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Vol. 64, No. 7 (2015)

2015年04月05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 专题: 表面低维结构的电子态调控
专题
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
专题: 表面低维结构的电子态调控
氢原子吸附对金表面金属酞菁分子的吸附位置、自旋和手征性的调控
肖文德, 刘立巍, 杨锴, 张礼智, 宋博群, 杜世萱, 高鸿钧
2015, 64 (7): 076802. doi: 10.7498/aps.64.076802
摘要 +
实现单个功能有机分子构型、电子结构和自旋态的可逆调控, 是未来分子电子学和分子自旋电子学应用的关键. 近年来, 我们利用极低温强磁场超高真空扫描隧道显微镜系统, 结合第一性原理计算, 系统研究了氢原子吸附对金表面吸附的金属酞菁分子的自旋、手性和吸附位置的调控. 通过将金表面吸附的酞菁锰分子暴露于氢气或氢原子环境, 使得分子中心的磁性离子吸附单个氢原子, 从而实现了体系近藤效应由开到关的转变. 基于密度泛函理论的第一性原理计算表明, 氢原子吸附使得锰离子3d轨道内的电荷重排导致了分子的自旋由3/2降为1; 同时分子与金基底的间距增大, 使得近藤效应消失. 通过施加局域电压脉冲或者给样品加热, 可以实现单个或所有分子脱氢, 从而恢复体系的自旋态和近藤效应. 氢原子吸附还导致分子的优先吸附位置从金表面的面心立方堆垛区域变成了六角密排堆垛区域. 三个氢原子吸附于同一酞菁锰分子上, 可导致分子对称性的降低及分子镜面对称轴与金基底镜面对称轴的偏离, 从而导致手征性的出现. 这种分子吸附结构的手征性, 导致分子轨道也呈现出手征性. 这项工作为金属酞菁未来在分子电子学、自旋电子学、气体传感器等方面的应用提供了新思路.
Au(111)表面吸附单个八乙基钴卟啉分子的电子态和输运性质调控
李竟成, 赵爱迪, 王兵
2015, 64 (7): 076803. doi: 10.7498/aps.64.076803
摘要 +
通过低温超高真空扫描隧道显微镜及其谱学方法研究并展示了分子配体在调控表面吸附的单个八乙基钴卟啉(CoOEP)分子的电子态和输运性质中的重要作用. 通过单分子剪裁可以脱去该分子外围的甲基, 并在中心钴原子的微分电导谱中观察测到d轨道共振到近藤共振的演变. 实验结果结合第一性原理的理论计算研究表明, 在脱去甲基前后中心钴原子的化学环境和磁矩均未发生显著变化, 这一演变可以通过一个简化模型来阐释并被归结为脱去甲基后分子配体与衬底成键改变了体系隧穿参数所导致. 此外, 实验结果表明CoOEP分子配体的输运性质可受到分子间距离和范德华相互作用的显著调控. 在CoOEP低聚体中位于分子之间的乙基被抬高, 同时在其微分电导谱谱中00.8 V区域内新出现一个强的共振峰. 这一新的共振峰表现出等间距的多峰细节, 其峰间距与卟啉环和乙基之间的CC键伸缩模式能量符合. 这一新共振峰的出现被归结为由于分子局部与衬底耦合减弱形成双结隧穿体系所导致的振子态隧穿峰.
拓扑绝缘体(Bi0.5Sb0.5)2Te3薄膜中的线性磁阻
关童, 滕静, 吴克辉, 李永庆
2015, 64 (7): 077201. doi: 10.7498/aps.64.077201
摘要 +
本文报道了拓扑绝缘体(Bi0.5Sb0.5)2Te3薄膜中线性磁阻问题的系统性研究工作. 此体系中, 线性磁阻在很宽的温度和磁场范围内出现: 磁场高达18 T时磁阻仍没有饱和趋势, 并且当温度不高于50 K时, 线性磁阻的大小对温度的变化不敏感. 栅压调控化学势可明显改变线性磁阻的大小. 当化学势接近狄拉克点时, 线性磁阻最为显著. 这些结果说明电荷分布的不均匀性是引起该材料线性磁阻的根源.
基于含时密度泛函理论的表面等离激元研究进展
张红, 尹海峰, 张开彪, 林家和
2015, 64 (7): 077303. doi: 10.7498/aps.64.077303
摘要 +
纳米粒子的局域表面等离激元(LSP)由于其新颖的光学特性成为目前国内外研究的热点之一. 本文利用含时密度泛函理论(TDDFT)对金属团簇及石墨烯纳米结构中的等离激元激发及调制的物理本质进行了研究. 和宏观大小的材料相比, 由于纳米结构的尺寸和量子受限效应, 纳米结构的等离激元具有一些不同的特征. 在低能共振区, 光谱线发生展宽, 并且发生劈裂. 由于纳米单体间的电磁耦合作用, 使聚合的纳米结构表现出了与单体不同的光学性质. 这些结果为等离激元的调控提供了坚实的理论指导.
F8BT薄膜表面形貌及与Al形成界面的电子结构和反应
潘宵, 鞠焕鑫, 冯雪飞, 范其瑭, 王嘉兴, 杨耀文, 朱俊发
2015, 64 (7): 077304. doi: 10.7498/aps.64.077304
摘要 +
基于共轭聚合物光电器件的性能与聚合物的表面形貌、分子取向、以及与金属电极形成的界面结构密切相关. 本文利用原子力显微镜(AFM)、同步辐射光电子能谱(SRPES)和近边X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)等, 研究了聚(9, 9-二辛基芴并苯噻二唑)(F8BT)薄膜的表面形貌、分子取向及其与Al 电极形成界面过程的结构变化. 结果表明, 在略低于F8BT玻璃转变温度(Tg=130 ℃)条件下对F8BT薄膜进行退火, 可明显增加薄膜的表面粗糙度, 薄膜中F8BT 的分子取向角约为49, 9, 9-二辛基芴单元(F8)与苯噻唑单元(BT)几乎在同一平面. 在Al/F8BT 界面形成过程中, Al与F8BT中的C, N和S均发生不同程度的化学反应, 并导致价带结构和未占据分子轨道(LUMO)态密度的变化. Al对F8BT进行n型掺杂引起F8BT能带弯曲的同时, 未占据能级被部分占据, 更多的电子将被注入到LUMO+1中. 通过考察价带电子结构、芯能级位移及二次截止边的变化, 绘制了清晰的Al/F8BT界面能级图.
石墨烯莫尔超晶格
卢晓波, 张广宇
2015, 64 (7): 077305. doi: 10.7498/aps.64.077305
摘要 +
石墨烯莫尔超晶格来源于六方氮化硼衬底对石墨烯的二维周期势调控. 由于这种外加的周期势对石墨烯能带具有显著的调制作用, 近年来引发了人们广泛的关注. 利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 我们系统研究了基底调制下的莫尔超晶格以及相关的物理特性. 首先, 我们在电子端和空穴端都观测到了超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性. 在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应. 并且, 从朗道扇形图中, 可以清晰的看到磁场下形成的超晶格朗道能级. 此外, 利用红外光谱的方法研究了强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙. 在此基础上, 我们在380 meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 进一步研究表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子-电子相互作用引起的旋量势的重构.
石墨烯-六方氮化硼面内异质结构的扫描隧道显微学研究
刘梦溪, 张艳锋, 刘忠范
2015, 64 (7): 078101. doi: 10.7498/aps.64.078101
摘要 +
石墨烯-六方氮化硼面内异质结构因可调控石墨烯的能带结构而受到广泛关注. 本文介绍了在超高真空体系内, 利用两步生长法在两类对石墨烯分别有强和弱电子掺杂的基底, 即Rh(111)和Ir(111)上制备石墨烯-六方氮化硼单原子层异质结构. 通过扫描隧道显微镜及扫描隧道谱对这两种材料的形貌和电子结构进行研究发现: 石墨烯和六方氮化硼倾向于拼接生长形成单层的异质结构, 而非形成各自分立的畴区; 在拼接边界处, 石墨烯和六方氮化硼原子结构连续无缺陷; 拼接边界多为锯齿形型, 该实验结果与密度泛函理论计算结果相符合; 拼接界面处的石墨烯和六方氮化硼分别具有各自本征的电子结构, 六方氮化硼对石墨烯未产生电子掺杂效应.
LaTiO3(110)薄膜分子束外延生长的精确控制和表面截止层的研究
李文涛, 梁艳, 王炜华, 杨芳, 郭建东
2015, 64 (7): 078103. doi: 10.7498/aps.64.078103
摘要 +
LaTiO3 是一种典型的强关联电子材料, 其(110) 薄膜为通过晶格对称性、应变等的设计调控外延结构的物理性质提供了新的机会. 本文研究了SrTiO3(110) 衬底表面金属La 和Ti 沉积所引起的微观结构变化, 进而利用电子衍射信号对分子束外延薄膜生长表面阳离子浓度的灵敏响应, 发展了原位、实时、精确控制金属蒸发源沉积速率的方法, 实现了高质量LaTiO3(110) 薄膜的生长和对阳离子化学配比的精确控制. 由于LaTiO3中Ti3+ 3d 电子的库仑排斥作用, 氧原子层截止的(110) 表面更容易实现极性补偿, 因此生长得到的薄膜表面暴露出单一类型的氧截止面.
总论
多元混沌时间序列的多核极端学习机建模预测
王新迎, 韩敏
2015, 64 (7): 070504. doi: 10.7498/aps.64.070504
摘要 +
多元混沌时间序列广泛存在于自然、经济、社会、工业等领域. 对多元混沌时间序列进行建模预测有助于人类更好地管理, 控制与决策. 针对多元混沌时间序列的建模预测问题, 本文提出一种基于多核极端学习机的预测方法. 首先对多元混沌时间序列进行相空间重构, 将多元混沌时间序列序列的时间相关性转化为空间相关性. 提出一种结合多核学习算法与核极端学习机模型的多核极端学习机建立相空间中输入输出数据的非线性映射. 多核极端学习机模型结合了多核学习算法的数据融合能力以及核极端学习机的训练简便优势. 基于Lorenz混沌时间序列预测和San Francisco河流月径流量预测的仿真实验表明, 与其他常见混沌时间序列预测方法相比, 本文提出的基于多核极端学习机的多元混沌时间序列预测方法具有更小的预测误差.
基于块稀疏贝叶斯学习的多任务压缩感知重构算法
文方青, 张弓, 贲德
2015, 64 (7): 070201. doi: 10.7498/aps.64.070201
摘要 +
本文提出一种基于块稀疏贝叶斯学习的多任务压缩感知重构算法, 利用块稀疏的单测量矢量模型求解多任务重构问题. 通过对信号统的计特性和稀疏块内的结构特性进行联合数学建模, 将稀疏重构问题转贝叶斯框架下的特征参数的迭代更新问题. 本文算法不需要信号稀疏度和噪声强度的先验信息, 是一种高效的盲重构算法. 仿真实验表明, 本文算法能有效利用信号的统计特性和结构信息, 在重构精度和收敛速率方面能够很好地折衷.
基于扩展型Duffing振子的局部放电信号检测方法研究
曾喆昭, 周勇, 胡凯
2015, 64 (7): 070505. doi: 10.7498/aps.64.070505
摘要 +
目前, 小波阈值去噪法、数字滤波法、傅里叶频域变换法等常用的微弱信号检测方法所能达到的最低检测信噪比为-10 dB, 而双向环形耦合Duffing振子能达到的最低检测信噪比为-20 dB. 但是, 现场检测时常常会出现更低信噪比的放电脉冲信号, 因此现有检测方法就很难满足信号检测的实际需求. 为了有效解决该难题, 研究了一种扩展型Duffing振子的微弱脉冲信号检测的新方法. 该方法的主要思想是使用广义时间尺度变换, 将Duffing振子模型变换为扩展型Duffing振子模型, 有效扩展了微弱信号的频率检测范围. 仿真结果表明, 扩展型Duffing振子不仅具有良好的噪声免疫特性, 而且能有效检测到信噪比低至-40 dB的局部放电微弱脉冲信号, 进一步扩展了现有Duffing振子微弱信号检测方法的检测范围和应用领域.
美式回望期权定价问题的有限体积法
张琪, 张然, 宋海明
2015, 64 (7): 070202. doi: 10.7498/aps.64.070202
摘要 +
随着金融市场的不断发展, 期权作为一种能够规避风险的金融衍生产品越来越引起投资者的青睐, 成交量呈逐年上升的趋势, 期权定价问题已经成为金融数学领域中一个重要的研究课题. 本文主要研究Black-Scholes模型下美式回望期权定价问题的数值解法. 美式回望期权定价问题是一个二维非线性抛物问题, 难以直接应用数值方法进行求解. 通过分析该问题的求解难点, 本文给出解决该困难的有效方法. 首先利用计价单位变换将定价问题转换为一维自由边值问题, 并采用Landau's变换将求解区域规范化; 而后针对问题的非线性特点,利用有限体积法和Newton法交替迭代求解期权价格和最佳实施边界, 并对数值解的非负性进行了分析. 最后, 通过与二叉树方法进行比较, 验证了本文方法的正确性和有效性, 为实际应用提供了理论基础.
具有双重时滞的时变耦合复杂网络的牵制外同步研究
韩敏, 张雅美, 张檬
2015, 64 (7): 070506. doi: 10.7498/aps.64.070506
摘要 +
针对同时具有节点时滞和耦合时滞的时变耦合复杂网络的外同步问题, 提出一种简单有效的自适应牵制控制方法. 首先构建一种贴近实际的驱动-响应复杂网络模型, 在模型中引入双重时滞和时变不对称外部耦合矩阵. 进一步设计易于实现的自适应牵制控制器, 对网络中的一部分关键节点进行控制. 构造适当的Lyapunov泛函, 利用 LaSalle不变集原理和线性矩阵不等式, 给出两个复杂网络实现外同步的充分条件. 最后, 仿真结果表明所提同步方法的有效性, 同时揭示耦合时滞对同步收敛速度的影响.
群速度色散对于纠缠光场二阶关联函数影响的研究
韩笑纯, 黄靖正, 方晨, 曾贵华
2015, 64 (7): 070301. doi: 10.7498/aps.64.070301
摘要 +
HBT干涉是量子测量中的一种重要手段, 其通过计算光场的二阶关联函数而得到测量结果. 在长距离测距中, 光场的二阶关联函数会受到光纤中群速度色散的影响而发生展宽和平移, 从而在一定程度上影响测量精度. 本文主要针对二阶关联函数半高宽受群速度色散的影响, 给出了半高宽与测量距离与群速度色散系数的关系.
具有时滞反馈的非对称双稳系统中的振动共振研究
杨秀妮, 杨云峰
2015, 64 (7): 070507. doi: 10.7498/aps.64.070507
摘要 +
研究了具有时滞反馈的非对称双稳系统中的振动共振现象. 在绝热近似条件下, 应用快慢变量分离法得到系统响应振幅的解析表达式Q, 分析了时滞参数α和不对称参数r对振动共振现象的影响. 结果表明: 在Q-α平台上, α可以诱导响应幅值的极大值以输入高频信号和低频信号的周期出现. 不对称参数并不影响共振发生的位置, 但是能够增强响应幅值. 在Q-B (B为高频信号振幅)平台上, 共振发生的位置BVR随着α呈现两种不同的周期关系, 且周期分别为输入高频信号和低频信号的周期. 在Q-Ω (Ω高频信号频率)平台上, 随着时滞参数的增大, 当B较小时, 在Ω的小值区间内, Q呈现出多重共振现象, 在Ω的大值区间, Q趋于定值.
杨-巴克斯特自旋1/2链模型的量子关联研究
苟立丹, 王晓茜
2015, 64 (7): 070302. doi: 10.7498/aps.64.070302
摘要 +
量子系统各部分间的量子关联可以作为量子信息应用研究的基础资源. 而量子失协是度量量子关联大小的物理量. 由此研究杨-巴克斯特自旋1/2链模型的量子关联情况. 首先利用两个杨-巴克斯特方程的解得到相应的杨-巴克斯特自旋1/2链模型. 然后, 计算分析热平衡时杨-巴克斯特自旋1/2链模型的量子失协、几何量子失协和量子纠缠随着温度和外磁场的变化情况. 结果表明对于杨-巴克斯特自旋1/2链模型, 量子失协和几何量子失协能够比量子纠缠更好地度量量子关联.

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基于指数再生窗Gabor框架的窄脉冲欠Nyquist采样与重构
陈鹏, 孟晨, 孙连峰, 王成, 杨森
2015, 64 (7): 070701. doi: 10.7498/aps.64.070701
摘要 +
基于Gabor框架的窄脉冲信号采样及重构效果已经得到验证, 其解决了有限新息率(finite rate of innovation, FRI)采样方法无法在波形未知的情况下重构出脉冲波形的问题.但是目前的Gabor框架采样系统的窗函数构造复杂且难以物理实现.本文将指数再生窗函数引入Gabor框架, 将窗函数序列调制部分简化为一阶巴特沃斯模拟滤波器, 构造了Gabor系数重构所需要的压缩感知(compressed sensing, CS)测量矩阵.为了使得测量矩阵满足信号精确重构所需的约束等距特性(restricted isometry property, RIP), 根据高阶指数样条函数能量聚集特性, 选择了最优的窗函数支撑宽度, 推导了信号重构所需的约束条件, 还对其鲁棒性进行了分析.本文通过仿真实验对上述分析进行了有效验证, 该系统可应用于测试仪器、状态监测、雷达及通信领域等多种背景下的窄脉冲信号采样与重构.
非对称耦合粒子链在棘齿势中的确定性定向输运
季袁冬, 屠浙, 赖莉, 罗懋康
2015, 64 (7): 070501. doi: 10.7498/aps.64.070501
摘要 +
针对不受外力和噪声驱动的非对称耦合粒子链在棘齿势中的运动, 建立了相应的数学模型, 并对其确定性定向输运现象进行研究. 仿真结果表明: 在粒子间的非对称耦合和具有空间反演非对称的棘齿势的共同作用下, 粒子链能够产生定向输运现象, 并在适当参数条件下还能形成反向定向流; 粒子链平均速度关于耦合系数、势垒高度、弹簧自由长度等系统参数分别都存在广义共振现象, 即存在最佳参数使得定向输运速度达到最大; 在其他参数固定的情况下, 粒子链平均速度关于弹簧自由长度变化的曲线具有近似反对称的特点, 并存在广义多峰共振现象.
0.14 THz双环超材料慢波结构表面波振荡器数值研究
郭伟杰, 陈再高, 蔡利兵, 王光强, 程国新
2015, 64 (7): 070702. doi: 10.7498/aps.64.070702
摘要 +
本文研究了一种太赫兹波段双环超材料慢波结构, 并具有同轴引出结构的相对论过模表面波振荡器. 设计了超材料同轴过模慢波结构; 通过色散特性, 进行了模式选择和过模结构电子束电参数和几何参数的设计; 根据超材料同轴慢波结构的特点, 设计了具有同轴引出结构的末端同轴输出段. 粒子模拟结果表明, 在电子束电压为600 kV和电流为1.0 kA, 引导磁场为2.0 T 时, 同轴超材料慢波结构过模表面波振荡器输出稳定单频的0.141 THz电磁波, 峰值功率为316.8 MW.
基于在线误差修正自适应SVR的非线性不确定分数阶混沌系统滑模控制
薛楷嘉, 王从庆
2015, 64 (7): 070502. doi: 10.7498/aps.64.070502
摘要 +
提出了一种基于在线误差修正自适应SVR的滑模控制方法, 用于解决一类非线性不确定分数阶混沌系统的控制问题. 分别通过对混沌系统非线性函数的离线SVR估计和基于增量学习的状态跟踪误差在线SVR预测, 解决了不确定分数阶混沌系统模型难以预测的问题. 同时根据Lyapunov稳定性理论设计出SVR权值自适应调整律. 本文以分数阶Arneodo 系统为例进行仿真, 仿真结果表明了, 对于带有外界噪声扰动的非线性不确定分数阶混沌系统, 该方法可以在有限时间内将系统稳定至期望状态, 提高对非线性函数的预测精度, 改善控制性能.
欧姆损耗对太赫兹频段同轴表面波振荡器的影响
陈再高, 王建国, 王玥, 张殿辉, 乔海亮
2015, 64 (7): 070703. doi: 10.7498/aps.64.070703
摘要 +
为了研究欧姆损耗对太赫兹波段真空电子器件工作特性的影响, 本文推导了2.5维全电磁粒子模拟软件UNIPIC的表面阻抗边界条件, 并采用软件对不同金属材料慢波结构的同轴结构表面波振荡器进行了数值模拟研究, 分析了不同金属材料慢波结构器件的输出功率与电导率的关系, 模拟结果表明: 金属电导率对器件的输出功率有非常大的影响, 对于0.14 THz 同轴表面波振荡器, 铜材料和不锈钢材料慢波结构器件的输出功率分别下降13.4%和63.9%, 起振时间分别延迟0.4 ns 和15 ns.
带有未知非对称控制增益的不确定分数阶混沌系统自适应模糊同步控制
刘恒, 李生刚, 孙业国, 王宏兴
2015, 64 (7): 070503. doi: 10.7498/aps.64.070503
摘要 +
针对带有非对称控制增益的不确定分数阶混沌系统的同步问题设计了模糊自适应控制器. 模糊逻辑系统用来逼近未知的非线性函数, 非对称的控制增益矩阵被分解为一个未知的正定矩阵、一个对角线上元素为+1或-1的已知对角矩阵和 一个未知的上三角矩阵的乘积. 基于分数阶Lyapunov稳定性理论构造了模糊控制器以及分数阶的参数自适应律, 在保证所有变量有界的情况下实现驱动系统和响应系统的同步. 在分数阶系统稳定性分析中给出了一种平方Lyapunov函数的使用方法, 根据此方法很多针对整数阶系统的控制方法可以推广到分数阶系统中. 最后数值仿真结果验证了所提控制方法的可行性.
地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中的CH4浓度变化
田园, 孙友文, 谢品华, 刘诚, 刘文清, 刘建国, 李昂, 胡仁志, 王薇, 曾议
2015, 64 (7): 070704. doi: 10.7498/aps.64.070704
摘要 +
CH4在大气中的浓度较低(~1.8 ppmv)且混合较为均匀, 不同区域浓度差较小, 其在大气中微量变化的精确观测对反演技术提出了很高要求. 基于高分辨率(0.02 cm-1)傅里叶变换直射太阳光谱, 研究一种高精度、大尺度的CH4浓度反演方法, 高灵敏地观测CH4在大气强背景下的浓度变化. 先利用先验参数实现测量光谱的准确建模, 再采用非线性最小二乘光谱拟合和非线性逐次迭代相结合的方法反演CH4的垂直柱浓度(vertical column density, VCD), 并以7885 cm-1 O2 吸收窗口为参考, 反演CH4的柱平均干空气混合比浓度(column-averaged dry air mixing ratios) XCH4. CH4 VCD和XCH4拟合误差均小于1%, 且绝大多数XCH4反演值均位于Total Carbon Column Observing Network (TCCON)规定的4浓度的日变化规律, CH4 VCD随时间变化而减少, XCH4的日变化量小于0.02 ppmv.
核物理学
钨中氢同位素热脱附实验的速率理论模拟研究
邹达人, 金硕, 许珂, 吕广宏, 赵振华, 程龙, 袁悦
2015, 64 (7): 072801. doi: 10.7498/aps.64.072801
摘要 +
本文采用基于速率理论的模拟方法研究钨材料中氢同位素氘的热脱附谱. 热脱附数据来源于520 K下受等离子体辐照的多晶钨, 入射离子能量为40 eV, 剂量为1× 1026 D/m2. 通过调节速率理论中的俘获能、俘获率等参数, 最终获得与实验相符合的热脱附拟合谱. 拟合结果表明, 钨中俘获的氘存在于三种俘获态, 俘获能分别为1.14 eV, 1.40 eV和1.70 eV, 相应脱附温度峰值为500 K, 600 K和730 K. 这三个俘获能分别应对应于第一原理计算得到的空位俘获第3–5个氢原子的俘获能(含零点振动能修正)、空位俘获第1–2个氢原子的俘获能, 空位团簇对氢原子的俘获能. 模拟结果表明, 在本辐照实验条件下, 钨中空位及空位团簇是氘在钨中的主要俘获态.
原子和分子物理学
外场作用下邻苯二甲酸二丁酯的分子结构和光谱研究
杜建宾, 武德起, 唐延林, 隆正文
2015, 64 (7): 073101. doi: 10.7498/aps.64.073101
摘要 +
邻苯二甲酸二丁酯(dibutyl phthalate, DBP)是增塑剂的主要成分之一.为研究外电场对环境毒物增塑剂类化合物的分子结构和光谱产生的影响, 本文采用密度泛函(density functional theory, DFT) B3LYP方法在6-311++G(d, p)基组水平上优化了不同静电场(0–0.020 a.u.)作用下DBP分子的基态几何结构, 在此基础上利用同样的方法计算了DBP分子的电偶极矩、分子总能量和红外(infrared, IR)光谱, 最后利用含时密度泛函(time-dependent density functional theory, TDDFT)在同一基组下研究了不同外电场对DBP分子紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱产生的影响, 并与实验测得的光谱图进行了比较.结果表明, 在外电场的作用下, 分子结构变化剧烈, 电偶极矩增大, 分子总能量减小, 红外光谱吸收峰出现红移或蓝移, 分子的摩尔吸收系数重新分配, 振动斯塔克效应(vibrational stark effect, VSE)明显; 随着外电场的增强, 分子UV-Vis光谱的吸收峰红移显著, 振子强度剧烈下降.
近三相点氮分子固体的低温红外吸收特性研究
曹山, 刘江平, 黎军, 王凯, 林伟, 雷海乐
2015, 64 (7): 073301. doi: 10.7498/aps.64.073301
摘要 +
利用自主研制的低温液体/固体制备系统制备出了均匀、透光性好的氮分子固体冰层, 测量了其近三相点的红外吸收谱, 在频率2222–2439 cm-1处观察到了一个宽的吸收带, 且最强峰位位于2288 cm-1.基于非谐振子模型计算了氮分子的振动频率, 解释了实验中得到的固体中氮分子的红外吸收带主要由氮分子的基频振动及基频振动与转动耦合引起.
FOX-7转晶行为的太赫兹光谱及理论计算研究
孟增睿, 张伟斌, 杜宇, 尚丽平, 邓琥
2015, 64 (7): 073302. doi: 10.7498/aps.64.073302
摘要 +
1, 1 -二氨基- 2, 2 -二硝基乙烯(FOX-7)是一款新型高能钝感炸药, 为了研究温度变化对其分子结构特性的影响, 利用太赫兹时域光谱技术对持续升温(298K→393 K)过程中FOX-7 在0.2—2.5 THz 频率范围内的吸收光谱进行了在线探测, 结果发现随着样品温度的升高, FOX-7 的吸收谱带发生变化, 于384 K 时出现一个新的吸收特征峰, 且该吸收峰的峰强逐渐升高. 基于密度泛函理论(DFT), 对样品在298 K 和393 K 温度下的晶体结构进行了小于2.5 THz 范围内吸收频谱的模拟计算, 完成了对FOX-7 两种晶型实验吸收特征峰的指认. 分析表明FOX-7 的分子结构会受温度的影响而发生改变, 互为异构晶型的基团表现出的振动模式不同, 温度384 K 时FOX-7 开始发生α→β 晶型转变, 且该晶型转变过程是可逆的, 新出现的1.12 THz 特征峰在393 K 时的振动是由—NO2 和—NH2 的摆动及各自的扭动所致.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于石墨烯的可调谐太赫兹光子晶体结构
邓新华, 袁吉仁, 刘江涛, 王同标
2015, 64 (7): 074101. doi: 10.7498/aps.64.074101
摘要 +
本文将石墨烯引入到常规光子晶体中构建一种新型光子晶体, 首次从理论上严格导出了决定其能带结构的色散关系, 由于色散关系中石墨烯电导率的存在导致了它具有与常规光子晶体有所不同的特殊光学性质, 我们发现, 随着费米能增大, 低频段能带迅速向高频移动, 而高频段能带移动缓慢, 导致了常规光子晶体没有的能带压缩现象的发生, 究其原因在于石墨烯在低频段电导率迅速变化, 而高频段电导率变化缓慢, 导致能带向高频压缩, 使得光波原先允许频率变成禁止传播, 而禁止频率变成允许传播.

编辑推荐

准随机矩形孔阵列透射光栅
刘钰薇, 张文海, 张继成, 范全平, 魏来, 晏卓阳, 赵屹东, 崔明启, 邱荣, 曹磊峰
2015, 64 (7): 074201. doi: 10.7498/aps.64.074201
摘要 +
自支撑透射光栅的周期加强筋结构在降低光栅的通光面积、减少光栅衍射效率的同时, 也影响了光栅原有的衍射模式, 致使其应用更加复杂. 为了应对这一问题, 作者提出了利用在高Z材料薄膜上准随机排布矩形孔实现自支撑透射光栅的技术方法. 理论分析与实验结果表明, 利用新方法制作的透射光栅较好地摆脱了周期性加强筋对透射光栅衍射模式的强加干扰.
一种基于β-warping变换算子的被动声源距离估计方法
戚聿波, 周士弘, 张仁和, 任云
2015, 64 (7): 074301. doi: 10.7498/aps.64.074301
摘要 +
基于浅海简正波水平波数差与波导不变量之间的关系, 本文提出了一种适用于水平不变浅海声波导中接收信号自相关函数的频域卷绕变换算子. 该算子可以将接收信号自相关函数中的简正波互相关成分变换为时域上可分离的脉冲序列, 且脉冲序列的相对延迟时间包含声源距离信息. 利用已知距离的引导声源, 由单水听器记录的脉冲信号即可实现被动声源距离估计. 对仿真和实验获得的脉冲信号数据处理结果验证了该变换算子用于被动声源距离估计的有效性.
气体、等离子体和放电物理
放电参数对同轴枪中等离子体团的分离的影响
张俊龙, 杨亮, 闫慧杰, 滑跃, 任春生
2015, 64 (7): 075201. doi: 10.7498/aps.64.075201
摘要 +
同轴枪中的等离子体团的分离现象主要是由同轴枪内磁场的梯度造成的电流层倾斜而引起的一个增强反馈过程导致的, 这种分离现象越来越成为限制同轴枪有效使用的一个不利因素. 在实验上研究放电参数对等离子体团的分离的影响, 对理论研究和实际应用都具有重要意义. 在实验中发现, 利用光电倍增管可以直接观察到等离子体团的分离程度, 由此可以研究放电参数对等离子体团的分离的影响. 本实验主要研究电容充电电压、电容、放电气压这三个参数对分层现象的影响. 实验发现, 分离程度随着电容以及其充电电压的增大而增强, 随着气压的增大而减弱. 实验结果基于雪犁模型进行分析, 电容以及电容充电电压的增大使放电电流增强使磁场梯度增大而导致电流层的倾斜程度增加, 而使等离子体团的分离程度变严重, 相反, 气压的增加使需要加速更多粒子而导致电流层的倾斜程度减弱, 而使等离子体团分离程度减弱. 分析认为, 通过控制在加速过程中影响电流层倾斜程度的因素可控制共轴枪中等离子体团的分离程度.
脉冲激光辐照液滴锡靶等离子体极紫外辐射的实验研究
陈鸿, 兰慧, 陈子琪, 刘璐宁, 吴涛, 左都罗, 陆培祥, 王新兵
2015, 64 (7): 075202. doi: 10.7498/aps.64.075202
摘要 +
采用波长13.5 nm的极紫外光作为曝光光源的极紫外光刻技术是最有潜力的下一代光刻技术之一, 它是半导体制造实现10 nm及以下节点的关键技术. 获得极紫外辐射的方法中, 激光等离子体光源凭借转换效率高、收集角度大、碎屑产量低等优点而被认为是最有前途的极紫外光源. 本文开展了脉冲TEA-CO2激光和Nd:YAG激光辐照液滴锡靶产生极紫外辐射的实验, 对极紫外辐射的谱线结构以及辐射的时空分布特性进行了研究.实验发现: 与TEA-CO2激光相比, 较高功率密度的Nd:YAG激光激发的极紫外辐射谱存在明显的蓝移; 并且激光等离子体光源可以认为是点状光源, 其极紫外辐射强度随空间角度变化近似满足Lambertian分布.
介质环境对铜丝电爆炸制备纳米粉体的影响
彭楚才, 王金相, 刘林林
2015, 64 (7): 075203. doi: 10.7498/aps.64.075203
摘要 +
为了探究介质环境对电爆炸制备纳米粉体的影响, 搭建了相应的电爆炸实验平台, 以铜丝为例分别在水和不同空气压力下开展了电爆炸制备纳米粉体实验.通过Rogoswki线圈和高压探头分别测试了电爆炸过程中的电流和电压波形图.通过电压、电流及能量沉积特征分析了电爆炸的基本过程以及介质环境在电爆炸过程中的作用.运用透射电子显微镜对爆炸产物进行了粒度分析.研究发现, 介质环境对于电爆炸过程的影响主要表现在汽化化阶段以后, 包括介质对蒸汽膨胀的抑制作用, 介质的电离对于铜丝表面击穿的影响以及其对高温金属蒸汽及等离子体的冷却作用.水中铜丝电爆炸能够制备局部均匀的小尺寸纳米粉体, 粒度多数集中在10–20 nm之间, 但粉体易积聚, 且整体粒度跨越较大.空气中制备的粉体分散良好, 符合对数正态分布, 基本上分布于20–100 nm之间, 平均粒度约为40 nm.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
颗粒介质的结构及热力学
孙其诚
2015, 64 (7): 076101. doi: 10.7498/aps.64.076101
摘要 +
颗粒介质具有远程无序和近程有序的结构, 是产生动力学不均匀性(dynamical heterogeneity) 和复杂不可逆过程的根源. 本文分析了颗粒介质的结构特征、变形和能量耗散之间的内在关联, 讨论了颗粒介质的弹性, 提出了流变应变增量、耦合应变增量和弹性应变增量的应变增量分解方式. 沿用非平衡热力学框架, 引入表征运动无序的动理学颗粒温度Tk和表征弹性应力涨落的构型温度Tc, 作为非平衡态变量, 建立了双颗粒温度热力学(two-granular-temperature thermodynamics, TGT理论), 注重分析了不可逆过程中的热力学力和流, 并与著名的砂土内变量热力学进行了对比.
虹彩环形结构色氧化铝薄膜的制备与研究
杨淑敏, 韩伟, 顾建军, 李海涛, 岂云开
2015, 64 (7): 076102. doi: 10.7498/aps.64.076102
摘要 +
在草酸电解液中, 利用一次电化学氧化法成功的制备了孔洞深度和孔径由薄膜中心向外呈对称性递减的新型氧化铝薄膜, 且氧化铝薄膜呈现出虹彩环形结构色. 通过控制氧化电压和氧化时间可以调控虹彩环的疏密程度. 对草酸电解液中具有虹彩环形结构色氧化铝薄膜形成机理的理论分析表明, 在阳极电化学反应过程中, 阴极碳棒的作用效果类似点电极, 理论分析的结果与本文的实验现象相符合.
初始压入位置对Ni基单晶合金纳米压痕影响研究
胡兴健, 郑百林, 杨彪, 余金桂, 贺鹏飞, 岳珠峰
2015, 64 (7): 076201. doi: 10.7498/aps.64.076201
摘要 +
针对Ni基单晶合金建立初始压入γ 相的γ /γ' 模型和初始压入γ'相的γ'/γ 模型, 采用分子动力学方法模拟金刚石压头压入两种模型的纳米压痕过程, 计算两种模型[001]晶向硬度. 采用中心对称参数分析两种模型(001)相界面错配位错对纳米压痕过程的影响. 结果显示: 弛豫后, 两种模型(001)相界面错配位错形式不同, 其中γ'/γ 模型(001)相界面错配位错以面角位错形式存在; 压入深度在0.930 nm 之前, 两种模型(001)相界面错配位错变化不大, 压入载荷-压入深度及硬度-压入深度曲线较符合; 压入深度在0.930 nm之后, γ'/γ 模型(001)相界面错配位错长大很多, 导致相同压入深度时γ'/γ 模型比γ /γ'模型压入载荷和硬度计算结果小; 压入深度在2.055 nm之后, γ /γ'模型(001)相界面错配位错对γ 相中位错进入γ'相有阻碍作用, 但仍有部分位错越过(001) 相界面进入γ' 相中, γ'/γ 模型(001)相界面处面角位错对γ' 相中位错进入γ 相有更明显的阻碍作用, 几乎无位错越过(001) 相界面进入γ 相中, 面角位错的强化作用更明显, 所以γ'/γ 模型比γ /γ'模型压入载荷上升速度快.
表面氢化双层硅烯的结构和电子性质
高潭华
2015, 64 (7): 076801. doi: 10.7498/aps.64.076801
摘要 +
采用密度泛函理论(DFT)广义梯度近似GGA和HSB06方法研究了氢化双层硅烯(silicene)的结构和电子性质, 结果表明: 氢化后的双层硅烯可能存在三种稳定的构型, AA椅型、AB椅型和AA船型, 其中AA椅型和AB椅型结构最为稳定, 氢化后这三种稳定构型材料的性质由零带隙的半金属(semimetal)转变为禁带宽度分别为1.208, 1.437和1.111 eV 的间接带隙的半导体, 采用混合泛函HSB06计算修正得到的带隙分别为1.595, 1.785 和1.592 eV. 进一步分析了在双轴应变下氢化双层硅烯的带隙随应变的关系, 得到应变可以连续的调节材料的带隙宽度, 这些性质有可能应用于未来的纳米电子器件.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
新型鸟嘌呤类似物y-鸟嘌呤及其异构体电子光谱性质的理论研究
张来斌, 任廷琦
2015, 64 (7): 077101. doi: 10.7498/aps.64.077101
摘要 +
荧光核酸碱基类似物的设计合成是众多研究领域的热点课题. 本文利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)考察了新型鸟嘌呤类似物y-鸟嘌呤(yG-t1) 及其五个异构体(yG-t2到yG-t6)的结构性质、电子性质和光谱性质, 同时考察了甲醇溶剂和碱基配对对其光谱性质的影响. 研究表明, 气相中y-鸟嘌呤的标准结构并不是最稳定的结构, 其具有三个能量相近的异构体, y-鸟嘌呤最有可能以这三种形式存在. 光谱性质研究表明y-鸟嘌呤的最大吸收波长比天然鸟嘌呤大得多, 人们可以对其进行选择性激发. y- 鸟嘌呤的标准结构与其异构体显示出不同的光谱特性, 因此可以利用其电子光谱指纹对它们进行区分. 研究发现甲醇溶剂将使y-鸟嘌呤标准结构的最大吸收波长和荧光发生蓝移, 而使其他异构体相应值发生红移; 与胞嘧啶配对将使yG-t1, yG-t2, yG-t5 和yG-t6的最大吸收波长和荧光波长发生蓝移, 表明y-鸟嘌呤的电子光谱性质受环境影响较大.
(TiO2)12量子环及过渡金属化合物掺杂对其电子性质影响的密度泛函理论研究
杨振清, 白晓慧, 邵长金
2015, 64 (7): 077102. doi: 10.7498/aps.64.077102
摘要 +
本文采用第一性原理中基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)方法, 设计了一种新的(TiO2)12 量子环结构, 研究了它的几何结构、平均结合能及电子云分布等属性. 在此新型结构的基础上, 分别采用过渡金属化合物MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2和WTe2进行掺杂, 并分析了掺杂后体系的几何结构及电子属性(如平均结合能、能级结构、HOMO-LUMO轨道电子云密度分布和电子态密度等). 计算结果表明: (TiO2)12量子环直径为1.059 nm, 呈中心对称分布, 且所有原子组成一个二维平面结构, 使其几何结构比较稳定, 另外该量子环HOMO-LUMO轨道电子云分布均匀, 且能隙为3.17 eV, 与半导体材料TiO2晶体的能隙的实验值(3.2 eV)非常接近. 掺杂后量子环的能隙均大幅减小, 其中WTe2的掺杂结果能隙最小, 仅为0.61 eV, MoTe2的掺杂结果能隙最大, 为1.16 eV, 也比掺杂前减小约2.0 eV. 其他掺杂结果的能隙都在1 eV左右, 变化不大. 这个能隙的TiO2可以利用大部分的太阳光能, 使TiO2具有更为广泛的应用.
Mg2Si化合物在静水压下的电子输运性能研究
朱岩, 张新宇, 张素红, 马明臻, 刘日平, 田宏燕
2015, 64 (7): 077103. doi: 10.7498/aps.64.077103
摘要 +
本文基于第一性原理采用全电势线性缀加平面波方法和波尔兹曼理论运算了在静水压下Mg2Si的电子和热电性能. 研究发现, 对于n型载流子控制Mg2Si输运性质, 应变达到0.02时, 室温情况下, 热电性能参数得到了明显提高, 其塞贝克系数增幅为26%, 功率因数增幅47%; 高温时, 功率因数增幅45%. 而对于主要载流子为空穴时, 其热电系数最值出现在应变为0.01时. 但其数值与未施加静水压的结构相比提高不多, 表明对于p型Mg2Si半导体应变对其输运性能的影响不大. 并且结合电子能带结构图解释这些现象.
Ga2基Heusler合金Ga2XCr(X = Mn, Fe, Co, Ni, Cu)的四方畸变、电子结构、磁性及声子谱的第一性原理计算
陈家华, 刘恩克, 李勇, 祁欣, 刘国栋, 罗鸿志, 王文洪, 吴光恒
2015, 64 (7): 077104. doi: 10.7498/aps.64.077104
摘要 +
运用基于密度泛函理论的第一性原理的方法, 对Ga2基Heusler合金Ga2XCr (X = Mn, Fe, Co, Ni, Cu)的四方畸变、电子结构、磁性及声子谱特性进行了系统的研究. 结果表明, 在保持体积不变的四方畸变中, 五种合金的磁矩主要由Cr元素提供; Ga2FeCr, Ga2CoCr和Ga2CuCr保持稳定的立方相, 而在Ga2MnCr和Ga2NiCr 中观察到能量更低的四方相, 且其能量最低点对应的c/a分别位于1.28和1.11处, 而对应的能量差ΔE 分别为-8.26 meV和-6.14 meV. 电子结构显示, Ga2MnCr和Ga2 NiCr的费米能级附近存在尖锐的电子态密度峰, 导致3d电子能级杂化向宽能量范围扩展, 以消除体系的高能量不稳态, 这个过程导致结构转变的发生. 基于适度的畸变度和能量差, 本文认为Ga2MnCr有存在铁磁马氏体相变的可能, 其声学支虚频的出现, 也进一步表明体系有声子模软化的行为.
电子-声子相互作用对平行双量子点体系热电效应的影响
吴海娜, 孙雪, 公卫江, 易光宇
2015, 64 (7): 077301. doi: 10.7498/aps.64.077301
摘要 +
量子点体系是一种典型的低维体系, 该体系的独特物理特性有利于提高热电转换效率. 本文采用非平衡态格林函数方法, 选择平行双量子点结构, 详细讨论了电子-声子相互作用对该体系的电导、热电功率、热电优值以及热导等热电效应相关参数的影响, 全面描述了电子-声子相互作用对该结构中热电效应的影响. 理论计算结果表明, 在低温情况下, 该体系中的法诺干涉能够有效增强热电效应, 而电子-声子相互作用通过破坏法诺干涉而在一定程度上抑制电导以及热导过程. 然而, 电子-声子相互作用不会显著地影响热电功率的幅值, 并且热电优值的极值几乎不会改变, 因此在低温条件下电子-声子相互作用并不是破坏量子点体系热电效应的必要条件. 本文的结果将有利于澄清电子-声子相互作用对量子点体系热电效应的影响.
SiO2固态电解质中的质子特性对氧化物双电层薄膜晶体管性能的影响
郭文昊, 肖惠, 门传玲
2015, 64 (7): 077302. doi: 10.7498/aps.64.077302
摘要 +
本文采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)在室温条件下制备了具有双电层效应的二氧化硅(SiO2) 固体电解质薄膜, 并以此SiO2薄膜作为栅介质制备了氧化铟锌(IZO)双电层薄膜晶体管. 本文系统地研究了SiO2固体电解质中的质子特性对双电层薄膜晶体管性能的影响, 研究结果表明, 经过纯水浸泡的SiO2固体电解质薄膜可以诱导出较多的可迁移质子, 因此表现出较大的双电层电容. 由于SiO2固体电解质薄膜具有质子迁移特性, 晶体管的转移特性曲线呈现出逆时针方向的洄滞现象, 并且这一洄滞效应随着栅极电压扫描速率的增加而增大. 进一步对薄膜晶体管的偏压稳定性进行测试, 发现晶体管的阈值电压的变化遵循了拉升指数函数(stretched exponential function)关系.
Ni2O3掺杂对新固相源顶部籽晶熔渗生长法制备单畴GdBCO超导块材超导性能的影响
郭莉萍, 杨万民, 郭玉霞, 陈丽平, 李强
2015, 64 (7): 077401. doi: 10.7498/aps.64.077401
摘要 +
本文通过在新固相源中添加Ni2O3的方法, 采用顶部籽晶熔渗生长工艺(TSIG)制备出组分为(1-x) (Gd2O3+1.2BaCuO2)+x Ni2O3、直径为20 mm的单畴GdBCO 超导块材(其中x = 0, 0.02, 0.06, 0.10, 0.14, 0.18, 0.30, 0.50 wt%), 并研究了Ni2O3的掺杂量x对样品的表面生长形貌、微观结构、临界温度Tc、磁悬浮力以及俘获磁通密度的影响. 研究结果表明, 当Ni2O3的掺杂量x在0–0.50 wt%的范围内时, 均可制备出单畴性良好的样品, 且Ni2O3的掺杂对样品中Gd211粒子的分布和粒径没有明显的影响. 在Ni2O3的掺杂量x从0增加到0.50 wt%的过程中, 样品的临界温度Tc呈现下降的趋势, 从x=0时的92.5 K下降到x=0.50 wt%时的86.5 K, 这是由于Ni3 +替代GdBCO晶体中Cu2 +所致; 样品磁悬浮力和俘获磁通密度均呈现先增大后减小的变化规律, x=0.14 wt%时, 磁悬浮力达到最大值34.2 N, x=0.10 wt%时, 俘获磁通密度达到最大值0.354 T. 样品磁悬浮力和俘获磁通密度的变化规律与Ni2O3的掺杂量x有密切关系, 只有当掺杂量x合适时, Ni3+对Cu2 +的替代既不会造成Tc的明显下降, 但又能产生适量的Ni3 +/Cu2+ 晶格畸变, 从而达到提高样品磁通钉扎能力和超导性能的效果.

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高质量稀磁半导体(Ga, Mn)Sb单晶薄膜分子束外延生长
祝梦遥, 鲁军, 马佳淋, 李利霞, 王海龙, 潘东, 赵建华
2015, 64 (7): 077501. doi: 10.7498/aps.64.077501
摘要 +
理论预言窄禁带稀磁半导体(Ga,Mn)Sb及其异质结构可能存在量子反常霍尔效应等新奇特性, 近年来受到了特别关注. 但是, 由于(Ga,Mn)Sb薄膜生长窗口窄, 纯相(Ga,Mn)Sb薄膜制备比较困难, 迄今关于这类材料的研究报道为数不多. 本文采用低温分子束外延的方法, 通过优化生长条件, 成功制备出厚度为10 nm, Mn含量在0.016至0.039之间的多组(Ga,Mn)Sb薄膜样品. 生长过程中反射式高能电子衍射原位监测和磁性测量都表明没有MnSb等杂相的偏析, 同时原子力显微镜图像表明其表面形貌平滑, 粗糙度小. 通过生长后退火处理, (Ga,Mn)Sb薄膜的最高居里温度达到30 K. 此外, 本文研究了霍尔电阻和薄膜电阻随磁场的变化关系, 在低温下观测到明显的反常霍尔效应.
基于磁/电介质混合型基体的宽带超材料吸波体的设计与制备
郭飞, 杜红亮, 屈绍波, 夏颂, 徐卓, 赵建峰, 张红梅
2015, 64 (7): 077801. doi: 10.7498/aps.64.077801
摘要 +
本文设计了一种基于磁/电介质混合型基体的宽带超材料吸波体, 吸波体基本单元由电阻膜、磁/电介质混合型基体以及金属背板组成. 采用时域有限差分法对超材料吸波体吸波性能进行了仿真, 使用遗传算法优化了反射率小于-10 dB的带宽. 仿真结果表明, 当超材料吸波体厚度为2.5 mm时, 在7.8–18 GHz频率范围内的反射率小于-10 dB, 具有厚度薄、宽带、极化不敏感等优点. 通过等效电路模型对其工作机理进行了分析与讨论. 最后制备样品进行测试, 测试结果与仿真结果一致.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
SnO2量子点/石墨烯复合结构的合成及其光催化性能研究
叶鹏飞, 陈海涛, 卜良民, 张堃, 韩玖荣
2015, 64 (7): 078102. doi: 10.7498/aps.64.078102
摘要 +
本文以SnCl4·5H2O和氧化石墨烯为先驱物, 乙醇水溶液为溶剂, 采用一种简单的水热法一步合成了具有可见光催化活性的SnO2量子点(约3–5 nm)与石墨烯复合结构, 利用透射电子显微镜(TEM), 高分辨透射电子显微镜(HRTEM), X射线衍射仪(XRD), 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术对其结构进行了表征, 利用紫外可见吸收光谱(UV-vis)分析了其光学性能, 罗丹明-B染料为目标降解物研究了SnO2量子点/石墨烯复合结构可见光催化性能. 结果表明: 与纯SnO2、纯石墨烯相比, 复合结构显示出了很高的可见光催化活性. 通过对其结构进行分析, 我们提出了SnO2量子点/石墨烯复合结构的形成机制及其可见光催化活性机理.
基于蒙特卡洛方法的钛氧化物忆阻器辐射损伤研究
刘海军, 田晓波, 李清江, 孙兆林, 刁节涛
2015, 64 (7): 078401. doi: 10.7498/aps.64.078401
摘要 +
纳米钛氧化物忆阻器有望成为新一代阻性存储器基本单元并应用于辐射环境中的航天器控制及数据存储系统. 辐射能量, 强度, 方向, 持续时间等要素发生改变均可能对钛氧化物忆阻器受到的辐射损伤构成影响, 然而, 目前尚无相关具体研究. 基于以蒙特卡洛方法为核心的SRIM仿真, 本文针对宇宙射线主体组成部分——质子及 α射线定量研究了各个辐射要素与钛氧化物忆阻器辐射损伤的关联, 依据器件实测数据研究了辐射要素与导通阻抗, 截止阻抗及氧空缺迁移率等忆阻器主要参数的关系, 进一步利用SPICE仿真讨论了辐射对杂质漂移与隧道势垒共存特性的影响, 从而为评估及降低钛氧化物忆阻器辐射损伤, 提高器件应用于辐射环境的可靠性提供依据.
等离子体辅助平板波导的传输特性及应用研究
孙杰, 杨剑锋, 闫肃, 杨晶晶, 黄铭
2015, 64 (7): 078402. doi: 10.7498/aps.64.078402
摘要 +
如何灵活地控制和操纵太赫波是目前研究的热点. 根据电磁波传输理论, 导出了等离子体辅助平板波导的场分布和色散关系表达式, 计算了其传输特性, 并通过全波仿真进行了证实. 结果表明, 等离子体辅助平板波导具有带阻特性, 上边带截止频率等于等离子体频率, 等离子体层越薄, 下边带截止频率越高, 带宽越窄; 阻带内存在两种不同的物理机理, 一种与等离子体和中间媒质的谐振耦合有关, 另一种与表面波的形成有关. 此外, 本文还研究了等离子体频率及碰撞频率对传输特性的影响, 提出了通过改变等离子体频率调谐平板波导滤波器特性的方法. 同时, 采用褶皱金属结构实现了等离子体层, 设计了平板波导传感模型, 通过改变凹槽内的材料的介电常数仿真了其传感特性, 结果表明当材料的介电常数变化0.1%时, 平均截止频率变化1.8 GHz; 通过检测截止频率的变化, 传感器能明显分辨氮、汽油、液态石蜡、甘油和水, 证实了其优良的太赫传感特性. 这项工作对研究太赫波的传输及太赫器件的设计和制备具有指导意义.
基于哈达玛积扩展子空间的到达时间和波达方向联合估计
巴斌, 刘国春, 李韬, 林禹丞, 王瑜
2015, 64 (7): 078403. doi: 10.7498/aps.64.078403
摘要 +
在窄带阵列天线正交频分复用系统的到达时间和波达方向联合估计中, 针对阵元数目较少时波达方向估计精度不高, 特别是多径数目大于阵元数目导致的波达方向无法估计问题, 提出一种基于哈达玛积扩展子空间的到达时间和波达方向联合估计算法. 该算法首先利用各阵元上的频域信道估计构成扩展信道频域响应矢量, 然后计算扩展信道频域响应矢量自相关矩阵, 并进行特征值分解得到哈达玛积扩展噪声子空间, 最后构造伪谱函数并进行二维谱峰搜索, 从而实现到达时间和波达方向的联合估计. 仿真结果表明, 与现有算法相比, 在复杂度没有大幅提高的前提下, 该算法的估计结果均方根误差更加接近克拉美罗界, 且到达时间和波达方向估计能够自动配对, 在多径数目大于阵元数目时依然适用.
电离辐射对部分耗尽绝缘体上硅器件低频噪声特性的影响
刘远, 陈海波, 何玉娟, 王信, 岳龙, 恩云飞, 刘默寒
2015, 64 (7): 078501. doi: 10.7498/aps.64.078501
摘要 +
本文针对辐射前后部分耗尽结构绝缘体上硅(SOI)器件的电学特性与低频噪声特性开展试验研究. 受辐射诱生埋氧化层固定电荷与界面态的影响, 当辐射总剂量达到1 M rad(Si) (1 rad = 10-2 Gy)条件下, SOI器件背栅阈值电压从44.72 V 减小至12.88 V、表面电子有效迁移率从473.7 cm2/V·s降低至419.8 cm2/V· s、亚阈斜率从2.47 V/dec增加至3.93 V/dec; 基于辐射前后亚阈斜率及阈值电压的变化, 可提取得到辐射诱生界面态与氧化层固定电荷密度分别为5.33×1011 cm- 2与2.36×1012 cm-2. 受辐射在埋氧化层-硅界面处诱生边界陷阱、氧化层固定电荷与界面态的影响, 辐射后埋氧化层-硅界面处电子被陷阱俘获/释放的行为加剧, 造成SOI 器件背栅平带电压噪声功率谱密度由7×10- 10 V2·Hz-1增加至1.8×10-9 V2 ·Hz-1; 基于载流子数随机涨落模型可提取得到辐射前后SOI器件埋氧化层界面附近缺陷态密度之和约为1.42×1017 cm-3·eV-1和3.66×1017 cm-3·eV-1. 考虑隧穿削弱因子、隧穿距离与时间常数之间关系, 本文计算得到辐射前后埋氧化层内陷阱电荷密度随空间分布的变化.
总体经验模态分解能量向量用于ECG能量分布的研究
曾彭, 刘红星, 宁新宝, 庄建军, 张兴敢
2015, 64 (7): 078701. doi: 10.7498/aps.64.078701
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总体经验模态分解(EEMD)改进了经验模态分解(EMD)存在的模态混叠问题, 依据信号自身的波动特点将信号分解, 特别适合非线性非平稳信号的分析处理. ECG信号能量分布有一定的规律, 疾病会引起能量分布的变化, 研究ECG能量分布的改变对心脏疾病的研究和临床诊断有重要意义. 本文将ECG信号通过EEMD方法分解为多个本征模态函数(IMF)分量, 观察IMF分量的波动规律, 指出了ECG信号在不同时间尺度上的波动特点和物理意义. 将IMF分量分别计算能量, 得到ECG的能量向量, 并对健康人和三种心脏疾病患者能量向量进行对比分析. 结果表明心脏疾病导致EEMD能量向量的高频分量显著降低, 尤其是p1分量具有较好的区分度, 可以作为心脏疾病诊断的参考依据. 相比较传统的频域分析方法单纯关注频率而忽略信号自身特点和信号成分之间的相互作用, EEMD的分解结果依赖于ECG信号本身, 因此更能够反映ECG信号的真实情况, 揭示年龄和疾病对ECG能量分布的影响.
基于逆散射理论的地震波速度正则化反演
段晓亮, 王一博, 杨慧珠
2015, 64 (7): 078901. doi: 10.7498/aps.64.078901
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本文基于逆散射理论利用正则化有限差分对比源反演算法对地震波传播速度进行反演, 该方法是基于波动方程的频率域波形反演算法, 利用非线性共轭梯度法, 通过最小化目标优化函数不断迭代更新速度模型. 由于地球物理反演问题的病态性和不稳定性, 通过基于反演参数总变差的正则化处理, 使反演问题变为良性问题且算法具有较强的抗噪声干扰能力. 反演过程中使用了频率-空间域9点差分正演算子以及PML吸收边界条件. 与其他反演算法相比, 由于背景模型在反演迭代过程中保持不变, 可以避免在每次迭代过程中重新构造正演算子及矩阵分解等相关计算过程, 使得该算法非常适合于大规模三维反演计算. 此外, 本文采用基于MPI的并行计算, 进一步提高了反演计算的效率. 二维CSEG模型反演结果表明该方法可以反演得到高分辨率的地震波速度重建结果, 为地震勘探数据处理及解释提供准确的速度信息.
路径约束条件下车辆行为的时空演化模型
潘登, 郑应平
2015, 64 (7): 078902. doi: 10.7498/aps.64.078902
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复杂地理环境下车辆运行线路具有空间三维特征, 它对车辆行为的约束是显然的, 非一维空间和二维空间所能描述. 将复杂地理环境下车辆运行线路抽象为空间曲线, 引入微分几何理论, 利用弧长、曲率和挠率等几何不变量参数建立沿空间曲线运动的Serret-Frenet活动标架; 然后, 对空间曲线上任意一点处Serret-Frenet标架具有时变属性的动态行为进行数学描述, 进而建立路径约束条件下车辆行为的时空演化模型, 并在数学上严格证明了所建时空演化模型适用于车辆(Serret-Frenet标架)直线运行和做匀速圆周运动的特殊情形. 为后续复杂地理环境中交通线路上的车辆跟驰、变道等微观行为和交通流宏观行为研究, 奠定了理论基础.
地球物理学、天文学和天体物理学
无云情况下L波段微波辐射计快速大气校正方法
杜延磊, 马文韬, 杨晓峰, 刘桂红, 于暘, 李紫薇
2015, 64 (7): 079501. doi: 10.7498/aps.64.079501
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利用数值天气预报模式输出的大气温湿廓线数据与大气辐射传输模型计算了无云情况下全球海面大气在L波段的上行、下行辐射亮温及透射率, 建立三个参数与大气水汽含量及海表气压的回归关系模型——辐射-水汽模型, 利用该模型可快速计算大气辐射参数, 对L波段微波辐射计进行大气校正. 为了验证模型的实用性和可靠性, 利用SSM/I卫星水汽含量数据和数值模式地表气压数据通过模型计算大气辐射参数, 并与Aquarius卫星实测L波段微波辐射数据进行对比分析. 结果表明: 模型计算的辐射亮温比卫星观测数据偏低约0.335 K, 但改正系统性偏差后的均方根误差仅0.086 K, 且模型计算的大气透射率与卫星观测数据基本一致, 说明利用该模型对L波段微波辐射计进行大气校正具有较高的可靠性, 相比于传统利用大气辐射传输模型进行大气校正, 该模型更为简单快速, 输入参数更易获取, 更适于工程应用.