薄膜的分子束外延生长中,选择适当的Fe源和Se 源束流以及衬底温度是关键因素. 如选择适当,生长模式为step-flow生长,这时得到的FeSe薄膜将是原子级平整的. 最后一步为退火,这个过程会增强FeSe薄膜结晶性以及它与SrTiO3衬底间的结合强度.
抛物量子点中强耦合磁双极化子内部激发态性质
额尔敦朝鲁, 白旭芳, 韩超
2014, 63 (2): 027501. doi: 10.7498/aps.63.027501
摘要 +
基于Lee-Low-Pines幺正变换,采用Pekar类型变分法研究了抛物量子点中强耦合磁双极化子的内部激发态性质,当考虑自旋和外磁场影响时,推导出二维量子点中强耦合磁双极化子基态的能量E0,声子平均数N0以及第一激发态的能量E1,声子平均数N1随量子点受限强度ω0,介电常数比η,电子-声子耦合强度α和磁场的回旋共振频率ωC的变化规律. 结果表明,磁双极化子的基态能量E0和第一激发态能量E1由两电子的单粒子能量EE,两电子间库仑相互作用能EC,电子自旋与磁场相互作用能Es和电子-声子相互作用能Ee-ph四部分组成;单粒子“轨道”运动与磁场相互作用导致了第一激发态能级E1分裂为E1(1+1),E1(1-1)两条,而电子自旋-磁场相互作用的效应又使基态和第一激发态的各能级均产生了三条“精细结构”;N0和N1随ω0,α和ωc的增加而增大,Ee-ph的取值总是小于零,其绝对值随α,ω0 和ωc的增加而增大;电子-声子相互作用的效应是束缚态磁双极化子形成的有力因素,而限定势和电子之间的库仑排斥能的存在不利于束缚态磁双极化子的形成;能量为E1(1-1)的磁双极化子要比能量为E1(1+1)的磁双极化子更容易且更稳定地处于束缚态.
电泳辅助制备伪1-3陶瓷/聚合物压电复合材料
武峥, 周嘉仪, 曹艺, 马柯, 贾艳敏, 张以河
2014, 63 (2): 027701. doi: 10.7498/aps.63.027701
摘要 +
1-3压电复合材料的压电、介电及铁电性能要远远优于0-3压电复合材料. 在制备传统的0-3复合材料过程中引入电泳技术,使得压电颗粒在聚合物基体中取向排列,制备得到伪1-3复合材料. 实验结果表明:在制备PZT/环氧树脂0-3复合压电材料固化过程中,采用500 V/mm,4 kHz的电场对其进行电泳辅助取向,可使得颗粒呈现珍珠串状排列,得到伪1-3复合材料;其压电、介电、铁电性能均比原来的0-3复合材料有显著的提高. 电泳辅助制备技术用于制备伪1-3复合压电材料具有操作简单、成本低廉、压电、介电、铁电性能显著提高等优点,在智能传感领域具有很好的实际应用前景.
等离子体增强InAs单量子点荧光辐射的研究
王海艳, 窦秀明, 倪海桥, 牛智川, 孙宝权
2014, 63 (2): 027801. doi: 10.7498/aps.63.027801
摘要 +
通过测量光致发光(PL)谱、PL时间分辨光谱及不同激发功率下PL发光强度,研究了低温(5 K)下等离子体对InAs单量子点 PL光谱的增强效应. 采用电子束蒸发镀膜技术在InAs量子点样品表面淀积了5 nm厚度的金膜,形成纳米金岛膜结构. 实验发现,金岛膜有利于量子点样品发光强度的增加,最大PL强度增加了约5倍,其主要物理机理是金岛膜纳米结构提高了量子点 PL光谱的收集效率.
基于集总元件和负微分元件的有源可调谐超材料传输线
司黎明, 侯吉旋, 刘埇, 吕昕
2014, 63 (2): 027802. doi: 10.7498/aps.63.027802
摘要 +
针对无源超材料高色散、高损耗和均匀性差的缺点,利用集总元件和负微分元件设计、加工了一种微波频段的有源可调谐超材料传输线,并对其进行了测试. 实验获得了具有散射参数随外加偏置电压改变而变化的电控可调谐特性以及衰减常数为负值的有源超材料传输线.
释气对介质沿面闪络击穿影响的粒子模拟
董烨, 董志伟, 周前红, 杨温渊, 周海京
2014, 63 (2): 027901. doi: 10.7498/aps.63.027901
摘要 +
为研究释气下的高功率微波介质沿面闪络击穿物理机制,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、次级电子发射、蒙特卡罗碰撞模型以及碰撞退吸附气体分子模型;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别研究了弱退吸附、强退吸附以及释气分子运动速率对沿面闪络击穿的影响. 研究结果表明:介质沿面闪络击穿本质是沉积功率的持续增加. 弱退吸附下,次级电子倍增占优,随着退吸附系数的增加,碰撞电离效应对次级电子倍增有促进作用,主要表现为介质窗表面静电场、表面碰撞电子平均能量以及表面碰撞电子数目的增加,此处的表面碰撞电子主要是次级电子倍增形成的;释气分子运动速率高导致介质面附近气压下降,不利于次级电子与气体分子间碰撞电离过程形成. 强退吸附下,气体碰撞电离效应占优,随着退吸附系数的增加,离子数增加速度表现为电离频率增加的指数增长形式,碰撞电离效应对次级电子倍增有抑制作用,主要表现为介质窗表面静电场为负、表面碰撞电子平均能量的降低,但是表面碰撞电子数目却得以增加,此处的表面碰撞电子主要是贴近介质面的气体碰撞电离形成的;释气分子运动速率高导致气体厚度增加,扩大了气体碰撞电离作用区域,有利于气体碰撞电离.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
一种预测材料蠕变速率的新模型
李菁田, 王建录, 张邦强, 荣曦明, 宁西京
2014, 63 (2): 028101. doi: 10.7498/aps.63.028101
摘要 +
长期以来,由于对材料蠕变过程缺乏清晰的微观物理描述,人们均使用经验公式预测稳态蠕变速率,这导致预测结果的不可靠. 将单原子统计模型拓展到该领域,在原子扩散水平上建立了一个预测材料稳态蠕变速率的模型. 为了检验该模型的可靠性,实验测量了42CrMoA,2Cr12Ni,1Cr12Mo三种材料的稳态蠕变速率. 所获得的实验结果以及其他文献的实验测试结果均与新模型的计算结果相符合.
基于团簇模型设计的Cu-Cu12-[Mx/(12+x)Ni12/(12+x)]5 (M=Si, Cr, Cr+Fe) 合金抗高温氧化研究
李晓娜, 郑月红, 李震, 王苗, 张坤, 董闯
2014, 63 (2): 028102. doi: 10.7498/aps.63.028102
摘要 +
文章在稳定固溶体团簇模型的指导下,对白铜合金进行微合金化,将Cu元素在合金中的含量固定为72.22 at.%,改变Ni与 M(M 为Si,Cr,Cr+Fe)的比例,设计了系列合金成分,并对其抗高温氧化性能及其机制进行了研究. 同时加入基体中的Ni-Si元素可以从两方面提高合金的抗氧化性能:以团簇形式加入,形成稳定固溶体结构,可以降低Cu-Ni-Si合金的化学反应活性;Si/Ni比增大后,合金在少量固溶的基础上能析出抗氧化性能优于基体的析出相,且析出越多,抗高温氧化性能越好. 所以其抗氧化能力的来源并不是形成致密Si氧化物薄膜. Ni-Cr 的同时加入可以明显抑制Cu合金在800 ℃以下的中温氧化,但其抗高温氧化能力主要与外氧化层中是否形成连续的Cr 氧化层有关,因而该系列合金的抗高温氧化能力与Cr/Ni比有密切联系,合理选择团簇内Cr/Ni比例,才能够提高Cu合金的抗高温氧化能力. 第四组元Fe和第三组元Cr相比较,不能够起到优先氧化、生成保护性氧化皮的作用,所以Cr,Fe同时添加只能抑制Cu在800 ℃以下的中温氧化,却不能够提高Cu合金的抗高温氧化能力.
宽带透射吸收极化无关超材料吸波体
鲁磊, 屈绍波, 施宏宇, 张安学, 夏颂, 徐卓, 张介秋
2014, 63 (2): 028103. doi: 10.7498/aps.63.028103
摘要 +
提出了一种新的基于磁性吸波体材料的具有低频透射和高频宽带吸收特性的超材料吸波体. 该超材料吸波体在1 GHz的透射系数为-0.5 dB,具有较好的低频透射特性,可以实现对低频信号的相互通信;在频率大于8.4 GHz的频段,吸收率均大于80%,基本覆盖整个X波段和Ku波段,实现高频宽带吸收. 此外,由于该超材料吸波体的单元金属周期结构具有较好的四重旋转对称性,因而是极化无关的. 该透射吸收超材料吸波体设计简单,实用性强,具有较强的潜在应用价值.
沉积温度对钛硅共掺杂类金刚石薄膜生长、结构和力学性能的影响
姜金龙, 黄浩, 王琼, 王善民, 魏智强, 杨华, 郝俊英
2014, 63 (2): 028104. doi: 10.7498/aps.63.028104
摘要 +
采用中频磁控溅射Ti80Si20复合靶在单晶硅表面制备了共掺杂的类金刚石薄膜. 研究了沉积温度对薄膜生长速率、化学成分、结构、表面性质和力学性能的影响. 结果表明:随沉积温度升高,薄膜生长速率降低,薄膜Ti和Si原子浓度增加,C原子浓度降低;在高温下沉积的薄膜具有低sp3C 含量、低表面接触角、低内应力和高的硬度与弹性模量. 基于亚表层注入生长模型分析了沉积温度对薄膜生长和键合结构的影响,从薄膜生长机制和微观结构解释了表面性质和力学性能的变化.
基于粒子群算法的有机半导体NPB传输特性辨识
刘瑞兰, 王徐亮, 唐超
2014, 63 (2): 028105. doi: 10.7498/aps.63.028105
摘要 +
为了研究有机半导体材料的载流子传输特性,制备了单层器件ITO/NPB/Ag,建立了该器件的理论导纳模型. 利用正弦小信号频域测试法得到该器件在不同直流偏压下的频率特性样本. 定义了同时包含有机半导体阻抗实部和虚部的模型参数辨识问题的目标函数,采用粒子群算法对包括载流子迁移时间τdc,色散度参数M和α在内的模型参数进行辨识. 为了验证提出方法的有效性,建立了器件的等效电路模型,并用最小二乘算法辨识出等效电路的时间常数τc. 实验上对1000 nm和1200 nm的单层器件进行频域测试,经计算发现τdc和τc 之间具有相同的比例关系,通过对计算出的空穴迁移率μdc 进行指数拟合发现,两种厚度的NPB器件的空穴迁移率与电场强度呈指数增加,且满足著名的Poole-Frenkel 公式.
多频率控制开关变换器的自相似和混频现象分析
吴松荣, 周国华, 王金平, 许建平, 何圣仲
2014, 63 (2): 028401. doi: 10.7498/aps.63.028401
摘要 +
在多频率控制开关变换器的工作原理及状态方程的基础上,建立了多频率控制断续导电模式开关变换器的离散迭代映射模型,并推导了相应的特征值方程和Lyapunov指数. 根据离散迭代映射模型,对多频率控制开关变换器进行了分岔分析. 结果表明:在电路参数变化时,变换器存在边界碰撞分岔行为和多周期行为;当误差界限电压较大时,变换器表现出自相似现象,而当误差界限电压较小时,变换器则表现出混频现象. 采用Lyapunov指数研究了变换器的稳定性,验证了分岔分析的正确性. 经过电路仿真,进一步分析了负载变化时变换器的时域波形和相轨图,并验证了离散迭代映射模型的有效性和理论分析的正确性. 最后通过实验结果验证了文中的仿真结果.
带状注速调管多间隙扩展互作用输出腔等效电路的研究
陈姝媛, 阮存军, 王勇
2014, 63 (2): 028402. doi: 10.7498/aps.63.028402
摘要 +
带状注扩展互作用速调管(SBEIK)结合了带状注速调管与扩展互作用速调管的优势,在微波和毫米波真空电子器件中具有显著的技术潜力. 本文提出了应用于SBEIK的五间隙哑铃型扩展互作用耦合腔输出回路的等效电路模型,获得了建立复杂多间隙扩展互作用腔的等效电路理论的方法.通过推导出的理论,快速确定了五间隙扩展互作用耦合腔的工作模式、谐振频率及间隙阻抗矩阵,由间隙阻抗的频率特性曲线快速估算出各模式对应的带宽,分析研究了耦合系数k以及Qe对于多间隙腔模式频率间隔及带宽的影响. 此外,利用三维PIC 仿真软件对相应的SBEIK 五间隙输出腔高频特性进行了粒子模拟,结果表明,三维仿真获得的工作模式带宽特性与等效电路法计算结果基本一致,证明了本文所建立的等效电路方法的准确性和有效性.
改进的双曲等效法用于双站合成孔径雷达前视成像
马超, 顾红, 苏卫民, 李传中
2014, 63 (2): 028403. doi: 10.7498/aps.63.028403
摘要 +
双站合成孔径雷达(SAR)前视成像有着很多的潜在应用,比如在能见度很低的天气实现飞机的导航和盲降,提高飞机飞行的安全度等. 然而实现双站SAR前视成像的难点在于其距离历程的双根式性,直接采用驻定相位原理对其分解将得到复杂的解析式,从而后续算法的推导变得困难. 现有的双曲等效法可以将双根式距离历程等效为单根式,但由于该方法为距离历程的二阶近似,当用于双站SAR 前视成像时,由于其较大的前视角,未完全等效的距离历程高次项造成的误差已经超出可以接受的范围. 针对以上问题,本文首先提出了一种改进的双曲等效法,该方法通过引入新的补偿变量来提高距离历程的等效精度;然后在此基础上推导回波信号的二维频谱解析式,并给出了一种适用于双站SAR前视成像的距离多普勒算法;最后通过仿真实验,将原双曲等效法与改进方法的等效误差以及成像结果做对比,验证了本文算法的有效性和优越性.
静电式同位素辐射能量收集器的研究
王翔, 张强, 陈然斌, 邓志强, 伞海生
2014, 63 (2): 028501. doi: 10.7498/aps.63.028501
摘要 +
针对目前无线传感网络节点对长寿命微能源的需求,提出了将同位素辐射能量转换为电能的静电式振动能量收集原理. 该原理利用同位素 63Niβ 辐射能实现平行板悬浮-质量块结构的自由阻尼振动,并通过可变电容电路实现充-放电振荡循环,从而实现电能的转换. 通过分析运动状态和能量转化过程,给出了结构的运动状态和能量输出方程,并使用Matlab/Simulink对输出特性进行了数值模拟和基于Ansys的结构优化设计. 根据仿真和优化的结构尺寸设计出了满足最大平均输出功率的微电子机械器件结构. 结果表明:所设计的结构在一阶固有频率为500 Hz,两极板间距离为75 μm,外接电阻为90 kΩ时平均输出功率最大为0.416 μW,转化效率8.25%.
空间散斑场捕获大量吸光性颗粒及其红外显微观测
张志刚, 刘丰瑞, 张青川, 程腾, 伍小平
2014, 63 (2): 028701. doi: 10.7498/aps.63.028701
摘要 +
光镊技术被广泛应用于捕获和操纵微纳米尺寸颗粒,主要包括捕获水中透明性颗粒和空气中吸光性颗粒两种类型. 本文用激光束照射毛玻璃散射片,透射光经透镜会聚后在透镜的像平面附近产生了主观散斑场. 该散斑场为空间分布,包含大量的亮斑和暗斑. 大量由亮斑包围的暗斑如同一个个空间能量陷阱,被用来捕获大量的吸光性墨粉颗粒,被捕获颗粒的尺寸约2–8 μm,密度约1–2 g/cm3. 采用红外显微镜拍摄到空间散斑场捕获颗粒的红外像,红外图像显示被捕获颗粒吸光后温度升高,证实了空间散斑场捕获吸光性颗粒的机理为光泳力原理.
高绒度掺硼氧化锌透明导电薄膜用作非晶硅太阳电池前电极的研究
王利, 张晓丹, 杨旭, 魏长春, 张德坤, 王广才, 孙建, 赵颖
2014, 63 (2): 028801. doi: 10.7498/aps.63.028801
摘要 +
将自行研制的具有优异陷光能力的掺硼氧化锌用作p-i-n型非晶硅太阳电池的前电极,并且将传统商业用U 型掺氟二氧化锡作为对比电极. 相比表面较为平滑的掺氟二氧化锡,掺硼氧化锌表面大类金字塔的绒面结构会在本征层生长过程中触发阴影效应,形成大量的高缺陷材料区和漏电沟道,进而恶化电池的开路电压和填充因子. 在不修饰掺硼氧化锌表面形貌的情况下,通过调节非晶硅本征层的沉积温度来消弱高绒度表面形貌引起的这种不利影响,对应的电池开路电压和填充因子均出现提升. 在仅有铝背电极的情况下,在本征层厚度为200 nm的情况下,以掺硼氧化锌为前电极的非晶硅太阳电池转换效率达7.34%(开路电压为0.9 V,填充因子为70.1%,短路电流密度11.7 mA/cm2).
渐变带隙氢化非晶硅锗薄膜太阳能电池的优化设计
柯少颖, 王茺, 潘涛, 何鹏, 杨杰, 杨宇
2014, 63 (2): 028802. doi: 10.7498/aps.63.028802
摘要 +
利用一维微电子-光电子结构分析软件(AMPS-1D)在AM1.5G(100 mW/cm2)、室温条件下模拟和比较了有、无渐变带隙氢化非晶硅锗(a-SiGe:H)薄膜太阳能电池的各项性能. 计算结果表明:渐变带隙结构电池具有较高的开路电压(Voc)和较好的填充因子(FF),转换效率(Eff)比非渐变带隙电池提高了0.477%. 研究了氢化非晶硅(a-Si:H)、氢化非晶碳化硅(a-SiC:H)和氢化纳米晶硅(nc-Si:H)三种不同材料的窗口层对a-SiGe:H薄膜太阳能电池性能的影响. 结果显示:在以nc-Si:H为窗口层的电池能带中,费米能级EF已经进入价带,使得窗口层电导率及电池开路电压有所提高,又由于ITO 与p-nc-Si:H 的接触势垒较低,使得接触处的电场降低,更有利于载流子的收集. 另一方面,窗口层与a-SiGe:H 薄膜之间存在较大的带隙差,在p/i界面由于能带补偿作用形成了价带势垒(带阶)ΔEv,阻碍了空穴的迁移,因此我们在p/i界面引入缓冲层,使得能带补偿作用得到释放,更有利于空穴的迁移和收集,得到优化后单结渐变带隙a-SiGe:H薄膜结构太阳能电池的转换效率达到了9.104%.
硅片及其太阳电池的光衰规律研究
曾湘安, 艾斌, 邓幼俊, 沈辉
2014, 63 (2): 028803. doi: 10.7498/aps.63.028803
摘要 +
采用氙灯模拟太阳光源,将光强调至1000 W/m2,研究常规太阳能级单晶硅片、多晶硅片和物理提纯硅片的原片、去损减薄片、热氧化钝化片、双面镀氮化硅(SiNx:H)膜钝化片、碘酒钝化片以及太阳电池的光衰规律. 利用WT-2000少子寿命测试仪以及太阳电池I-V特性测试仪分别对硅片的少子寿命和太阳电池的I-V特性参数随光照时间的变化进行了测试. 结果表明:所有硅片以及太阳电池在光照的最初60 min 内衰减很快随后衰减变慢,180 min之后光衰速率变得很小,几乎趋于零.
一种复杂网络路由策略的普适优化算法
李世宝, 娄琳琳, 陈瑞祥, 洪利
2014, 63 (2): 028901. doi: 10.7498/aps.63.028901
摘要 +
现有的复杂网络路由策略很多,改进算法也不断涌现,但是目前还没有一个统一的标准来衡量算法是否达到网络最佳传输效果. 针对这一问题,本文提出一种适用于现有路由策略的普适优化算法. 首先通过理论分析指出制约网络传输能力的关键因素是最大介数中心度,因而“最大介数中心度是否已经最低”成为评判路由策略是否最优的标准. 在此基础上,采用“惩罚选择法”避开网络中介数中心度值比较大的节点,使网络介数中心度值分布更均匀,均衡网络中各个节点的传输负载.仿真结果显示,该优化算法针对现有路由策略均能降低最大介数中心度值,大幅度提高网络的传输能力.
面向级联失效的相依网络鲁棒性研究
陈世明, 邹小群, 吕辉, 徐青刚
2014, 63 (2): 028902. doi: 10.7498/aps.63.028902
摘要 +
针对相依网络耦合强度、子网络边以及耦合边对网络鲁棒性影响的问题,基于三种典型网络模型,建立对称相依网络和不对称相依网络模型. 针对六种不同的相依网络模型,计算其网络临界成本,比较耦合边权值和子网络边权值对相依网络成本的贡献程度,发现耦合边对网络的贡献更大. 采用仿真和理论证明的方法,获得使网络具有最小网络成本时的子网络负载参数α值和耦合强度参数β值,并证明了网络成本变化趋势与该参数对有关. 以网络成本作为鲁棒性测度的变量,通过对六种相依网络模型进行级联失效仿真,给出了网络具有最强鲁棒性时参数对的取值,以及网络鲁棒性与耦合强度之间的关系,发现网络鲁棒性并不是随着耦合强度单调地增加或减少.
地球物理学、天文学和天体物理学
基于Lorenz系统的数值天气转折期预报理论探索
达朝究, 穆帅, 马德山, 于海鹏, 侯威, 龚志强
2014, 63 (2): 029201. doi: 10.7498/aps.63.029201
摘要 +
以Lorenz系统为研究对象,对数值天气转折期预报中的动力学特征进行了理论研究,通过对Lorenz系统平衡点稳定性的讨论,得到了区分准稳定区域和准不稳定区域的分界曲面,由此标定出准稳定区域和准不稳定区域. 在准稳定区域,Lorenz曲线保持相对稳定,能够在该平衡点周围周期运动;在准不稳定区域,Lorenz曲线可能会从这个平衡点周围跃过分界曲面而进入另外一个平衡点周围,即发生突变,这是Lorenz系统的一个重要动力学特征;对数值天气转折期预报与气候突变检测、预测给出一种新理论和新方法.
热带海洋与中低纬大气相互作用的信息传输特征分析
张志森, 封国林, 龚志强, 吴浩
2014, 63 (2): 029202. doi: 10.7498/aps.63.029202
摘要 +
基于传递熵概念和方法定义气象场的信息源特征度、信息汇特征度和信息传输平衡特征度. 使用海表温度和高度场资料计算海气相互作用过程中的信息传递. 侧重分析赤道中东太平洋(20°S-20°N,170°E-100°W)与热带地区、北半球和南半球中高纬度地区大气之间的信息传递,给出信息传递的区域和全球分布特征;并提取海表温度指数和高度场指数分析赤道中东太平洋与大气信息传递特征的季节变化和年代际变化. 研究结果表明,海洋信息源主要分布在热带地区,大气信息汇主要分布在中纬度地区,从热带地区到中纬度地区,海洋对大气的强迫作用在减弱,而大气对海洋的强迫作用在增强;不同区域不同层次的高度场对赤道中东太平洋海表温度有着不同的响应,热带中东太平洋上空高度场最大延迟为4 个月. 欧亚大陆中部上空和北美大陆上空高度场均随时间延迟呈现波动性变化:欧亚大陆中部上空高度场随时间延迟呈现增强的趋势,而北美大陆上空高度场随时间延迟呈现减弱的趋势. 海表温度指数对热带中东太平洋上空850 hPa和欧亚大陆中部上空500 hPa高度场指数的传递熵以2000 s 最弱,而海表温度指数对北美大陆上空700 hPa高度场指数的传递熵以2000 s最强. 表明不同年代际背景下不同区域大气对赤道中东太平洋海表温度异常的响应是不同的. 然而不同季节的响应却十分相似:冬季最强,秋季次之,春季再次,夏季最弱.
基于粒子成像测速技术的雨滴微物理特性研究
刘西川, 高太长, 刘磊, 翟东力
2014, 63 (2): 029203. doi: 10.7498/aps.63.029203
摘要 +
为了获取自然环境条件下的雨滴形状、尺度、速度、取向等微物理特性,基于粒子成像测速的瞬态测量可视化技术,研究基于点扩散函数的图像复原算法和自相关图像的速度提取算法,设计并研制了一种基于面阵电荷耦合元件的自然降水成像测速系统. 通过外场观测试验研究了雨滴的直径、速度、轴比和空间取向及其谱分布等微观物理特性;雨滴的速度随直径的增大呈指数增大,轴比随直径的增大呈线性减小,空间取向易受环境风的影响,倾斜角的平均值在2.1°左右,标准偏差为11.5°;基于实测数据拟合了雨滴速度和轴比随直径的变化关系. 与国外已有模型相比,本文进一步得出了具有本地化特征的雨滴微物理特性. 所得到的结论对于云降水物理学研究、天气雷达地面定标、雨致微波衰减评估等方面的应用具有重要的意义.
基于分形理论的飞机雷击初始附着点的数值模拟
孙柯岩, 赵小莹, 张功磊, 臧洪明
2014, 63 (2): 029204. doi: 10.7498/aps.63.029204
摘要 +
飞机雷击附着点的确定能够为飞机防雷设计提供依据,是飞机雷击区域划分和飞机各部件进行雷电试验鉴定的先决条件. 本文提出了一种基于分形理论的飞机雷击初始附着点数值模拟的新方法. 该方法首先依据标准SAE-ARP5416中有关飞机雷击附着点试验的规定,确定放电间隙、雷电起始坐标、飞机姿态和放电次数等参数,然后根据分形理论,使用电介质击穿模型模拟符合自然界雷电物理机理和几何特征的雷电先导分形发展过程,同时考虑飞机自身触发双向先导的情况,最终得到飞机的雷击附着点分布. 通过本文方法仿真模拟得到飞机F-4雷击附着点的分布概率,并分别与该飞机飞行实验和实验室高压放电实验测试得到的真实雷击附着点的概率分布情况比较,结果基本吻合,验证了该方法的有效性. 研究结果为飞机雷击附着点仿真模拟提供了一个有潜力的方法,可作为飞机防雷设计和今后开展相关研究工作的基础.
紫外表面等离激元在基于氧化锌纳米线的半导体-绝缘介质-金属结构中的输运特性研究
胡梦珠, 周思阳, 韩琴, 孙华, 周丽萍, 曾春梅, 吴兆丰, 吴雪梅
2014, 63 (2): 029501. doi: 10.7498/aps.63.029501
摘要 +
研究了紫外表面等离激元在半导体纳米线-绝缘介质-金属构成的波导结构中的输运问题,借助有限元方法,对这种波导所支持导模的电磁能分布、有效折射率、传播长度和有效模场面积随电磁参数和几何结构参数的依赖关系进行了分析. 计算结果表明:以氧化锌纳米线作为增益介质,绝缘材料选择折射率小的空气,金属选择铝能够实现对输出光场的亚波长约束,有效模场面积达到λ2/100,同时保持低的传输损耗和高场强限制能力;有望用作纳米光源,使得相关的生物探测器件和医疗诊断设备实现更高的灵敏度和更小的体积.
更正