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Vol. 65, No. 10 (2016)

2016年05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 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
总论
广义平面应变锂离子电池柱形梯度材料颗粒电极中扩散诱导应力分析
彭颖吒, 张锴, 郑百林, 李泳
2016, 65 (10): 100201. doi: 10.7498/aps.65.100201
摘要 +
柱形梯度材料是最有潜力的锂离子电池电极之一. 为了研究恒压充电过程中柱形梯度材料颗粒电极下力学机理, 以Li1.2(Mn0.62Ni0.38)0.8O2为例, 讨论弹性模量、扩散系数和偏摩尔体积三个重要材料参数对应力场影响. 并推导出非均匀柱形颗粒电极的扩散方程和力学方程. 结果表明, 柱形梯度材料纳米电极, 沿着半径方向Mn 的材料组分升高Ni 的材料组分降低, 其材料结构有利于降低最大径向应力和环向拉应力, 有效地避免电极的力学失效现象. 并根据计算结果, 对梯度材料电极提出材料结构优化建议.
等距离耦合腔系统中的非局域性
卢道明
2016, 65 (10): 100301. doi: 10.7498/aps.65.100301
摘要 +
本文研究的物理系统由3个二能级原子和3个等距离单模腔构成. 3个单模腔分别处于等边三角形的3个顶点, 腔与腔之间通过光纤耦合. 采用Mermin-Ardehali-Belinksii-Klyshko不等式(简称MABK不等式)表征三体量子态的非局域性. 本文利用数值计算方法, 研究了原子初态或腔场初态为W态情况下三体系统量子态的MABK不等式违背, 讨论了腔模与光纤模间的耦合系数变化对MABK不等式违背的影响. 计算结果表明: 三原子量子态和三腔场量子态均呈现出MABK不等式违背, 并且随腔模与光纤模间耦合系数增大, 三原子量子态的非局域性增强.
弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的性能优化分析
吴承峰, 杜亚男, 王金东, 魏正军, 秦晓娟, 赵峰, 张智明
2016, 65 (10): 100302. doi: 10.7498/aps.65.100302
摘要 +
测量设备无关量子密钥分发系统能够抵御任何针对单光子探测器边信道的攻击, 进一步结合诱惑态的方案, 可以同时规避准单光子源引起的实际安全漏洞. 测量设备无关量子密钥分发系统中, 非对称传输、分束器的不对称以及各个单光子探测器存在实际参数差异等光学系统的具体实现特征会对系统误码率和成码率等性能产生一定的影响. 本文针对采用弱相干光源的测量设备无关量子密钥分发系统, 引入单光子探测器品质因子的实验参数(暗计数与探测效率的比值), 通过量子化描述, 理论推导并模拟了误码率与单光子探测器品质因子、分束器反射率以及通信双方弱相干光源平均光子数之间的关系. 结果表明: 在X基偏振编码 和相位编码系统中, 当分束器的反射率趋近于0.5时, 误码率取最小值; 在偏振编码和相位编码系统中, 误码率随着单光子探测器品质因子的增大而增大; 在Z基偏振编码系统中, 误码率随分束器的反射率的变化会呈现较小的波动, 当分束器的反射率为0.5时, 若通信双方采用的平均光子数相差较大, 则误码率取最大值; 分束器的反射率和平均光子数对误码率的影响在Z基情况下不能等同, 但是对于X基编码和相位编码却能等同.
时域脉冲平衡零拍探测器的高精度自动平衡
刘建强, 王旭阳, 白增亮, 李永民
2016, 65 (10): 100303. doi: 10.7498/aps.65.100303
摘要 +
时域脉冲平衡零拍探测器能够直接对光场量子态的正交分量进行测量, 是连续变量量子密钥分发系统的核心测量器件, 其测量精度与密钥分发系统的额外噪声及安全密钥速率密切相关. 本文理论分析了探测器双臂不平衡对测量精度的影响, 实验设计并研制了双臂可精确自动平衡的时域脉冲平衡零拍探测器. 通过高精度控制探测器一臂的光纤圆环曲率半径, 实现了光纤内部光场强度的精密衰减, 进而获得了探测器的精确自动平衡. 实验测试结果表明时域平衡零拍探测器双臂具有10-5以上的平衡精度, 能够长时间稳定运行, 有效避免了探测器的输出电压进入非线性区或饱和区. 该探测装置可应用于连续变量量子密钥分发系统, 有效降低由于量子态信号探测过程引入的额外噪声, 提高系统的长期稳定性.
耦合不连续系统同步转换过程中的多吸引子共存
杨科利
2016, 65 (10): 100501. doi: 10.7498/aps.65.100501
摘要 +
本文研究了耦合不连续系统的同步转换过程中的动力学行为, 发现由混沌非同步到混沌同步的转换过程中特殊的多吸引子共存现象. 通过计算耦合不连续系统的同步序参量和最大李雅普诺夫指数随耦合强度的变化, 发现了较复杂的同步转换过程: 临界耦合强度之后出现周期非同步态(周期性窗口); 分析了系统周期态的迭代轨道,发现其具有两类不同的迭代轨道: 对称周期轨道和非对称周期轨道, 这两类周期吸引子和同步吸引子同时存在, 系统表现出对初值敏感的多吸引子共存现象. 分析表明, 耦合不连续系统中的周期轨道是由于局部动力学的不连续特性和耦合动力学相互作用的结果. 最后, 对耦合不连续系统的同步转换过程进行了详细的分析, 结果表明其同步呈现出较复杂的转换过程.
二次偏振调制测距系统中调制频率与测距精度的关系
肖洋, 于晋龙, 王菊, 王文睿, 王子雄, 谢田元, 于洋, 薛纪强
2016, 65 (10): 100601. doi: 10.7498/aps.65.100601
摘要 +
本文在基于二次偏振调制激光测距系统的基础上, 对调制频率与激光测距系统精度的关系做了深入的理论推导和实验验证. 最终得出结论: 相位法激光测距系统的测量精度会随着调制频率的增大而提高, 且精度的提高程度正比于调制频率的不确定度f与测程范围内半波长数N值的比值. 并通过选取合适的调制频率来提高系统的测距精度, 提高后的测距精度可达10-7.
一种以压力一维均匀分布为特征的长条形对顶压砧
唐菲, 陈丽英, 刘秀茹, 王君龙, 张林基, 洪时明
2016, 65 (10): 100701. doi: 10.7498/aps.65.100701
摘要 +
针对圆形端面平面对顶压砧装置中压力梯度大的问题, 本文设计了一种长条形端面的平面对顶压砧, 相应的封垫也改为长条形. 原理分析表明: 这种压砧可在沿长条形中心线的狭长区域内产生均匀分布的高压力. 本文采用长20 mm宽5 mm长条形端面的硬质合金压砧配合叶腊石封垫进行压力标定, 实验结果显示: 这种装置可产生10 GPa以上的高压, 在长条形中心线上至少12 mm长度范围内的不同位置上产生的压力基本一致, 在2.55 GPa压力时测量偏差小于2.0%, 在7.7 GPa时测量偏差小于3.6%. 这种特点很有利于对细长样品进行精确的高压物性测量.
原子和分子物理学
氧族元素对D-A和D--A共聚物光吸收谱红移的第一性原理研究
李津, 王海燕, 李优, 张秋月, 贾瑜
2016, 65 (10): 103101. doi: 10.7498/aps.65.103101
摘要 +
D-A型共聚物作为有机聚合物太阳能电池的电子给体材料近年来引起广泛关注. 本文以苯并二噻吩(BDT)为电子给体单元, 苯并噻二唑(BT)为电子受体单元来模拟D-A共聚体; 并用噻吩环作为桥, 构造出D--A(PBDT-DTBX, X = O, S, Se, Te)结构. 采用第一性原理的密度泛函理论, 系统地计算相应的电子结构和光吸收谱. 比较不同氧族元素和噻吩-键桥对聚合物光吸收谱的影响. 研究结果表明: D-A共聚体中当X位元素以O, S, Se, Te 替换时, 其体系的最高占有分子轨道(HOMO)能级变化不大, 最低未占有分子轨道(LUMO)能级逐渐靠近费米能级, 带隙逐渐减小. 在可见光区有两个较强的吸收峰, 随着X位元素原子序数增大, 位于4.0 eV左右的光吸收峰位基本不变, 另一光吸收峰强度明显增大并发生红移. 与D-A结构相比, D--A结构的带隙均有所减小, 其中X为Te时带隙最小; 光吸收峰强度随着氧族元素原子序数的增大也明显增大并发生红移. 通过比较光吸收系数和相应态密度, 结果表明, 4.0 eV 左右的光吸收峰主要是BDT单元的贡献, 氧族元素的改变主要影响519.4-703.9 nm范围的光吸收.
调制激光场中Rydberg原子的电磁感应透明
杨智伟, 焦月春, 韩小萱, 赵建明, 贾锁堂
2016, 65 (10): 103201. doi: 10.7498/aps.65.103201
摘要 +
本文主要研究了调制探测激光场中铯Rydberg 原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT) 效应. 铯原子基态6S1/2, 第一激发态6P3/2 和Rydberg 态形成阶梯型三能级系统, 探测光作用于6S1/2 (F = 4)6P3/2(F' = 5) 的跃迁, 耦合光在Rydberg 跃迁线6P3/249S1/2 附近扫描, 形成Rydberg 原子EIT. 当对探测光频率施加一个几kHz 的调制时, 调制解调后的EIT 信号分裂为两个峰, 双峰间距与调制频率无关,而与调制幅度导致的失谐量大小(频率调制幅度) 成正比, 双峰间隔的一半等于探测光频率调制幅度的p/c = 1.67 倍. 实验结果与理论计算相一致. 本文的研究结果可应用于激光线型和频率抖动的实时监测.
红外激光场中共振结构原子对极紫外光脉冲的压缩效应
唐蓉, 王国利, 李小勇, 周效信
2016, 65 (10): 103202. doi: 10.7498/aps.65.103202
摘要 +
通过数值求解一维原子的含时薛定谔方程, 研究了具有共振结构的原子在双色场(红外激光(IR)+极紫外光(XUV)) 驱动下发射高次谐波的特征. 研究结果表明, 具有共振结构的原子所发射的高次谐波与无共振结构原子(简称为一般原子)发射的高次谐波有明显不同, 共振结构的原子除了在某一能量附近(原子的共振能量+电离能)高次谐波的强度有很大提高外, 它还对XUV光的响应较一般原子表现得更为敏感, 即使XUV光的强度较弱, 也能够明显提高XUV光脉冲中心频率附近的谐波强度, 更重要的是通过调节双色场的时间延迟, 能使输入的XUV光的脉宽得到明显的压缩, 通过时间-频率分析给出了发生这种现象的原因. 由此提出了通过滤波-连续反馈的方式可使XUV光的脉冲从200 as压缩至120 as左右.

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100-keV质子在聚碳酸酯微孔膜中传输的动态演化过程
周旺, 牛书通, 闫学文, 白雄飞, 韩承志, 张鹛枭, 周利华, 杨爱香, 潘鹏, 邵剑雄, 陈熙萌
2016, 65 (10): 103401. doi: 10.7498/aps.65.103401
摘要 +
本工作测量了100 keV质子穿过倾角为+1的聚碳酸酯(PC)纳米微孔膜后, 出射粒子电荷态、位置的分布以及相对穿透率随时间的演化. 实验发现, 100 keV(E/q约为100 kV)质子穿过绝缘纳米微孔的物理机理与keV能区的导向过程有根本的不同. 在实验测量初期, 微孔内部无电荷沉积, 质子主要通过在微孔内表面以下的多次随机二体碰撞过程为主要传输机理; 而当充放电平衡后, 微孔内部有明显的电荷斑, 主要传输机理为电荷斑辅助的表面以上(或近表面)的镜面散射行为. 这一物理图像使质子穿过微孔的物理认识更加深入和完整, 也将促进百千电子伏质子微束的应用.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于单层反射超表面的宽带圆极化高增益天线设计
李唐景, 梁建刚, 李海鹏
2016, 65 (10): 104101. doi: 10.7498/aps.65.104101
摘要 +
基于Pancharatnam-Berry相位原理, 设计了一种宽带圆极化反射聚焦超表面并将其应用到提高天线增益中. 首先提出了一种变形十字超表面单元, 在11-16 GHz频带范围内能够实现高效同极化转换, 并基于该单元构建了宽带反射聚焦超表面. 仿真结果表明, 垂直入射的右旋圆极化平面波宽带聚焦效果明显. 然后利用单向阿基米德螺旋天线对超表面进行照射, 其辐射的球面波经超表面反射后得到了近平面波, 有效地提高了天线的增益. 最终对所设计的天线系统进行加工并测试, 结果表明系统的-1 dB增益带宽达到25% (12.5-16 GHz), 在该频带范围内峰值增益均高于19 dBc且轴比小于3 dB. 此外, 在12-15.5 GHz范围内天线口径效率均超过50%.
基于自发辐射相干实现光学前驱动场
巴诺, 王磊, 王海华, 李东飞, 王丹, 严立云
2016, 65 (10): 104201. doi: 10.7498/aps.65.104201
摘要 +
研究一个具有两个靠得足够近激发能级的双Lambda模型, 在矩形脉冲中分离出光学前驱动场. 当耦合场是大失谐时, 该原子系统在自发辐射相干效应的影响下产生一个透明窗口并伴随着陡峭的色散曲线. 因此, 由于透明窗口中的慢光效应可以使光学前驱动场从主脉冲场中分离出来. 另外, 我们通过调控脉冲波形序列研究探测场相位和幅值的累积光学前驱动波. 数值结果表明: 由于累积光前驱动场与脉冲主场的相长干涉大大地提高瞬态脉冲的能量.
热退火、激光束和电子束等作用对纳米硅制备及其局域态发光特性的影响
吴学科, 黄伟其, 董泰阁, 王刚, 刘世荣, 秦朝介
2016, 65 (10): 104202. doi: 10.7498/aps.65.104202
摘要 +
在纳米晶体硅制备的过程中, 晶化处理是影响和提高纳米硅发光效率的重要制备环节. 热退火、激光退火和电子束辐照是使纳米硅样品晶化的不同方式. 实验表明: 选取适当的晶化方式和参量对制备纳米硅晶体结构至关重要, 特别是在制备硅量子点和量子面的过程中控制好参量, 可以得到较高的发光效率. 有趣的是, 在实验中发现: 当晶化时间较短(如低于20 min)时, 可以获得较好的纳晶硅结构(如量子点结构), 对应于较好的纳晶硅光致发光(PL)和掺杂局域态发光; 当晶化时间较长(如超过30 min)时, 纳米晶体硅结构被破坏, 致使PL谱逐渐减弱与消失. 结合热退火、激光退火和电子束辐照对纳米硅晶化过程, 本文建立起晶化时间对纳米硅局域态发光影响机理的物理模型, 解释了晶化时间对纳米硅局域态发光的影响.
基于多层电介质光栅光谱合成的光束质量
姜曼, 马鹏飞, 周朴, 王小林
2016, 65 (10): 104203. doi: 10.7498/aps.65.104203
摘要 +
基于电介质光栅的光谱合成是实现高功率高光束质量激光的重要途径. 在电介质光栅的光谱合成系统中, 光栅色散效应是影响合成激光光束质量的重要因素. 本文推导了单光栅和双光栅光谱合成系统中由于光栅色散引起M2因子的变化公式; 详细讨论了这两种合成系统中单路激光线宽、单路激光光斑半径、相邻两路激光波长差、相邻两路激光间距以及光栅周期对光束质量的影响. 研究表明对于单光栅合成系统, 在合成过程中若保持光束质量M2因子的大小不变, 则单路激光带宽随光斑半径的增加而减小; 在双光栅光谱合成系统中, 在保持光束质量的前提下, 单路激光带宽可随光斑半径的增大而相应增加. 数值计算表明, 若要满足合成光束的光束质量M2 1.2的要求, 在单光栅系统中激光线宽需窄于亚纳米量级, 在双光栅系统中激光带宽可为亚纳米. 本文为高功率、高光束质量的光纤激光光谱合成系统的搭建提供了理论指导.
高功率梯度掺杂增益光纤温度特性理论研究
周子超, 王小林, 陶汝茂, 张汉伟, 粟荣涛, 周朴, 许晓军
2016, 65 (10): 104204. doi: 10.7498/aps.65.104204
摘要 +
在高功率光纤激光器中, 增益光纤的热效应是限制激光功率进一步提高的重要因素之一. 为了降低增益光纤的最高温度, 提出了一种通过改变增益光纤的掺杂浓度分布, 分散光纤激光的热效应, 从而提高激光输出功率的方法. 基于速率方程模型和热传导模型, 在光纤激光放大器输出功率大致相当的情况下, 对几种不同掺杂方式下增益光纤中的热分布和放大器的输出功率进行了数值模拟. 研究结果表明: 增益光纤的梯度掺杂可以优化光纤中的温度分布并提高光纤熔接点的稳定性; 同时兼具提高输出光束的光束质量、抑制光纤中非线性效应和模式不稳定的效果, 是提高光纤激光放大器输出功率切实可行的办法. 研究结果可以为高功率光纤激光器中增益光纤的设计提供一定的参考.
石英晶振的储能特性
蔡家欢, 李平, 文玉梅, 鲍宜壮, 刘双建
2016, 65 (10): 104205. doi: 10.7498/aps.65.104205
摘要 +
针对微弱环境能量难以直接快速存储的问题, 采用石英晶振作为储能元件设计了一种高效储能瞬放电路. 石英晶振的高品质因数特性使其能在较小的输入电压下产生剧烈的机械振动, 从而将微弱的电能转换成机械能存储在石英晶振中. 通过对石英晶振的储能原理与能量释放特性进行理论分析, 推导出石英晶振充放电过程中输出电压与时间的关系式, 以及石英晶振释放能量时最大瞬时输出功率与负载的关系式. 并对石英晶振的储能特性进行了实验验证. 结果表明: 实验与理论相符, 且在输入电压幅值为100 mV, 谐振频率f=1 MHz石英晶振的条件下, 石英晶振的储能效率可以达到77%, 能量释放效率为71.4%.
一维非线性声波传播特性
张世功, 吴先梅, 张碧星, 安志武
2016, 65 (10): 104301. doi: 10.7498/aps.65.104301
摘要 +
针对一维非线性声波的传播问题进行了有限元仿真和实验研究. 首先推导了一维非线性声波方程的有限元形式, 含有高阶矩阵的非线性项导致声波具有波形畸变、谐波滋生、基频信号能量向高次谐波传递等非线性特性. 编制有限元程序对一维非线性声波进行了计算并对仿真得到的畸变非线性声波信号进行处理, 分析其传播性质和物理意义. 为验证有限元计算结果, 开展了水中的非线性声波传播的实验研究, 得到了不同输入信号幅度激励下和不同传播距离的畸变非线性声波信号. 然后对基波和二次谐波的传播性质进行详细讨论, 分析了二次谐波幅度与传播距离和输入信号幅度的变化关系及其意义, 拟合出二次谐波幅度随传播距离变化的方程并阐述了拟合方程的物理意义. 结果表明, 数值仿真信号及其频谱均与实验结果有较好的一致性, 证实计算方法和结果的正确性, 并提出了具有一定物理意义的二次谐波随传播距离变化的简单数学关系. 最后还对固体中的非线性声波传播性质进行了初步探讨. 本研究工作可为流体介质中的非线性声传播问题提供理论和实验依据.
一种基于warping变换的浅海脉冲声源被动测距方法
王冬, 郭良浩, 刘建军, 戚聿波
2016, 65 (10): 104302. doi: 10.7498/aps.65.104302
摘要 +
针对浅海波导中脉冲声源被动测距问题, 提出了一种利用接收信号的能量密度函数进行warping变换的声源被动测距方法. 对于浅海波导, 接收信号的能量密度函数中不同号简正波相干部分, 经warping变换后输出结果的频谱中包含与声源和接收器位置无关的不变性频率特征. 这些特征频率在数值上等于理想波导中相干的两号简正波的截止频率差, 与海底参数无关, 因此仅需已知海水中的平均声速和海水深度便可计算出特征频率值. 当声源距离未知时, 利用特征频率的提取值与真实特征频率之间的关系可以实现快速测距, 极大地提高了计算速度. 为了验证方法的有效性, 对2011年11月黄海海域水声实验的接收脉冲数据进行了处理, 测距结果与实测距离符合良好, 平均测距误差在8%以内.
一种加权稀疏约束稳健Capon波束形成方法
刘振, 孙超, 刘雄厚, 郭祺丽
2016, 65 (10): 104303. doi: 10.7498/aps.65.104303
摘要 +
为了克服标准Capon波束形成器旁瓣级高以及存在角度失配时性能急剧下降等缺点, 在稀疏约束Capon波束形成器的基础上, 提出了一种加权稀疏约束Capon波束形成器. 该方法利用波束响应的稀疏分布特性, 在标准Capon波束形成优化模型中加入旁瓣区域波束响应稀疏约束(l1 范数约束), 使旁瓣区域波束响应向量中非零元素的个数最小化; 通过阵列采样数据协方差矩阵特征分解得到信号子空间及噪声子空间, 利用信号子空间与噪声子空间的正交特性, 构造加权矩阵对稀疏约束进行加权, 使得稀疏重构时波束响应向量中不同角度对应的元素得到不同程度的约束. 该方法有效地抑制了Capon波束形成器的高旁瓣级, 加深了干扰方位零陷, 提高了阵列输出信干噪比. 由于稀疏约束, 波束响应向主瓣集中, 期望信号方向附近的波束响应都较大, 从而也提高了阵列抗导向矢量角度失配的能力. 数值仿真和水池实验验证了所提方法的有效性.
纳晶铜晶粒尺寸对热导率的影响
刘英光, 张士兵, 韩中合, 赵豫晋
2016, 65 (10): 104401. doi: 10.7498/aps.65.104401
摘要 +
用热压烧结法制备得到纳晶铜块体. 用激光法测定了不同温度下制备得到的纳晶铜块体的热导率, 并建立卡皮查热阻模型对样品热导率进行模拟. 通过对比, 模拟结果与实验数据基本一致. 随着热压烧结温度的升高, 纳晶铜晶粒尺寸也随之增大. 在900和700 ℃其热导率分别达到了最大和最小值且所对应的热导率分别为200.63和233.37 Wm-1K-1, 各占粗晶铜块体热导率的53.4%和60.6%. 验证了纳晶铜热导率在一定的晶粒尺寸范围内具有尺寸效应, 随着晶粒尺寸的减小, 热导率逐渐减小.
基于离散元方法的颗粒材料缓冲性能及影响因素分析
季顺迎, 樊利芳, 梁绍敏
2016, 65 (10): 104501. doi: 10.7498/aps.65.104501
摘要 +
在冲击荷载作用下, 颗粒材料通过颗粒间的摩擦及非弹性碰撞可有效进行能量耗散实现缓冲作用. 本文采用离散元方法对冲击载荷下颗粒材料的缓冲过程进行数值分析, 研究不同厚度下颗粒材料的缓冲性能. 计算结果表明: 颗粒层厚度H是影响颗粒材料缓冲性能的关键因素, 并存在一个临界厚度Hc. 当H Hc时, 冲击力随H的增加而降低; 当H Hc时, 冲击力对H的变化不敏感并趋于稳定值. 此外, 在不同颗粒摩擦系数和初始密集度下对缓冲过程的离散元分析表明, 光滑和疏松颗粒材料具有更好的缓冲性能. 最后, 对颗粒材料在冲击过程中的力链结构和底板的压力分布进行了讨论, 以揭示颗粒材料缓冲性能的内在机理.
非简谐振动对石墨烯杨氏模量与声子频率的影响
程正富, 郑瑞伦
2016, 65 (10): 104701. doi: 10.7498/aps.65.104701
摘要 +
在哈里森键联轨道法框架下, 考虑到原子的短程相互作用和原子的非简谐振动, 应用固体物理理论和方法, 得到了石墨烯的力常数、杨氏模量、扭曲模量、泊松系数以及声子频率随温度的变化关系, 探讨了非简谐振动对它们的影响. 结果表明: 1)杨氏模量与声子频率等随温度变化并遵从一定的规律, 其中力常数、杨氏模量、扭曲模量随温度升高而增大, 但变化较小; 声子频率随温度升高而增大但变化较快; 泊松系数随温度升高而较快地减小; 2)石墨烯原子具有沿键长方向的纵振动和垂直键长方向的横振动, 但以纵振动为主, 纵振动的非简谐效应远大于横振动, 横振动的简谐系数0' 和第二非谐系数2' 均小于纵振动的相应值0,2; 比值为0/0' 8.477,2/2' 156; 3)若不考虑非简谐振动项, 则石墨烯的力常数、杨氏模量和扭曲模量、泊松系数、声子频率均为常量, 与实验不符合; 同时考虑到原子的第一、二非简谐振动项后, 它们均随温度升高而变化, 而且温度愈高, 原子振动的非简谐效应愈显著. 本文的结果与文献的实验结果符合较好.
一种新的光子多普勒速度频谱分析方法
孙海权, 王裴, 陈大伟, 马东军
2016, 65 (10): 104702. doi: 10.7498/aps.65.104702
摘要 +
光子多普勒速度计可给出飞层表面某一速度带内颗粒群速度随时间演化的频谱数据, 在冲击动力学实验尤其是微喷射及其混合研究中得到广泛应用. 本文提出一种新的光子多普勒频谱数据分析方法, 可推断出混合区厚度变化和前端等效颗粒尺度. 利用该方法, 对一些典型状态下喷射混合速度频谱开展分析, 获得了不同冲击压力、气体条件下颗粒度数据, 证实了气体环境下喷射颗粒的气动破碎现象, 以及破碎后尺度与初始条件的依赖性, 为喷射混合物理规律研究提供了重要依据.
低温光滑壁面上水滴撞击结冰行为
胡海豹, 何强, 余思潇, 张招柱, 宋东
2016, 65 (10): 104703. doi: 10.7498/aps.65.104703
摘要 +
采用高速摄像技术测试低温光滑壁面上水滴撞击结冰过程, 分析了撞击速度、壁面温度和材料热导率对水滴撞击铺展、振荡及结冰行为的影响规律. 结果表明, 低温壁面造成水滴最大铺展直径缩小, 且结冰时间随温度降低而缩短; 当撞击We数提高时, 水滴最大铺展直径增大, 而振荡和结冰时间减小; 同时材料热导率越高, 最大铺展直径越小, 结冰越迅速. 另外, 从热力学角度推导出水滴撞击结冰时间的理论公式, 预测误差5.3%.
平衡接触角对受热液滴在水平壁面上铺展特性的影响
叶学民, 李永康, 李春曦
2016, 65 (10): 104704. doi: 10.7498/aps.65.104704
摘要 +
壁面温度是影响壁面润湿性的重要外部条件. 为解决液滴铺展中三相接触线处应力集中问题, 已有研究多采用预置液膜假设, 但无法探究壁面温度对润湿性的影响. 本文针对受热液滴在固体壁面上的铺展过程, 基于润滑理论建立了演化模型, 通过数值模拟, 从平衡接触角角度分析了温度影响壁面润湿性及铺展过程的内部机理. 研究表明: 随温度梯度增大, 液滴所受Marangoni效应增强, 致使液滴向低温区的铺展速率加快; 铺展过程中, 位于高温区的接触线与液滴主体部分间形成一层薄液膜, 重力与热毛细力先后主导该区域的铺展; 当液-固或气-液界面张力对温度的敏感度高于另两个界面时, 低温区方向的平衡接触角不断增大, 使壁面润湿性恶化, 导致液滴铺展减慢; 而当气-固界面张力对温度的敏感度高于其他两个界面时, 低温区方向上的平衡接触角将减小, 由此改善壁面润湿性, 加快液滴铺展; 在温度影响壁面润湿性和液滴铺展过程中, 平衡接触角起关键作用.
液态锂在铜的微通道中的流动行为
唐琬婷, 肖时芳, 孙学贵, 胡望宇, 邓辉球
2016, 65 (10): 104705. doi: 10.7498/aps.65.104705
摘要 +
本文采用分子动力学方法模拟了液态锂在铜的微通道内的流动行为. 通过构建铜(111), (100)和(110)晶面的微通道内壁, 研究了液态锂在流固界面上的微观结构以及在铜微通道中的流动速度分布情况, 并探讨了微通道尺寸对液态锂流动行为的影响. 研究结果表明铜微通道内的液态锂在靠近铜固体壁附近区域呈有序的层状结构分布, 并受铜内壁晶面微观结构的影响. 铜(111)和(100)面内壁附近的液态锂有序层分布结构更明显. 外驱力作用下的液态锂在微通道内的流动速度呈抛物线分布, 流固界面和流动方向对液态锂的流动速度都会产生影响. 液态锂在铜(111)面内壁上流动的速度最大, 且出现了速度滑移; 在铜(110)面内壁上流动速度最小. 通过对不同尺寸的微通道内液态锂流动行为的研究, 发现流动速度的大小随着微通道尺寸的增加而增大, 且最大速度与微通道尺寸呈二次函数关系, 与有关理论计算结果符合得很好.
气体、等离子体和放电物理
基于导模共振效应提高石墨烯表面等离子体的局域特性
李志全, 张明, 彭涛, 岳中, 顾而丹, 李文超
2016, 65 (10): 105201. doi: 10.7498/aps.65.105201
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本文构建了一种包含石墨烯和亚波长光栅的复合结构, 借助衍射光栅的导模共振效应, 在石墨烯表面激发高局域性表面等离子体激元, 研究了石墨烯与光栅结构对表面等离子体激元局域特性的影响规律, 并借助基于有限元法的COMSOL软件, 分析了缓冲层厚度、光栅周期、载流子迁移率和费米能级对石墨烯的表面电场、品质因子Q和有效模式面积Seff的影响. 结果表明, 石墨烯表面等离子体激元的局域性在特定的参数点获得显著提高: 当 = 0.7 m2/(Vs)时, 品质因子达到最大值Qmax = 1793; 当p = 235 nm或EF = 0.72 eV时, 表面电场达到了入射光的3000倍以上. 强烈的局域性导致强烈 的光-物质相互作用, 因而本文提出的复合结构可实现高灵敏度传感器和高效率的非线性光学设备, 极大地扩展了石墨烯在纳米光学领域中的应用.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
基于准弹性中子散射谱分析水化硅酸钙(C-S-H)中受限水的动态
邓沛娜, 易洲, 张丽丽, 李华
2016, 65 (10): 106101. doi: 10.7498/aps.65.106101
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研究水化硅酸钙(C-S-H)中受限水动态的一种重要手段是准弹性中子散射(quasi-elastic neutron scattering, QENS)实验. C-S-H样品的QENS谱数据可通过跳跃扩散和转动扩散模型进行分析拟合, 进而导出C-S-H样品微纳孔中水动态的相关物理参数: 不动水指数C、转动扩散系数Dr、均方位移 u2 、自扩散系数Dt及平均停留时间0. 本文对水与水泥质量比为30%的C-S-H样品, 测量温度为230-280 K的QENS谱进行了分析, 得到的拟合参数可定量描述C-S-H样品内不同尺度的微纳孔中受限水随温度变化的动态过程. 转动扩散系数Dr随散射矢量Q的变化可知, Q值较大时, 水分子的转动对QENS谱影响较大. 均方位移 u2 随Q值的不同而变化, 其拟合值可区分C-S-H样品中的不动水、强受限水和受限水. 在Q较小时, Dt 和0 的拟合值随温度而变化, 并分别在230和240 K突然增大, 由此揭示温度为230-240 K 时, C-S-H 样品中受限水分子的动态特性发生了转变.
(GaAs)n(n=1-4)原子链电子输运性质的理论计算
柳福提, 张淑华, 程艳, 陈向荣, 程晓洪
2016, 65 (10): 106201. doi: 10.7498/aps.65.106201
摘要 +
本文利用密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法, 对 (GaAs)n(n=1-4)直线原子链与Au(100)-33两半无限电极耦合构成Au-(GaAs)n-Au纳米结点的电子输运性质进行了第一性原理计算. 在各结点拉伸过程中, 对其结构进行了优化, 得到各结点稳定平衡结构时Ga-As的平均键长分别为0.220, 0.224, 0.223, 0.223 nm, 平衡电导分别为2.328G0, 1.167G0, 0.639G0, 1.237G0; 通过对结点投影态密度的计算, 发现电子传输主要是通过Ga, As原子中px与py电子轨道相互作用形成的键进行的. 在0-2 V的电压范围内, 对于(GaAs)n(n=1-3)的原子链的电流随电压增大而增大, I-V曲线呈线性关系, 表现出类似金属导电行为; 对于(GaAs)4原子链在0.6-0.7 V, 0.8-0.9 V的电压范围内却存在负微分电阻现象.
炸药爆轰产物Jones-Wilkins-Lee状态方程不确定参数
王言金, 张树道, 李华, 周海兵
2016, 65 (10): 106401. doi: 10.7498/aps.65.106401
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Jones-Wilkins-Lee (JWL)状态方程是一种不显含化学反应、由实验方法确定参数的半经验状态方程, 能比较精确地描述爆轰产物的膨胀驱动做功过程. 在JWL状态方程中有多个未知(不确定)参数需要确定. 传统的确定JWL状态方程参数的方法是调参数, 人为因素影响较大, 无法给出参数的不确定性信息. 本文利用贝叶斯分析方法研究了炸药的不确定参数, 该方法能够基于以往的认识、实验和模拟数据标定(calibration)不确定参数. 在本文结果中, 不确定参数的后验分布均值与文献结果相符合, 基于参数标定结果的数值模拟90%置信区间完全包含实验数据. 数值标定结果说明贝叶斯参数标定适用于确定样品炸药的JWL状态方程参数. 特别是, 在本文JWL状态方程参数标定过程中极大地减少了人为因素的影响.
液态三元Fe-Sn-Si/Ge偏晶合金相分离过程的实验和模拟研究
吴宇昊, 王伟丽, 魏炳波
2016, 65 (10): 106402. doi: 10.7498/aps.65.106402
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本文采用自由落体实验技术和格子玻尔兹曼计算方法研究了低重力条件下液态Fe-Sn-Si/Ge合金的相分离过程. 实验发现, 二种合金液滴在自由下落过程中均发生显著的液相分离, 形成了壳核和弥散组织. 当Fe-Sn-Si合金中的Si元素被等量的Ge元素替换后, 壳核组织中富Fe区和富Sn区的分布次序会发生反转. 计算表明, 在液相分离过程中冷却速率、Marangoni对流和表面偏析对壳核构型的选择和弥散组织的形成起决定性作用.
冷却速率对温敏聚N-异丙基丙烯酰胺胶体结晶过程的影响
王理林, 王志军, 林鑫, 王锦程, 黄卫东
2016, 65 (10): 106403. doi: 10.7498/aps.65.106403
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冷却速率对结晶过程具有重要的影响. 本文采用温敏poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) 胶体晶体体系实时观察了冷却速率对结晶晶粒尺寸的影响. 通过高倍透射明场观察和Bragg衍射观察研究连续冷却下的晶粒形核和生长实时演化过程, 发现随着冷却速率的增加, PNIPAM胶体晶体晶粒尺寸不断减少. 晶粒尺寸与冷却速率符合幂指数关系, 与金属体系具有相似的演化规律.
应用粒子图像测试技术测量球床多孔介质单相流动的流场
贾宇鹏, 王景甫, 郑坤灿, 张兵, 潘刚, 龚志军, 武文斐
2016, 65 (10): 106701. doi: 10.7498/aps.65.106701
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多孔介质在生产生活以及科技发展中的应用十分广泛, 随着能源、化工、冶金和原子能等领域技术的发展, 以及近代工农业生产技术的进步, 大量多孔介质的传热传质问题逐渐出现, 进一步促进了多孔介质学科的形成和发展, 使其成为当今科学技术中令人瞩目的研究热点之一. 通过实验获得准确的实验图像和数据, 并使用相应软件对实验所得数据和流体流动图像进行深度分析, 这样既有真实可靠的实际数据, 又有直观的理论的支持, 使对多孔介质的研究更为完善. 实验结合粒子图像测试技术和折射率匹配技术对叉排排列玻璃球多孔介质填充床内的流体流动转变过程进行流场测试, 并提取数据, 采用Tecplot软件对提取数据进行处理, 得出流体流动机理的转变过程. 实验固相为由直径25 mm水晶玻璃球叉排堆积而成的填充床, 液相为65%苯甲醇和35% 无水乙醇配制的匹配液. 液相与固相的折射率都为1.477, 成功消除由于折射率不匹配引起的激光光线偏折. 实验得到雷诺数为 4.7 Re 1000时球床内流场图, 对比不同雷诺数时流场和流线变化得出: 随着雷诺数的增加, 流线变得越来越紊乱; 当雷诺数在220以上时, 球床内漩涡在尺寸变化上出现突跃, 在位置和形态变化表现出随机特征, 预示进入了稳定的湍流.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
强激光照射对6H-SiC晶体电子特性的影响
邓发明
2016, 65 (10): 107101. doi: 10.7498/aps.65.107101
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使用基于密度泛函微扰理论的第一性原理赝势法, 模拟研究了纤锌矿6H-SiC晶体在强激光照射下电子特性的变化. 研究结果表明, 电子温度Te在升高到3.89 eV及以上后, 6H-SiC由间接带隙的晶体变为直接带隙的晶体; 带隙值随电子温度Te升高先是增大后又快速减小, 当电子温度Te大于4.25 eV以后, 带隙已经消失而呈现出金属特性.
PbSe-MnSe纳米复合热电材料的微结构和电热输运性能
张玉, 吴立华, 曾李骄开, 刘叶烽, 张继业, 邢娟娟, 骆军
2016, 65 (10): 107201. doi: 10.7498/aps.65.107201
摘要 +
相比于常见的热电材料PbTe, 另一种硫族铅化合物PbSe具有熔点高、Se储量更丰富等优势, 从而越来越受到科学界的关注. 本文采用熔融淬火结合快速热压烧结工艺制备了Pb0.98-xMnxNa0.02Se(0 x 0.12)纳米复合热电材料, 系统地研究了不同Mn含量对材料微纳结构、机械性能和热电性能的影响规律. 发现纳米复合样品中有面心立方结构的MnSe球状和薄层状析出物, 显微硬度得到显著增强. 少量固溶的Mn增加了能带简并度, 使功率因子提高, 球状析出物使声子散射增强、热导率降低, 体系的热电优值ZT得到优化; 但是当Mn含量更高时, 赛贝克系数趋于饱和, 连续析出物使晶格热导率反常增大, ZT 没有得到进一步改善. 通过进一步调节Na含量优化了载流子浓度, 获得了ZT=0.65的PbSe-MnSe纳米复合热电材料.
La1.3Sr1.7Mn2O7/SrTiO3-Nb异质结的整流和光伏特性
张强, 王建元, 罗炳成, 邢辉, 金克新, 陈长乐
2016, 65 (10): 107301. doi: 10.7498/aps.65.107301
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采用脉冲激光沉积法在SrTiO3:0.7%Nb(100)单晶衬底上生长了La1.3Sr1.7Mn2O7(LSMO)薄膜, 并 研究了LSMO/SrTiO3-Nb异质结的输运性质和光伏效应. 研究发现, 异质结具有良好的整流特征和明显的光生伏特效应. 在532 nm激光辐照下, 光生电压随温度升高先增大后减小, 并且在150 K达到最大值400 mV, 此温度点与LSMO薄膜发生金属-绝缘体转变的温度一致, 这表明异质结的光生伏特效应受LSMO薄膜内部的输运特征调控. 进一步, 从光生电压随时间的变化曲线中分析发现, 上升沿符合一阶指数函数, 这与载流子的迁移过程相关; 而下降沿符合二阶指数函数, 这与结两侧载流子的外部回路中和以及材料内部的电子-空穴湮灭有关. 值得注意的是, 上升沿和下降沿的时间常数均随着温度先增大后减小, 且最大值均出现在LSMO薄膜的金属-绝缘转变温度.
BaCrSi4O10与AgGaSe2:Cr2+吸收光谱的精细结构及自旋单态对零场分裂参量的影响
谭晓明, 赵刚, 张迪
2016, 65 (10): 107501. doi: 10.7498/aps.65.107501
摘要 +
在强场图像中构造了四角对称环境中Cr2+离子包括自旋单态在内的完全能量矩阵, 通过对角化能量矩阵方法, 计算得到了BaCrSi4O10与AgGaSe2:Cr2+吸收光谱的精细结构及自旋单态对零场分裂参量的影响. 从理论上给出了BaCrSi4O10与AgGaSe2:Cr2+吸收光谱的精细结构及BaCrSi4O10的零场分裂参量值. 计算结果显示自旋单态对零场分裂参量D的影响完全可忽略, 但对a和F的影响比较大. 这种影响主要来自自旋-轨道耦合导致的自旋五重态与自旋三重态和自旋单态的相互作用, 而自旋轨道耦合的选择定则显示自旋单态并非直接影响五重态而是通过自旋三重态间接地影响基态的五重态. 因此, 为了得到准确的零场分裂参量值, 所有的自旋态都应该考虑.
基于改进非线性拟合的核磁共振T2谱多指数反演
吴量, 陈方, 黄重阳, 丁国辉, 丁义明
2016, 65 (10): 107601. doi: 10.7498/aps.65.107601
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核磁共振T2谱多指数反演算法是开展复杂体系样品核磁共振(NMR)弛豫研究最重要的数学工具. 常用的T2谱多指数反演算法一般都是事先给出弛豫时间T2分布的布点, 然后转化为线性拟合问题进行求解. 在求解的T2谱较为分散的时候, 反演得到的T2谱精确度不高, 分辨率较低. 非线性拟合是解决这个问题的有效办法. 本文针对分散T2谱反演利用非线性拟合时遇到的初值依赖及运算复杂问题, 利用线性回归最小二乘方法, 改进了其中的带非负约束非线性优化模型, 将搜索的反演参数从T2, f 减少为T2, 加快了收敛速度, 减少了对初值的依赖, 提高了反演精度, 使算法更加稳健. 通过用改进的Levenberg-Marquardt算法和差分进化算法进行计算机模拟反演及实验数据反演, 验证了改进方法在核磁共振T2 谱反演中的有效性.

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压缩应变载荷下氮化镓隧道结微观压电特性及其巨压电电阻效应
张耿鸿, 朱佳, 姜格蕾, 王彪, 郑跃
2016, 65 (10): 107701. doi: 10.7498/aps.65.107701
摘要 +
电子器件可控性研究在日益追求器件智能化和可控化的当今社会至关重要. 基于第一性原理和量子输运计算, 本文研究了压缩应变载荷对氮化镓(GaN)隧道结基态电学性质和电流输运的影响, 在原子尺度上窥视了氮化镓隧道结的微观压电性, 验证了其内在的巨压电电阻(GPR)效应. 计算结果表明, 压缩应变载荷可以调节隧道结内氮化镓势垒层的电势能降、内建电场、电荷密度和极化强度, 进而实现对隧道结电流输运和隧穿电阻的调控. 在-1.0 V的偏置电压下, -5%的压缩应变载荷将使氮化镓隧道结的隧穿电阻增至4倍. 本研究展现了氮化镓隧道结在可控电子器件中的应用潜力, 也展现了应变工程在调控电子器件性能方面的光明前景.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

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利用表面微结构提高波长上转换红外探测器效率
王超, 郝智彪, 王磊, 康健彬, 谢莉莉, 罗毅, 汪莱, 王健, 熊兵, 孙长征, 韩彦军, 李洪涛, 王禄, 王文新, 陈弘
2016, 65 (10): 108501. doi: 10.7498/aps.65.108501
摘要 +
波长上转换红外探测器具有实现大面阵焦平面的优势, 但光提取效率是制约器件整体效率的关键因素之一. 本文主要研究利用表面微结构来提高波长上转换红外探测器的效率. 首先通过仿真计算研究了表面微结构参数对光提取效率的影响, 然后基于优化设计的参数, 采用聚苯乙烯纳米球掩膜刻蚀的方法制作了具有圆台型表面微结构的波长上转换红外探测器. 测试结果表明, 具有表面微结构的器件的光提取效率比无表面微结构的器件提高了130%. 本文制作表面微结构的方法可以实现波长上转换红外探测器件整体效率的提高.
含有AlGaAs插入层的InAs/GaAs三色量子点红外探测器
刘珂, 马文全, 黄建亮, 张艳华, 曹玉莲, 黄文军, 赵成城
2016, 65 (10): 108502. doi: 10.7498/aps.65.108502
摘要 +
本文报道了采用分子束外延技术制备的三色InAs/GaAs量子点红外探测器. 器件采用nin型结构, 吸收区结构是在InGaAs量子阱中生长含有AlGaAs插入层的InAs量子点, 器件在77 K下的红外光电流谱有三个峰值: 6.3, 10.2和11 m. 文中分析了它们的跃迁机制, 并且分别进行了指认. 因为有源区采用了不对称结构, 所以器件在外加偏压正负方向不同时, 光电流谱峰值的强度存在一些差异. 不论在正偏压或者负偏压下, 当偏压达到较高值, 再进一步增大偏压时, 都出现了对应于连续态的跃迁峰强度明显下降的现象, 这是由量子点基态与阱外连续态的波函数交叠随着偏压进一步增大而迅速减小导致的.
基于虚拟开车环境的自闭症儿童脑电样本熵
雷敏, 孟光, 张文明, Nilanjan Sarkar
2016, 65 (10): 108701. doi: 10.7498/aps.65.108701
摘要 +
自闭症谱系障碍是一种涉及感觉、情感、记忆、语言、智力、动作等认知功能和执行功能障碍的精神疾病. 本文从神经工效学角度出发, 用虚拟开车环境作为复杂多任务激励源将大脑系统与人体动作控制等有机地结合起来, 通过对脑电信号的滑动平均样本熵分析来探索自闭症儿童在虚拟开车环境中的脑活动特征. 研究发现不论是休息状态还是开车状态, 自闭症患者的滑动平均样本熵总体上低于健康者, 尤其在前额叶、颞叶、顶叶和枕叶功能区, 表明自闭症儿童的行为适应性较低. 不过, 自闭症患者的开车状态与健康受试者的休息状态比较接近, 表明虚拟开车环境或许有助于自闭症患者的干预治疗. 此外, 自闭症患者在颞叶区呈现显著性右半球优势性. 本研究为进一步深入开展自闭症疾病的机理研究及其诊断、评估和干预等研究提供一种新的研究思路.
基于分布式布拉格反射器结构的空间三结砷化镓太阳能电池抗辐照研究
常晓阳, 尧舜, 张奇灵, 张杨, 吴波, 占荣, 杨翠柏, 王智勇
2016, 65 (10): 108801. doi: 10.7498/aps.65.108801
摘要 +
根据电子辐照条件下的常规三结砷化镓太阳能电池光谱响应以及电池电流的损伤特征, 确定电池衰减的物理机理: 中电池在电子辐照后形成的辐照损伤缺陷, 使得基区少子扩散长度被大幅缩短, 影响了光生载流子的收集. 针对中电池衰减的物理机理, 设计不同的基区厚度, 验证辐照后扩散长度缩短至1.5 m左右. 为提升中电池抗辐照性能, 消除辐照后扩散长度缩减带来的影响, 对中电池外延结构进行设计, 将中电池基区减薄至1.5 m, 并在其下方嵌入分布式布拉格反射器, 对特定波段光反射进行二次吸收, 弥补中电池减薄的影响. 通过TFCalc光学模系设计软件模拟出的中心波长为850 nm, 15对Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As的分布式布拉格反射器, 实际测试最高反射率大于97%, 高反带宽94 nm, 能够满足设计要求. 此基础上进行了新结构电池的外延生长与辐照测试对比. 实验结果表明: 新结构太阳能电池辐照后短路电流衰减比原结构降低了50%, 效率的剩余因子提升2.3%.