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Vol. 64, No. 10 (2015)

2015年05月20日
总论 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 综述
综述
地球物理学、天文学和天体物理学
总论
混沌干扰中基于同步挤压小波变换的谐波信号提取方法
汪祥莉, 王斌, 王文波, 喻敏, 王震, 常毓禅
2015, 64 (10): 100201. doi: 10.7498/aps.64.100201
摘要 +
针对混沌干扰背景下多个谐波信号的提取问题, 提出了一种基于同步挤压小波变换(SST)的谐波信号抽取方法. 首先利用SST将混沌信号和谐波信号组成的混合信号分解为不同的内蕴模态类函数, 然后利用Hilbert变换对分离出的内蕴模态类函数进行频率识别, 从中分离出各谐波信号. 以Duffing混沌背景为例, 对混沌干扰下多谐波信号的提取进行了实验分析. 实验结果表明: 对于不同频率间隔的多个谐波分量, 本文方法的提取结果都具有较高的精度, 而且所提方法对高斯白噪声的干扰具有较好的鲁棒性, 综合提取效果优于经典的经验模态分解方法.
有限空间中经典场的正则量子化
刘波, 王青, 李永明, 隆正文
2015, 64 (10): 100301. doi: 10.7498/aps.64.100301
摘要 +
从离散的角度研究带边界的1+1维经典标量场和Dirac场的正则量子化问题. 与以往不同的是, 这里将时间和空间两个变量同时进行变步长的离散, 应用变步长离散的变分原理, 得到离散形式的运动方程、边界条件和能量守恒的表达式. 然后, 根据Dirac理论, 将边界条件当作初级约束, 将边界条件和内在约束统一处理. 研究表明, 采用此方法, 不仅在每个离散的时空格点上能够建立起Dirac括号, 从而可以完成该模型的正则量子化;而且, 该方法还保持了离散情况下的能量守恒.
基于照射_反射模型和有界运算的多谱段图像增强
毕国玲, 续志军, 赵建, 孙强
2015, 64 (10): 100701. doi: 10.7498/aps.64.100701
摘要 +
根据多尺度照射_反射模型, 结合广义有界运算模型和引导滤波, 能够有效地解决多谱段降质图像的增强问题. 算法采用自适应的引导滤波核函数作为环绕函数, 估计反映图像整体结构的不同尺度的低频照射分量; 利用有界广义对数比(general log-radio, GLR)模型加法代替Retinex理论中的对数变换运算; 再由GLR模型减法去除照射分量, 将不同尺度的反射分量从原始图像中分割出来; 对不同尺度反射分量的有效信息采用有界GLR模型乘法和加法进行融合, 有效地避免光晕伪影现象及越界现象的发生, 得到多尺度反射分量图像, 即最终的增强图像. 通过对可见光波段的低照度图像和雾霾图像、红外图像、X光医学图像四组多谱段降质图像实验分析, 以对比度和信息熵作为评价指标, 与同类算法进行了图像增强效果的定性和定量对比, 结果表明本文算法增强后的图像纹理和边缘细节更加丰富、对比度更高、视觉效果更佳, 可广泛地应用于多种图像增强领域.
自主协同系统的宏观稳定机理研究
茹常剑, 魏瑞轩, 祁晓明, 车军, 郭庆
2015, 64 (10): 100202. doi: 10.7498/aps.64.100202
摘要 +
为保证自主协同机群的内聚性, 实现多机的有效沟通和协作, 借鉴蜂王信息素机理, 抽象出跟踪型多无人机自主协同系统的宏观运动特征. 通过构造Lyapunov函数, 分析该系统的稳定性, 进而得到系统的稳定性判据. 仿真结果表明: 本文所提的稳定控制机理不仅能够保证自主协同系统的稳定性, 还能够通过调整相关控制参数有效地控制系统规模.
中国西南地区干旱Copula函数模型对样本量的敏感性分析
左冬冬, 侯威, 王文祥
2015, 64 (10): 100203. doi: 10.7498/aps.64.100203
摘要 +
基于中国西南地区(四川省、云南省、贵州省和重庆市) 89个站点1961-2010年的逐月标准化降水指数序列, 利用游程理论和Copula函数建立干旱历时和干旱强度的概率模型, 基于该模型讨论了干旱事件样本量对分布参数、干旱类型的出现概率及联合重现期的影响. 结果表明: 分布参数稳定对样本量的要求较大, 部分区域样本量要求大于50, 并且各参数对样本量的要求不一致, 又以干旱强度分布的参数对样本量的要求最大; 干旱事件样本量为10个左右求得的干旱类型出现概率和联合重现期与样本量为40求得的结果已无明显差异, 以计算结果作为标准可大幅降低统计模型建立对样本量的要求, 进而表明起止时间不一致和具有缺测数据的站点仍可建立干旱历时和干旱强度的分布函数; 气候变暖对模型建立所需的最少样本量影响不大, 样本量波动在± 5之间, 即统计模型具有一定的稳定性, 同时气候态的划分降低了分布检验对样本量的需求, 易于模型的建立.
轴对称构件受力分析的插值粒子法
杜红秀, 魏宏, 秦义校, 李中华, 王同尊
2015, 64 (10): 100204. doi: 10.7498/aps.64.100204
摘要 +
面对土木工程与机械工程中广泛存在的轴对称力学问题, 采用具有离散点插值特性的无网格方法形函数, 结合弹性力学空间轴对称问题的最小势能原理, 建立了轴对称构件力学分析的插值粒子法. 本文无网格法方法构造形函数不依赖网格, 也具有像有限元法一样可直接施加边界条件的优点. 本方法能直接获得全域连续应力场, 避免了有限元法应力后处理二次拟合带来的计算误差. 最后通过实例分析, 验证了所建立的无网格方法的有效性.
大气风场和温度对无线电声波探测系统探测高度影响的数值研究
王盼盼, 周晨, 宋杨, 张援农, 赵正予
2015, 64 (10): 100205. doi: 10.7498/aps.64.100205
摘要 +
从声波扰动介质中的电波波动方程出发, 使用时域有限差分(FDTD)方法, 结合声波传播的FDTD 模型, 构建了描述声波和电波相互作用的数值模型, 并运用该模型分析风场和温度对无线电声波探测系统的探测高度的影响. 数值模拟结果表明: 温度与风场剖面的存在改变声波和电波散射回波的传播轨迹; 温度梯度剖面主要影响声波的传播速度, 风场剖面导致作为电波散射体的声波波阵面的偏移, 降低电波散射回波的强度并改变回波路径, 使得接收数据减少, 限制无线电声波探测系统的探测高度; 在强风背景下, 若降低声波散射体高度, 电波散射回波“聚束点”的偏移会有较大的改善, 但同时意味着探测高度的降低. 为了改善风场背景下无线电声波探测系统的探测高度, 可以使用双基地雷达或者增大接收天线面积等方法来实现.
Duffing系统随机相位抑制混沌与随机共振并存现象的机理研究
李爽, 李倩, 李佼瑞
2015, 64 (10): 100501. doi: 10.7498/aps.64.100501
摘要 +
针对随机相位作用的Duffing混沌系统, 研究了随机相位强度变化时系统混沌动力学的演化行为及伴随的随机共振现象. 结合Lyapunov指数、庞加莱截面、相图、时间历程图、功率谱等工具, 发现当噪声强度增大时, 系统存在从混沌状态转化为有序状态的过程, 即存在噪声抑制混沌的现象, 且在这一过程中, 系统亦存在随机共振现象, 而且随机共振曲线上最优的噪声强度恰为噪声抑制混沌的参数临界点. 通过含随机相位周期力的平均效应分析并结合系统的分岔图, 探讨了噪声对混沌运动演化的作用机理, 解释了在此过程中随机共振的形成机理, 论证了噪声抑制混沌与随机共振的相互关系.
核物理学
新型热中子敏感微通道板探测效率的蒙特-卡罗模拟研究
王胜, 李航, 曹超, 吴洋, 霍合勇, 唐彬
2015, 64 (10): 102801. doi: 10.7498/aps.64.102801
摘要 +
基于microchannel plates (MCP)的中子探测技术近年来发展迅速, 因其具有较高的空间分辨率和中子探测效率以及优异的时间分辨能力, 可用于高分辨率中子照相和能量选择中子成像. 本文利用蒙特-卡罗(MC)程序, 对栅格为15 μm的热中子敏感MCP板进行MC模拟计算, 获得了不同几何结构和材料组成情况下, 掺杂型和镀膜型热中子敏感MCP板的探测效率. 计算结果表明, 增加中子敏感材料的比例可以获得更高的中子阻挡效率, 但同时也加大了次级粒子发射进入MCP板通道的难度, 掺杂型MCP 板的通道直径和镀膜型MCP板的镀膜厚度均存在最优值. MCP板厚度为0.4 mm时, 对10B2O3材料, 掺杂型MCP板的热中子探测效率可以超过40%, 镀膜型MCP板的热中子探测效率可以接近60%.
氘氚聚变中子发生器旋转氚靶传热特性研究
王刚, 于前锋, 王文, 宋钢, 吴宜灿
2015, 64 (10): 102901. doi: 10.7498/aps.64.102901
摘要 +
强流氘氚中子发生器可用于模拟聚变堆中子环境, 对于开展聚变堆包层材料相关实验研究具有重要意义. 本文提出了一种用于1012 n·-1量级氘氚中子发生器HINEG (high intensity neutron generator)的旋转氚靶系统设计方案, 并对其技术难点和强化传热方法进行了介绍. 为考查该氚靶系统的传热特性, 利用Computational Fluid Dynamics方法对冷却水层厚度、冷却水流速和氚靶系统旋转速度对靶面冷却的影响进行了分析, 并对不同热功率密度下靶面的传热过程进行了研究. 结果显示, 大的水层厚度、大的冷却水流速和高的靶系统旋转速度有利于靶面的冷却, 但水层厚度和水流速的变化对靶面传热影响较小. 一定条件下靶面所承受的热功率密度不能超过某个限值.
原子和分子物理学
Mg-CO(X1Σ+)体系的冷碰撞动力学
韩玉龙, 张侃, 凤尔银, 黄武英
2015, 64 (10): 103402. doi: 10.7498/aps.64.103402
摘要 +
应用量子散射动力学方法, 研究了电场条件下Mg-CO体系的冷碰撞动力学性质, 探索了外电场对碰撞体系低场追索态的弹性和非弹性截面的影响, 为碱土金属Mg原子感应冷却CO分子提供理论预测.
α-B晶体的Lennard-Jones对势和对势型多体势构建
于智清, 王逊, 刘艳侠, 王梅, 杨合, 薛向欣
2015, 64 (10): 103401. doi: 10.7498/aps.64.103401
摘要 +
精确原子间相互作用势函数的建立是分子动力学模拟的核心. 针对α-B晶体(R3m群), 分别构建Lennard-Jones (L-J)型对势和对势型多体势, 这两类势函数的构建仅需考虑晶体的原子平均结合能和几何构型参数. 前者取最近邻原子间距的势函数为最小值; 后者采用负指数(L-J型)函数和分段插值多项式形式来分别构造势函数, 在近邻处为势能极小值, 相邻极小值位置的中点引入势垒. 针对完整的α-B 晶体和偏离完整α-B晶体结构, 首先利用第一性原理计算结果来确定势函数的参数, 然后借助分子动力学的能量最小化方法优化结构, 并对这两类势函数以及Tersoff 势函数进行比较. 结果表明: L-J对势和Tersoff势的结果与α-B晶体构型有较大偏离; 而对势型多体势, 无论初始晶体构型完整与否, 其结果与完整α-B晶体构型比较一致.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
不同光照条件下水下成像背景光的建模与研究
赵欣慰, 金韬, 池灏, 曲嵩
2015, 64 (10): 104201. doi: 10.7498/aps.64.104201
摘要 +
由于光在水中传输时的衰减和散射效应, 水下成像系统通常很难达到令人满意的成像效果, 而成像过程中由于光散射产生的背景光则是造成水下图像退化的主要原因. 本文对自然光照和人工光照两种不同光照条件下的水下成像背景光进行了建模和仿真分析. 结果显示: 自然光照下的无穷远处背景光与衰减系数成反比, 与散射系数成正比; 人工光照下的无穷远处背景光则与衰减系数、散射系数和相机-光源距离有关. 两种光照条件下的背景光都可以用无穷远处背景光的指数衰减表达式来表示. 水下图像背景光的强度主要与水体光学参数、相机-景物的距离、相机-光源的距离及相机成像角等因素有关. 本文的研究结论不仅可用于水下成像系统的设计与优化, 也可用来从水下图像背景光中估计水体光学参数、相机-景物距离等图像信息.
气体、等离子体和放电物理
高压氦气平行极板击穿电压实验研究
岳姗, 刘兴男, 时振刚
2015, 64 (10): 105101. doi: 10.7498/aps.64.105101
摘要 +
为获得高温气冷堆核电站电气设备绝缘设计所需基础数据, 本文设计了一套测量高压氦气绝缘性能的装置. 利用该装置进行了15-20 ℃, 0.1-7 MPa氦气, 间距0.25, 0.35, 0.5 mm平行极板击穿实验. 实验表明: 氦气的绝缘性能远低于空气; 气压越高, 氦气的击穿电压越大, 3.0 MPa氦气的击穿电压与常压空气基本一致; 根据低气压实验数据和巴申定律推导的公式, 在高气压下计算值偏大, 且偏差随着气压和间距乘积的增大不断增大; 提出了可计算0.1-7 MPa氦气击穿电压的简易公式, 同时修正了高气压氦气的巴申公式, 并进行了理论分析.
等离子体密度对激光拉曼放大机理的影响
张智猛, 张博, 吴凤娟, 洪伟, 滕建, 贺书凯, 谷渝秋
2015, 64 (10): 105201. doi: 10.7498/aps.64.105201
摘要 +
等离子体中的背向拉曼散射机理可以用来产生超短超强的激光脉冲. 本文采用粒子模拟方法模拟研究了等离子体密度对激光拉曼放大过程的影响. 研究发现, 过低的等离子体密度会导致等离子体波提前波破而降低能量转换效率; 而过高的等离子体密度又会导致其他不稳定性的快速增长, 限制作用距离和输出能量. 因此, 拉曼放大机理的最佳等离子体密度应处于等离子体波破的密度阈值附近, 可以获得最高的能量转换效率和能量输出. 另外, 空间频谱分析显示放大激光的强度饱和主要来自于自相位调制不稳定性的发展. 利用1013 W·cm-2的抽运激光脉冲, 模拟证实拉曼放大机理可有效地将种子激光的强度从1013 W·cm-2 放大到1017 W·cm-2, 脉宽压缩到40 fs, 且能量转换效率达到58%.

编辑推荐

激光驱动的冲击波自生磁场以及外加磁场的冲击波放大研究
何民卿, 董全力, 盛政明, 张杰
2015, 64 (10): 105202. doi: 10.7498/aps.64.105202
摘要 +
冲击波是天体物理观测中常见的现象, 其对粒子的加速被认为是高能宇宙射线的来源. 宇宙中冲击波周围往往存在很强的磁场, 但人们对于此类强磁场的产生放大过程的理解并不充分. 本文利用二维粒子模拟程序研究了激光与磁化或者非磁化等离子体相互作用产生的冲击波现象, 给出了冲击波波前处磁场的产生放大特性. 研究发现, 作用过程中的自生磁场可以储存能量, 从而进一步加速电子; 当存在外加磁场时, 由冲击波加速的电子和离子的能量都比同条件下非磁化等离子体的能量高; 而且外加磁场藉由冲击波放大倍数则与其值有极大关系. 与天文观测中推断的磁场与背景磁场相比放大千倍这一研究结果的比较可以看出, 天体冲击波周围磁场放大主要是由局域内生磁场导致的.
低能质子环束流与等离子体相互作用过程的一维混合模拟研究
金远伟, 王娅冰, 顾斌, 赵蕾, 张效信
2015, 64 (10): 105203. doi: 10.7498/aps.64.105203
摘要 +
运用一维混合模拟方法, 研究了垂直于等离子体磁场入射的低能质子环束流与等离子体的相互作用过程. 结果显示: 由质子环束流激发的等离子体波首先经历指数式快速增长的线性阶段, 随后出现饱和、衰减和相对稳定的非线性阶段. 在线性阶段, 质子束投掷角散射使波模共振作用迅速减弱, 波的增长很快出现饱和. 随后, 持续的投掷角散射, 使入射质子在速度空间从环状分布渐变为均匀分布, 同时初始阶段的右手共振不稳定性逐渐消失, 在最后相对稳定阶段只存在阿尔芬波. 研究发现, 背景等离子体的有效加热始于非线性阶段, 等离子体波的形成有助于将质子束动能转换为背景等离子体的热能.
线-铝箔电极电晕放电激励器的推力理论与实验研究
王维, 杨兰均, 刘帅, 黄易之, 黄东, 吴锴
2015, 64 (10): 105204. doi: 10.7498/aps.64.105204
摘要 +
空气电晕放电离子风激励器无需旋转部件, 仅通过消耗电能就能直接产生驱动力, 它是一种新型的动力技术, 备受国内外航空航天界的广泛关注. 目前对空气电晕放电离子风激励器的推力产生机理虽有各种解释, 但是现有理论均不能统一各种条件下的实验结果, 仍需要开展进一步的分析与研究. 本文以线-铝箔电极电晕放电激励器为研究对象, 通过实验研究发现作用在线电极与铝箔电极上的静电力不对称, 而且改变铝箔电极纵向高度和气压均能影响激励器的推力大小; 通过理论分析, 考虑电晕层与空间电荷的影响, 建立了线-铝箔电极电晕放电激励器的推力计算模型, 其计算值与实测值比较一致. 基于上述实验现象与理论建模分析, 本文认为线-铝箔电极电晕放电激励器的推力主要来源于线电极电晕产生的空间电荷对电极系统产生了不对称静电力作用, 使激励器出现净静电力作用.
雷云电场作用下长地线表面正极性辉光电晕放电的仿真研究
司马文霞, 范硕超, 杨庆, 王琦
2015, 64 (10): 105205. doi: 10.7498/aps.64.105205
摘要 +
在雷云电场的缓慢作用下, 一种无流注的正极性辉光电晕在接地物体表面起始, 向周围空间注入大量正极性空间电荷, 从而改变雷电先导对雷击目的物的选择. 本文对雷云电场作用下起始于长地线表面的正极性辉光电晕放电进行了仿真研究; 考虑了正极性离子与其他离子的附着与碰撞作用, 建立了一种精确的二维正极性辉光电晕模型; 并通过在实验室内开展高压电晕放电试验, 测量了不同背景电场下的电晕电流; 与本文所建模型的仿真结果进行对比, 对模型的正确性进行了验证. 基于上述模型, 对正极性辉光电晕在雷云感应作用下的起始发展过程与电晕特性进行了仿真模拟, 得到了该电晕的电晕电流、正离子密度分布规律以及正离子迁移规律. 发现在雷云电场作用下, 电晕放电产生的正离子在迁移初期于垂直于地线的平面内基本呈圆对称状均匀分布, 但随着离子逐渐远离地线其分布不再均匀, 呈拉长的椭圆形分布, 多数离子最终分布于地线上方区域并逐渐向雷云方向迁移; 由于正离子在地线上方迁移区聚集形成的正空间电荷背景对行进电子束具有衰减和消耗作用, 抑制了电子崩的形成, 并降低了电子崩转化为流注的概率, 阻止了新的电子崩对流注的不断注入, 同时正空间电荷背景使气体的碰撞面增大, 增加了与电子的复合概率, 引起大量电子的消耗, 最终抑制了电子崩的形成与流注的发展, 地线表面的上行先导得到抑制.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
不同晶面银纳米晶高温熔化的各向异性
卢敏, 黄惠莲, 余冬海, 刘维清, 魏望和
2015, 64 (10): 106101. doi: 10.7498/aps.64.106101
摘要 +
采用嵌入原子势, 使用分子动力学方法, 模拟研究了银纳米晶高温弛豫过程中的热稳定性和熔化机制, 并引入均方位移和稳定寿命来分析它的结构和形状的演化过程. 结果表明: 对于沿相互垂直{110}, {211}和{111}面切割形成的近正方体截面纳米晶, 高温弛豫熔化存在明显的各向异性行为; (112) 面热稳定性最低, 最易熔化, 其次是(110) 面, 热稳定性最高的是(111) 面, 最难熔化; 三个不同晶面的最外层和次外层原子的稳定寿命极短, 且三个不同晶面之间相差很小, 没有明显差异; 对于具有相同晶面指数的晶面, 第三层及其以内的稳定寿命较长, 且依次微量增长, 但不同晶面第三层及其以内的寿命相差明显.
喷射成形粉末高温合金FGH4095M的制备及组织特征
王天天, 葛昌纯, 贾崇林, 汪杰, 谷天赋, 吴海新
2015, 64 (10): 106103. doi: 10.7498/aps.64.106103
摘要 +
喷射成形是一种近净成形的在粉末冶金气体雾化制粉技术基础上发展起来的快速凝固技术. 本文采用喷射成形技术制备成分优化后的FGH4095M合金, 研究了喷射成形FGH4095M合金沉积坯的致密度、显微组织特征, 特别是研究了喷射成形高温合金组织中特殊形貌的γ’相. 研究表明, 致密度与沉积坯部位有关, 底部致密度最高, 可达99.63%, 热等静压后的致密度可达100%. 喷射成形合金组织以均匀细小的等轴晶为主, 不存在原始颗粒边界; 一次γ’ 相尺寸约为0.6-0.8 μm, 二次γ’相尺寸约为0.1-0.5 μm, 在二次γ’相的间隙中有少量尺寸约为10-20 nm的三次γ’相. 喷射成形FGH4095M 合金中的二次 γ’相中出现特殊形貌的γ’相, 这是由单个γ’颗粒分裂形成, 与沉积过程的低冷却速度有关. 分裂过程是γ’颗粒总能量降低的过程, γ’颗粒间的弹性交互作用能起到主导作用. 对分裂γ’相的等效直径进行统计, 得到γ’ 相等效直径超过0.40 μm 后, 会出现分裂趋势. 合金具备优异的拉伸性能, 室温塑性得到显著提高, 出现γ’ 相分裂的特殊形貌组织是否对合金性能的提高产生直接影响仍需进行进一步的研究.
低孔隙度疏松锡的高压声速与相变
宋萍, 蔡灵仓, 李欣竹, 陶天炯, 赵信文, 王学军, 方茂林
2015, 64 (10): 106401. doi: 10.7498/aps.64.106401
摘要 +
为研究微孔洞对锡的高压相变的影响, 对含亚微米孔洞的疏松锡(疏松度m=1.01)进行了冲击加载-卸载实验. 利用DPS(Doppler pins system)测得了31.8-66.1 GPa冲击压力下疏松锡/LiF界面粒子的速度剖面, 获得了各压力下的纵波声速与体波声速, 给出了该疏松锡的冲击熔化起始压力约为49.1 GPa, 获得了各压力下的剪切模量与泊松比. 结合密实锡与疏松锡的高压纵波声速、体波声速与剪切模量, 界定密实锡的冲击熔化压力在53.5-62.3 GPa之间, 高于疏松锡的值, 表明微孔洞明显降低了冲击熔化压力. 对密实锡准确的冲击熔化压力值还需要进一步的实验数据. 测试的固态压力范围内的声速数据没有明显奇异点, 表明疏松锡没有类似密实锡的固态bcc 相变发生.

编辑推荐

(n, n)-(2n, 0)碳纳米管异质结的扭转力学特性
韩典荣, 王璐, 罗成林, 朱兴凤, 戴亚飞
2015, 64 (10): 106102. doi: 10.7498/aps.64.106102
摘要 +
相近直径的锯齿型和扶手椅型碳纳米管可以共轴组合形成5-7碳环交替出现的柱形对称异质结. 本文利用分子动力学方法研究了直径相近且等长锯齿型和扶手椅型碳纳米管形成的(n, n)-(2n, 0)结在扭转过程中的扭矩和轴向应力随扭转角度的变化规律以及应力传递过程. 研究发现, (n, n)-(2n, 0)结扭转应变在达弹性限度内不会产生轴向应力, 该效应对基于碳纳米管扭转特性的纳米振荡器件的设计具有重要意义.
剪切应变下刃型位错的滑移机理的晶体相场模拟
高英俊, 全四龙, 邓芊芊, 罗志荣, 黄创高, 林葵
2015, 64 (10): 106104. doi: 10.7498/aps.64.106104
摘要 +
针对刃型位错的滑移运动, 构建包含外力场与晶格原子密度耦合作用的体系自由能密度函数, 建立剪切应变作用体系的晶体相场模型. 模拟了双相双晶体系的位错攀移和滑移运动, 计算了位错滑移的Peierls势垒和滑移速度. 结果表明: 施加较大的剪切应变率作用, 体系能量变化为单调光滑曲线, 位错以恒定速度做连续运动, 具有刚性运动特征; 剪切应变率较小时, 体系能量变化出现周期波动特征, 位错运动是处于低速不连续运动状态, 运动出现周期“颠簸”式滑移运动, 具有黏滞运动特征; 位错启动运动, 存在临界的势垒. 位错启动攀移运动的Peierls势垒要比启动滑移Peierls势垒大几倍. 位错攀移和滑移运动特征与实验结果相符合.
高温应变下的晶界湮没机理的晶体相场法研究
高英俊, 秦河林, 周文权, 邓芊芊, 罗志荣, 黄创高
2015, 64 (10): 106105. doi: 10.7498/aps.64.106105
摘要 +
应用晶体相场方法研究高温应变下的预熔化晶界位错湮没机理. 结果表明, 原预熔化晶界上的位错在应变作用下发生分离运动, 形成新晶界, 即亚晶界. 该过程的实质是生成了亚晶粒; 亚晶界的迁移过程的本质是亚晶粒长大、吞噬旧晶粒的过程; 亚晶界之间的湮没是亚晶粒完全吞噬旧晶粒过程的结束, 体系转变成为单个晶粒结构. 根据原子密度序参数沿x和y方向的投影值随应变量的变化特征, 可以揭示出高温应变作用下, 预熔化亚晶界相遇湮没的本质是两对极性相反的偶极子位错对发生二次湮没, 该湮没的微观过程是通过位错连续二次滑移湮没而实现的, 其湮没的速率较低温时的湮没速率要小许多.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
类特异材料半导体复合结构中的电子Tamm态
武执政, 余坤, 郭志伟, 李云辉, 江海涛
2015, 64 (10): 107302. doi: 10.7498/aps.64.107302
摘要 +
通过选取具有特殊能带结构的半导体材料碲镉汞(Hg1-xCdxTe), 类比电磁体系得到了电子体系中的类单负材料、类双负材料等类特异材料, 然后将其组合成一维复合异质结构. 通过数值计算, 发现复合结构中存在新型电子Tamm态, 包括返向电子Tamm态和含类近零折射率材料复合结构中的电子Tamm态. 这些结果拓展了人们对电子Tamm态的认识.
旋转方形散射体对三角晶格磁振子晶体带结构的优化
胡晓颖, 郭晓霞, 胡文弢, 呼和满都拉, 郑晓霞, 荆丽丽
2015, 64 (10): 107501. doi: 10.7498/aps.64.107501
摘要 +
用改进的平面波展开法数值计算了正方形散射体三角排列的二维磁振子晶体当散射体旋转时的带结构. 结果显示, 同样的填充率下, 旋转正方柱散射体可以在新的频率范围内打开更多的带隙, 或者使低频带隙加宽. 说明旋转散射体可以有效地优化带隙.
基于电子顺磁共振的锶铁氧体磁特性研究
李少波, 殷春浩, 徐振坤, 李佩欣, 吴彩平, 冯铭扬
2015, 64 (10): 107502. doi: 10.7498/aps.64.107502
摘要 +
为了研究配料、温度、氧环境和掺杂等条件对锶铁氧体的磁性能的影响问题, 利用溶胶-凝胶法制备了锶铁氧体粉末, 建立了一种基于电子顺磁共振技术研究锶铁氧体粉末的磁特性的方法. 用电子顺磁共振波谱仪对烧结后的产物进行测试发现: 400 ℃预烧下, 锶铁摩尔比为1:9时, 中间产物顺磁相-Fe2O3含量最多, 高于400 ℃时其含量减少, 亚铁磁相增加, 并确定最佳煅烧温度介于800-900 ℃. 这是由于外磁场和其他磁场综合作用产生亚铁磁相, 进而产生较强的磁矩相互作用所致. 结合工业实际应用, 发现缺氧退火环境下, 顺磁相-Fe2O3含量较大, 不利于亚铁磁相生成; X-射线衍射(XRD)表征结果表明: 除了少量杂相, 其余均为顺磁相和亚铁磁相; 电子顺磁共振谱和XRD 谱检测结果综合表明, 锶铁摩尔比为1:9时, 最终产物的顺磁相含量最少, 亚铁磁相含量最多, 磁性最强; 毫特斯拉计的剩磁检测结果也证实了上述结果. 掺杂实验发现镧离子占锶镧总摩尔数的20% 至30% 时, 能够有效降低顺磁相的产生, 增强最终产物的亚铁磁性.
p型层结构与掺杂对GaInN发光二极管正向电压温度特性的影响
毛清华, 刘军林, 全知觉, 吴小明, 张萌, 江风益
2015, 64 (10): 107801. doi: 10.7498/aps.64.107801
摘要 +
在温度变化时, 如果GaInN发光二极管能够保持相对稳定的工作电压对其实际应用具有重要意义. 本文通过金属有机化学气相沉积生长了一系列包含不同有源区结构、不同p型层结构以及不同掺杂浓度纵向分布的样品, 并对其在不同温度区间内正向电压随温度变化的斜率(dV/dT)进行了研究. 结果表明: 1)有源区中包括插入层设计、量子阱结构以及发光波长等因素的变化对正向电压随温度变化特性影响很小; 2)影响常温区间(300 K± 50 K)正向电压随温度变化斜率的最主要因素为p-AlGaN 电子阻挡层起始生长阶段的掺杂形貌, 具有p-AlGaN陡掺界面的样品电压变化斜率为-1.3 mV·K-1, 与理论极限值 -1.2 mV·K-1十分接近; 3) p-GaN主段层的掺Mg浓度对低温区间(V/dT斜率越大. 以上现象归因于在不同温度区间, p-AlGaN 以及p-GaN 发生Mg受主冻结效应的程度主要取决于各自的掺杂浓度. 因此Mg掺杂浓度纵向分布不同的样品在不同的温度区间具有不同的串联电阻, 最终表现为差异很大的正向电压温度特性.
一维扩展离子Hubbard模型的相图研究
赵红霞, 赵晖, 陈宇光, 鄢永红
2015, 64 (10): 107101. doi: 10.7498/aps.64.107101
摘要 +
应用密度矩阵重整化群方法, 研究了存在交错离子势Δ时一维半满扩展Hubbard模型的相图. 通过计算关联函数、结构因子、位置算符等方法, 描绘了从Mott绝缘体-键有序绝缘体-Band 绝缘体的特性并给出了精确的相边界. 研究发现: 中间的键有序绝缘体相在相图中占据了很小的一部分区域, 当存在离子势Δ的情况下, 这个区域将会有所增大; 而当相互作用足够强时, 这个中间相消失. 给出了离子Hubbard模型(最近邻电子-电子相互作用V=0)的相图.
电子关联效应对平行双量子点系统磁输运性质的影响
吴绍全, 方栋开, 赵国平
2015, 64 (10): 107201. doi: 10.7498/aps.64.107201
摘要 +
从理论上研究了平行双量子点系统中的电子关联效应对该系统磁输运性质的影响. 基于广义主方程方法, 计算了通过此系统的电流、微分电导和隧穿磁阻. 计算结果表明: 电子自旋关联效应可以促发一个很大的隧穿磁阻, 而电子库仑关联效应不仅可以压制电子自旋关联效应, 还可以导致负隧穿磁阻和负微分电导的出现. 对相关的基本物理问题进行了讨论.
单轴压力下Ge2X2Te5(X=Sb, Bi)薄膜拓扑相变的第一性原理研究
张梅, 文黎巍, 丁俊, 张英
2015, 64 (10): 107301. doi: 10.7498/aps.64.107301
摘要 +
随着拓扑绝缘体的发现, 材料拓扑物性的研究成为凝聚态物理研究的热点领域. 本文基于第一性原理计算, 研究了化合物Ge2X2Te5 (X=Sb, Bi) 的块体结构和二维单层和双层薄膜结构的拓扑物性, 以及单双层薄膜在垂直方向单轴压力下的拓扑量子相变. 研究发现, A型原子序列排列的这两种化合物都是拓扑绝缘体, 其单层薄膜都是普通金属, 而双层薄膜都是拓扑金属, 单层和双层薄膜在单轴加压过程中都没有发生拓扑量子相变; 这两种化合物的B型原子序列的晶体是普通绝缘体, 其所对应的薄膜, Ge2Sb2Te5单层是普通金属, 双层薄膜和Ge2Bi2Te5的单层和双层薄膜均为普通绝缘体, 但是在单轴加压过程中B 型原子序列所对应的单层和双层薄膜都转变为拓扑金属.
掺杂GaN/AlN超晶格第一性原理计算研究
饶雪, 王如志, 曹觉先, 严辉
2015, 64 (10): 107303. doi: 10.7498/aps.64.107303
摘要 +
第一性原理计算方法在解释实验现象和预测新材料结构及其性质上有着重要作用. 因此, 通过基于密度泛函理论的第一性原理的方法, 本文系统地研究了Mg和Si掺杂闪锌矿和纤锌矿两种晶体结构的GaN/AlN超晶格体系中的能量稳定性以及电学性质. 结果表明: 在势阱层(GaN 层)中, 掺杂原子在体系中的掺杂形成能不随掺杂位置的变化而发生变化, 在势垒层(AlN层)中也是类似的情况, 这表明对于掺杂原子来说, 替代势垒层(或势阱层)中的任意阳离子都是等同的; 然而, 相比势阱层和势垒层的掺杂形成能却有很大的不同, 并且势阱层的掺杂形成能远低于势垒层的掺杂形成能, 即掺杂元素(MgGa, MgAl, SiGa和SiAl)在势阱区域的形成能更低, 这表明杂质原子更易掺杂于结构的势阱层中. 此外, 闪锌矿更低的形成能表明: 闪锌矿结构的超晶格体系比纤锌矿结构的超晶格体系更易于实现掺杂; 其中, 闪锌矿结构中, 负的形成能表明: 当Mg原子掺入闪锌矿结构的势阱层中会自发引起缺陷. 由此, 制备以闪锌矿结构超晶格体系为基底的p型半导体超晶格比制备n型半导体超晶格需要的能量更低并且更为容易制备. 对于纤锌矿体系来说, 制备p型和n型半导体的难易程度基本相同. 电子态密度对掺杂体系的稳定性和电学性质进一步分析发现, 掺杂均使得体系的带隙减小, 掺杂前后仍然为第一类半导体. 综上所述, 本文内容为当前实验中关于纤锌矿结构难以实现p型掺杂问题提供了一种新的技术思路, 即可通过调控相结构实现其p型掺杂.
热退火对等离子体增强化学气相沉积SiCOH薄膜结构与性能的影响
谭再上, 吴小蒙, 范仲勇, 丁士进
2015, 64 (10): 107701. doi: 10.7498/aps.64.107701
摘要 +
热退火是多孔低介电常数薄膜制备过程中的重要一环, 对薄膜结构及性能具有重要影响. 本文以四乙氧基硅烷和双戊烯为前驱体, 采用等离子体增强化学气相沉积方法制备了SiCOH薄膜, 对其进行了氮气氛围下的热退火处理, 分析了热退火对薄膜结构与性能的影响, 探究了退火过程中薄膜结构变化的可能的反应机理. 傅里叶变换红外光谱和固体核磁共振谱结果表明, 沉积薄膜是一种有机无机杂化薄膜. 退火过程中, 薄膜中的-CH2, -CH3等有机组分被分解除去, 形成了以稳定的Si-O-Si等无机组分为骨架的多孔结构, 并通过氮气吸附/脱附等温线测试得到了验证. 在此期间, 薄膜骨架微结构亦发生一系列调整, C=C, Si-C含量增加, Si、O、C等元素间发生进一步键合. C=C 含量的提高, 使得薄膜的消光系数和漏电流密度增大. 实验证明, 退火后薄膜具有低折射率、低介电常数特性, 是一类具有优异的介电性能和力学性能的材料, 作为芯片后端互连层间介质具有极大的应用潜力.
平面环形谐振腔微光学陀螺结构设计与优化
刘俊, 张天恩, 张伟, 雷龙海, 薛晨阳, 张文栋, 唐军
2015, 64 (10): 107802. doi: 10.7498/aps.64.107802
摘要 +
提出具有高群有效折射率的双环级联作为核心元件的谐振式平面光波导陀螺结构, 基于光学Sagnac原理得到了双微环耦合谐振式光学陀螺理论灵敏度与群有效折射率的一般表达式和双环与单环陀螺系统的灵敏度关系, 并由耦合模理论方法得到了双环系统耦合器的两个透射系数对应的群有效折射率变化情况. 在环腔半径R1=R2=100 μm、环腔传输损耗系数t1=t2=0.95的情况下, 针对环与环之间耦合器和环与波导之间耦合器透射系数对群有效折射率的不同影响, 得到了最大群有效折射率的产生条件. 采用文中参数(R=100 μm, t=0.95)计算的单环谐振式陀螺灵敏度为(104-105)°/h, 而双环级联谐振系统理论灵敏度能够达到10 °/h. 该研究对微环耦合谐振腔在角速度检测上的应用有重要的意义.
Eu3+掺杂CaMoO4微米荧光粉发光性质的研究
赵聪, 孟庆裕, 孙文军
2015, 64 (10): 107803. doi: 10.7498/aps.64.107803
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运用化学沉淀的方法合成了不同Eu3+掺杂浓度CaMoO4微米荧光粉样品, 详细研究了样品的光致发光性质. 研究表明: CaMoO4: Eu可以被蓝光或近紫外光有效激发, 实现高色纯度的红光发射; 样品的黄昆因子数值数量级为10-2, 是一种弱电声耦合材料; 样品中Eu3+的跃迁强度参数(Ω2)随着掺杂浓度的提高而增大, 但量子效率却随着掺杂浓度的提高而减小; 通过对样品发光的浓度猝灭曲线的分析, 确定Eu3+的理想掺杂浓度为25%, 并判断出Eu3+在CaMoO4基质中通过交换相互作用实现能量传递. 沉淀法制备的CaMoO4: Eu微米荧光粉具有发光色纯度好, 制备工艺简单, 耗时较少的优点, 是一种性能优异的红色荧光粉材料.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
晶体生长角和凝固速率对贵金属电子束区域熔炼晶体生长的作用
李双明, 耿振博, 胡锐, 刘毅, 罗锡明
2015, 64 (10): 108101. doi: 10.7498/aps.64.108101
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基于电子束区域熔炼中熔区上力的平衡关系式, 计算获得了基座法、等径区熔法两种工艺下稳定成形熔区高度的表达式, 探讨了试样尺寸、晶体生长角和凝固速率等参数对六种贵金属稳定成形熔区高度的影响. 结果发现, 区熔相同尺寸试样时, 六种贵金属能够稳定成形熔区高度大小依次排序为 Ru> Pd> Ir> Pt> Ag> Au. 同时获得了这六种贵金属的晶体生长角在8.4°-10.7°之间, 而实际的晶体生长角与界面生长机制有关. 在基座法中, 连续生长机制所能支撑的熔区高度最小, 而等径区熔法中连续生长机制支撑的熔区高度大于位错生长机制和小面生长机制. 这三种晶体界面生长机制中连续生长方式对晶体生长角和区熔熔区高度影响较小, 有利于贵金属区熔单晶制备. 另外当凝固速率达到2.4 mm·min-1, 位错和小面生长机制对区熔熔区高度的影响也变得很小, 预测的工艺参数与Ir和Ru单晶区熔实验报道结果基本符合.
液氮冷却条件下激光快速熔凝Ni-28 wt%Sn合金组织演变
曹永青, 林鑫, 汪志太, 王理林, 黄卫东
2015, 64 (10): 108103. doi: 10.7498/aps.64.108103
摘要 +
研究了在液氮冷却条件下激光快速熔凝Ni-28 wt%Sn亚共晶合金的组织演化过程. 结果显示, 熔池从上至下可以分为三个区域: 表层为平行激光扫描方向的α-Ni转向枝晶区; 中部为近乎垂直于熔池底部外延生长的α-Ni柱状晶区; 底部为少量的残留α-Ni初生相和大量的枝晶间(α-Ni+Ni3Sn) 共晶组织. 激光熔凝区组织受原始基材组织的影响很大, 熔池中的α-Ni枝晶生长方向受到了热流方向和枝晶择优取向的双重影响. 与基材中存在的层片状、棒状和少量离异(α-Ni+Ni3Sn)共晶的混合组织相比, 熔池内的共晶组织皆为细小的规则(α-Ni+Ni3Sn)层片状共晶, 皆垂直于熔池底部外延生长, 并且从熔池顶部至底部, 共晶层片间距逐渐增大. 分别应用描述快速枝晶生长的Kurz-Giovanola-Trivedi 模型和描述快速共晶生长的Trivedi-Magnin-Kurz模型对熔池表层凝固界面前沿的过冷度进行估算, 发现熔池表层α-Ni 枝晶和(α-Ni+Ni3Sn)层片共晶的生长过冷度在50.4-112.5 K 之间, 远大于相应深过冷凝固(α-Ni+Ni3Sn) 反常共晶生长的临界过冷度20 K, 这说明文献报道的临界过冷度并不是反常共晶出现的充分条件.
基于单粒子模型与偏微分方程的锂离子电池建模与故障监测
黄亮, 李建远
2015, 64 (10): 108202. doi: 10.7498/aps.64.108202
摘要 +
锂离子电池内部结构是一种复杂的分布参数系统, 如果为了降低计算难度而使用常微分方程描述锂离子电池, 可能会引入系统误差, 降低系统模型的可信度, 需要使用偏微分方程建立分布参数系统的精确模型. 本文提出了一种基于单粒子模型和抛物型偏微分方程的锂离子电池系统建模与故障监测系统设计方法, 当锂离子浓度实测值与理想值的残差大于预设门槛时判定分布参数系统处于故障状态. 通过一个仿真实例进行了锂离子电池系统建模和故障诊断实验, 实验证明基于单粒子模型和偏微分方程的锂离子电池故障监测系统具有更高的精确度和可信度.
标准线性固体材料中球面应力波传播特征研究
卢强, 王占江
2015, 64 (10): 108301. doi: 10.7498/aps.64.108301
摘要 +
基于标准线性固体模型, 结合球面波波动方程, 给出了球面应力波的粒子速度v、粒子位移u、径向应力σr、切向应力σθ、径向应变εr、切向应变εθ、折合速度势、折合位移势在Laplace域的理论解. 采用基于Crump算法的Laplace数值逆变换方法分析了上述物理量的传播特征. Laplace数值反演结果表明, 线黏弹性材料对强间断球面应力波的初始响应为纯弹性响应, 强间断在传播过程中包含了几何衰减和本构黏性衰减, 应力、应变、粒子速度的衰减特性和粒子位移、应力、应变、折合位移势等物理量的稳态值同黏弹性球面波的理论预测一致. 折合速度势和折合位移势的峰值随波传播距离的增加逐渐衰减, 这与理想弹性理论给出的折合速度势和折合位移势不随传播距离变化的结论不同. 折合位移势的稳态值与介质的静态剪切模量成反比, 与稳态空腔压力成正比, 与空腔半径的三次方成正比.
离散移相控制全桥DC-DC变换器的能量迭代建模及多周期态研究
沙金, 许建平, 陈一鸣
2015, 64 (10): 108401. doi: 10.7498/aps.64.108401
摘要 +
针对移相全桥DC-DC变换器, 提出一种离散移相控制方法. 通过建立移相全桥DC-DC变换器输出滤波电容能量模型, 分析了离散移相控制全桥DC-DC变换器的能量迭代过程和控制原理. 通过对离散移相控制全桥DC-DC变换器能量迭代过程的研究, 揭示了其多周期态工作特性. 与传统PWM移相全桥DC-DC变换器的仿真对比分析结果表明, 离散移相控制全桥DC-DC变换器具有控制环路简单可靠、瞬态响应速度快等优点.
Ka波段带状注相对论扩展互作用速调管放大器的分析与设计
刘振帮, 赵欲聪, 黄华, 金晓, 雷禄容
2015, 64 (10): 108404. doi: 10.7498/aps.64.108404
摘要 +
带状注相对论扩展互作用速调管放大器是一种高功率、高频率的微波毫米波放大型器件, 具有广阔的应用前景. 本文分析了扩展互作用结构多间隙谐振腔的渡越时间效应, 推导了2π模场情况下谐振腔的能量交换系数和电子负载电导, 且通过计算表明工作在2π模式三间隙腔的电子负载电导是单间隙腔的9倍左右, 多间隙结构有利于提高器件效率. 利用三维粒子仿真软件, 对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用速调管放大器进行了模拟研究, 采用宽高比为30:1的带状电子束以降低空间电荷效应, 在电子束电压为500 kV, 束流为1 kA, 轴向引导磁感应强度为0.8 T的情况下, 器件输出微波功率为190 MW, 频率为40 GHz, 器件效率为38%, 器件增益为69 dB.
基于垂直晶体管结构的低电压并五苯光电探测器
杨丹, 张丽, 杨盛谊, 邹炳锁
2015, 64 (10): 108503. doi: 10.7498/aps.64.108503
摘要 +
并五苯(Pentacene)具有优良的场效应晶体管特性及在可见光区的高吸收系数, 被广泛应用于光敏(电)晶体管中. 垂直晶体管的沟道长度可做到纳米量级, 能有效提高器件的性能和工作频率, 同时降低能耗. 本文制备了一种基于垂直晶体管结构的低电压并五苯光电探测器ITO(S)/Pentacene/Al(G)/Pentacene/Au(D). 实验发现, 在工作电压低至-3 V时, 并五苯光电探测器ITO/Pentacene (80 nm)/Al(15 nm)/ Pentacene(80 nm)/Au 的阈值电压为-0.9 V, “开/关”电流比为104, 表现出了良好的P型晶体管特性以及低电压调控性能. 在350-750 nm的不同波长单色光照射下, 器件的“明/暗”电流比和响应度随入射波长而变化; 在350 nm单色光照射下, 该光电探测器的“明/暗”电流比的最大值达到308, 其对应的响应度为219 mA·W-1, 大于标准硅基探测器在350 nm 单色光照射下的探测率. 这为制备低电压下工作的高灵敏度全有机光电探测器提供了一种可行的方法.
基于抑制性突触可塑性的反馈神经回路兴奋性与抑制性动态平衡
王美丽, 王俊松
2015, 64 (10): 108701. doi: 10.7498/aps.64.108701
摘要 +
大脑皮层的兴奋性与抑制性平衡是维持正常脑功能的前提, 而其失衡会诱发癫痫、帕金森、抑郁症等多种神经疾病, 因此兴奋性与抑制性平衡的研究是脑科学领域的核心科学问题. 反馈神经回路是脑皮层网络的典型连接模式, 抑制性突触可塑性在兴奋性与抑制性平衡中扮演关键角色. 本文首先构建具有抑制性突触可塑性的反馈神经回路模型; 然后通过计算模拟研究揭示在抑制性突触可塑性的调控下反馈神经回路的兴奋性与抑制性可取得较高程度的动态平衡, 并且二者的平衡对输入扰动具有较强的鲁棒性; 其次给出了基于抑制性突触可塑性的反馈神经回路兴奋性与抑制性平衡机理的解释; 最后发现反馈回路神经元数目有利于提高兴奋性与抑制性平衡的程度, 这在一定程度上解释了为何神经元之间会存在较多的连接. 本文的研究对于理解脑皮层的兴奋性与抑制性动态平衡机理具有重要的参考价值.
Bathocuproine/Ag复合电极对于聚合物光伏器件效率和稳定性的影响
杨冰洋, 何大伟, 王永生
2015, 64 (10): 108801. doi: 10.7498/aps.64.108801
摘要 +
采用Bathocuproine/Ag (BCP/Ag)复合电极代替Ca/Al复合电极, 制备PTB7:PC71BM 作为光敏层的聚合物光伏器件, 并通过改变BCP薄膜厚度来研究BCP/Ag复合电极对于器件光电转换器和稳定性的影响. 研究发现: 在光敏层和金属电极之间插入BCP修饰层后, 器件性能得到了显著的改善, 在BCP厚度为5 nm时, 器件的效率达到了6.82%, 且略高于Ca/Al复合电极的器件效率; 相比于采用Ca/Al复合电极的器件, BCP/Ag复合电极增大了器件的短路电流和外量子效率, 使器件效率得到提高; 同时器件的稳定性得到了显著的改善, BCP/Ag 复合电极器件的衰减速率几乎和未插入BCP的器件衰减速率相同, 相对于Ca/Al复合电极器件大幅提高.
电子辐照下GaAs/Ge太阳电池载流子输运机理研究
齐佳红, 胡建民, 盛延辉, 吴宜勇, 徐建文, 王月媛, 杨晓明, 张子锐, 周扬
2015, 64 (10): 108802. doi: 10.7498/aps.64.108802
摘要 +
通过地面模拟辐照试验获得不同能量电子辐照下GaAs/Ge太阳电池电学参数退化的基本规律, 在此基础上使用PC1 D模拟程序分析太阳电池内部的载流子输运机理, 建立不同能量的电子辐照下GaAs/Ge太阳电池中多数载流子浓度和少数载流子扩散长度随辐照粒子注量变化的基本规律. 研究结果表明: 多数载流子浓度和少数载流子扩散长度均随入射电子注量的增大而减小, 多数载流子去除率和少数载流子扩散长度损伤系数均随电子能量的增高而增大, 多数载流子去除效应和少数载流子扩散长度缩短分别是电池开路电压和短路电流退化的主要原因.
考虑金属蒸汽的钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析
樊丁, 黄自成, 黄健康, 王新鑫, 黄勇
2015, 64 (10): 108102. doi: 10.7498/aps.64.108102
摘要 +
基于局域热平衡状态假设并考虑金属蒸汽的作用, 建立了钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用的三维数学模型. 电弧等离子体的热力学参数和输运系数由温度和金属蒸汽浓度共同决定, 并使用第二黏度近似简化处理金属蒸汽在氩等离子中的输运过程. 在考虑熔池流动时, 主要考虑了浮力、电磁力、表面张力和等离子流拉力的作用. 通过对麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程的耦合求解, 得到了金属蒸汽在电弧中的空间分布、电弧和熔池的温度场、速度场和电流密度分布等重要结果. 通过与未考虑金属蒸汽的结果对比, 研究了熔池上表面产生的金属蒸汽对电弧等离子体行为的影响, 以及电弧等离子对熔池行为的影响. 结果表明, 金属蒸汽主要富集在熔池上表面附近; 金属蒸汽对电弧等离子体有明显的收缩作用, 而对等离子速度和电势影响较小; 金属蒸汽的出现对熔池上表面速度分布和剪切力分布以及熔池形貌并无明显影响. 求解结果与已有的实验结果和计算结果符合良好.
红外无损探测中多宗量多热源反演问题的研究
张立广, 屈惠明
2015, 64 (10): 108104. doi: 10.7498/aps.64.108104
摘要 +
为研究红外无损探测稳态多热源反演逆问题, 建立不同形状的均质与非均质稳态热传导模型, 其中内热源个数、位置、强度、面积均为未知项. 基于数值算法中有限元算法对模型进行离散分析, 化简有限元矩阵方程, 最终转化为对Ax = b高度欠定方程的求解. 首次利用分段多项式谱截断奇异值分解法处理内热源逆问题, 并对算法进行改进, 有效改善了该算法在处理多热源反演时存在的严重的热源叠加效应. 根据反演出的内热源信息, 利用有限元算法计算重构出整个模型内所有节点的温度分布. 运用数值仿真Comsol软件和具体实物实验对算法进行有效性评估, 并验证算法在不同热传导模型中的表现. 结果表明, 算法能够准确反演出多热源各参量信息, 在非均质材料模型中仍能准确地反演出热源项, 并有效重构出模型内温度场. 该算法可应用于材料无损检测及人体红外医学成像等领域.
CdTe量子点与罗丹明B水溶液体系下的双光子激发荧光共振能量转移
李牧野, 李芳, 魏来, 何志聪, 张俊佩, 韩俊波, 陆培祥
2015, 64 (10): 108201. doi: 10.7498/aps.64.108201
摘要 +
采用时间分辨荧光光谱技术研究了在双光子激发下不同尺寸的量子点与罗丹明B 之间的荧光共振能量转移. 研究结果表明, 在800 nm的双光子激发条件下, 体系间能量转移效率随着供体吸收光谱与受体荧光光谱的光谱重叠程度增加而增加; 理论分析表明, 供体和受体间的Förster半径增加是导致其双光子能量转移效率增大的物理原因. 同时, 研究了罗丹明B浓度对荧光共振能量转移效率的影响. 研究结果表明, 量子点的荧光寿命随着罗丹明B浓度的增加而减小; 量子点与罗丹明B之间的荧光共振能量转移效率随着罗丹明B浓度的增加而增加; 当罗丹明B浓度为3.0×10-5 mol·L-1时, 双光子荧光共振能量转移效率为40.1%.
基于石墨烯纳米带的齿形表面等离激元滤波器的研究
盛世威, 李康, 孔繁敏, 岳庆炀, 庄华伟, 赵佳
2015, 64 (10): 108402. doi: 10.7498/aps.64.108402
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提出了一种基于石墨烯纳米带的齿形表面等离激元波导滤波器, 并且用时域有限差分法研究了这种结构. 单个齿形的滤波器可以实现带阻滤波, 其滤波特性可以用基于散射矩阵的解析模型解释. 滤波器的透射谱特性可以通过调节齿的长度、宽度以及石墨烯的化学势来改变. 由于石墨烯的化学势可以用门电路来调节, 这种结构的滤波器可以在器件加工完成后灵活地调节其工作波长. 同时研究了多齿滤波器, 这种结构可以实现宽带滤波, 文中对具有不同齿数、周期的滤波器的透射谱进行了细致的研究. 研究结果对实现基于石墨烯的大规模集成光电子器件提供了重要的理论参考.
认知无线电网络中基于抢占式排队论的频谱切换模型
杨小龙, 谭学治, 关凯
2015, 64 (10): 108403. doi: 10.7498/aps.64.108403
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针对认知无线电网络中认知用户广义传输时间的优化问题, 提出了一种基于抢占式续传优先权M/G/m排队理论的频谱切换模型. 在该排队模型中, 为了最小化认知用户广义传输时间, 采用混合排队-并列式服务的排队方式. 在此基础上, 深入分析多个认知用户、多个授权信道、多次频谱切换条件下认知用户信道使用情况, 从而推导出广义传输时间表达式. 最后探讨了该模型下自适应频谱切换策略. 仿真结果表明, 相比于已有的频谱切换模型, 该模型不仅能够更加完整地描述认知用户频谱切换行为, 而且使得认知用户传输时延更小, 广义传输时间更短. 此外, 认知无线电网络允许的认知用户服务强度增加, 能够容纳的认知用户数量增多. 因此, 该模型提升了认知用户频谱切换的性能, 更好地实现了认知用户与授权用户的频谱共享.
部分耗尽结构绝缘体上硅器件的低频噪声特性
王凯, 刘远, 陈海波, 邓婉玲, 恩云飞, 张平
2015, 64 (10): 108501. doi: 10.7498/aps.64.108501
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针对部分耗尽结构绝缘体上硅(silicon-on-insulator, SOI)器件低频噪声特性展开实验与理论研究. 实验结果表明, 器件低频噪声主要来源于SiO2-Si界面附近缺陷态对载流子的俘获与释放过程; 基于此理论可提取前栅和背栅氧化层界面附近缺陷态密度分别为8×1017 eV-1·cm-3和2.76×1017 eV-1·cm-3. 基于电荷隧穿机理, 在考虑隧穿削弱因子、隧穿距离与时间常数之间关系的基础上, 提取了前、背栅氧化层内缺陷态密度随空间的分布情况. 此外, SOI器件沟道电流归一化噪声功率谱密度随沟道长度的增加而线性减小, 这表明器件低频噪声主要来源于沟道的闪烁噪声. 最后, 基于电荷耦合效应, 分析了背栅电压对前栅阈值电压、沟道电流以及沟道电流噪声功率谱密度的影响.
纳米级尺寸参数对钛氧化物忆阻器的特性影响
郭羽泉, 段书凯, 王丽丹
2015, 64 (10): 108502. doi: 10.7498/aps.64.108502
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随着忆阻器研究的不断深入, 忆阻器的研究已经进入微观阶段, 包括忆阻器内部结构的探究、内部粒子间的运动规律、各参数对忆阻器特性的影响等. 然而, 这些成果中没有关于尺寸参数对忆阻器特性影响的研究, 而尺寸参数是忆阻器成功制备的关键因素之一, 这大大限制了忆阻器的发展和实际应用. 本文从欧姆电阻定律入手, 从理论角度详细分析了尺寸参数对惠普忆阻器以及自旋忆阻器的性能影响. 在此基础上进行了一系列电路仿真实验, 得到不同尺寸参数下忆阻器的相关特性曲线. 文中各选取其中最具代表性的四组实验结果进行展示, 对这些结果进行了详细分析, 得到了惠普忆阻器工作的最佳尺寸范围在8-12 nm之间以及自旋忆阻器工作的最佳尺寸范围在500-600 nm 之间的结论. 实验结果不仅可为实际运用提供有力的支持, 同时也将为进一步研制钛氧化物忆阻器器件和相关理论工作提供重要的实验基础和理论依据.
综述

编辑推荐

石墨烯等离激元的光学性质及其应用前景
杨晓霞, 孔祥天, 戴庆
2015, 64 (10): 106801. doi: 10.7498/aps.64.106801
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石墨烯等离激元由于其独特的电学可调性、本征低衰减以及局域光场高度增强等特性, 引起了广泛的关注并迅速成长为一门新的学科分支--石墨烯表面等离激元光子学. 本文介绍了石墨烯等离激元的一些基本性质, 包括色散关系、局域的等离激元和传导的等离激元以及石墨烯等离激元对其周边介电环境的敏感性等. 在此基础上, 进一步介绍了石墨烯等离激元在太赫兹到中红外频段的应用, 比如有源光调制器的一些功能器件和增强的红外光谱探测等.
地球物理学、天文学和天体物理学
气泡对沉积物声学特性影响研究:以东海沉积物为例
李红星, 陶春辉, 刘富林, 周建平
2015, 64 (10): 109101. doi: 10.7498/aps.64.109101
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气泡对海底沉积物的声学物理特性的影响在海洋学、海洋地质学和海洋地球物理学等领域中都有着重要的研究意义. 利用Micro-CT扫描仪对沉积物样品进行无损检测扫描, 根据沉积物样品中水、气和固体颗粒对X射线吸收率的不同, 提取了沉积物的气体体积(气泡)含量. 利用智能非金属超声检测仪对沉积物样品进行超声无损测定, 得到沉积物声速与衰减. 通过回归分析, 建立了样品采集海域沉积物孔隙填充气体与流体含量与沉积物声学特性之间的相关关系. 结果表明: 含气量的少许增大就会引起声速的急剧降低和声衰减的急剧上升, 但含气量超过10%后, 这种上升和降低的幅度明显减小.