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Vol. 65, No. 12 (2016)

2016年06月20日
综述
综述
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
综述

编辑推荐

氧化物薄膜晶体管研究进展
兰林锋, 张鹏, 彭俊彪
2016, 65 (12): 128504. doi: 10.7498/aps.65.128504
摘要 +
氧化物半导体材料因其载流子迁移率高、制备温度低、电学均匀性好、对可见光透明和成本低等优势, 被认为是最适合驱动有机发光二极管的薄膜晶体管(TFT)的半导体有源材料之一. 目前氧化物TFT已成功地应用在平板显示的驱动背板上. 本文从氧化物TFT的历史和发展状况出发, 先介绍了氧化物半导体材料及其载流子输运机理, 然后详细介绍了氧化物TFT的结构、制备方法以及电学稳定性, 接着介绍了近些年来氧化物TFT的应用情况, 最后总结了氧化物TFT存在的问题以及今后研究的方向.
总论
一类离散时间广义系统的迭代学习控制
曹伟, 郭媛, 孙明
2016, 65 (12): 120201. doi: 10.7498/aps.65.120201
摘要 +
针对一类离散时间广义系统, 提出了一种离散迭代学习控制算法. 首先, 通过非奇异变换将离散时间广义系统分解为正常离散状态方程和代数方程的形式. 然后, 利用上一次迭代学习获得的前一时刻误差和当前时刻误差来修正上一次的控制量, 从而获得下一次迭代学习的新控制量, 并对算法的收敛性进行了理论证明, 给出了算法收敛的充分条件. 研究结果表明, 所提算法能够在有限时间区间内实现系统状态对期望状态的完全跟踪. 最后, 通过仿真算例进一步验证了所提算法的有效性.
{Cu3}单分子磁体在热平衡和磁场作用下的三体纠缠
郑一丹, 周斌
2016, 65 (12): 120301. doi: 10.7498/aps.65.120301
摘要 +
本文研究了Na9[Cu3Na3(H2O)9(-AsW9O33)2] 26H2O (简记为{Cu3})单分子磁体在热平衡和外加磁场作用下的三体纠缠性质, 利用等效自旋模型和实验拟合参数, 数值计算了{Cu3}型三角自旋环中三体负性纠缠度 (tripartite negativity). 分别考虑沿垂直于三角自旋环方向的磁场、平行于三角自旋环方向的磁场, 以及倾斜磁场的情形. 结果表明, 磁场的方向、大小以及温度对系统三体负性纠缠度有着重要影响. 文中给出了在不同磁场方向下, 临界温度随磁场强度的变化图, 由此可以得到三体纠缠存在的参数区域. 同时发现在特定的参数区域, 该系统存在纠缠恢复现象. 因此适当调节温度、磁场强度大小和磁场方向可以有效调控{Cu3}型三角自旋环中的三体纠缠性质.
基于最少中继节点约束的量子VoIP路由优化策略
聂敏, 刘广腾, 杨光, 裴昌幸
2016, 65 (12): 120302. doi: 10.7498/aps.65.120302
摘要 +
量子信息的传输过程中, 由于拥塞、链路故障等原因, 导致数据分组在路由器排队, 产生时延、丢包. 为了保证量子VoIP系统的性能, 本文提出了基于最少中继节点约束的路由优化策略. 采用基于纠缠交换的中继技术, 通过优先选择最少中继节点的量子信道, 实现多用户量子VoIP通信. 理论分析和仿真结果表明, 当链路出现故障和拥塞时, 基于M/M/m型排队系统, 采用本策略, 当设定量子比特的误码率为0.2, 共用信道数目从4增加到8时, 量子网络的呼损率由0.25 下降到0.024, 量子网络的最大吞吐量由64 kbps增加到132 kbps. 当设定共用信道数目为4, 控制量子比特的误码率从0.3到0.1时, 可使量子网络最大吞吐量从41 kbps增加到140 kbps. 由此可见, 本策略能够极大地提高量子VoIP网络的性能.
关联高斯与非高斯噪声激励的FHN神经元系统的稳态分析
申雅君, 郭永峰, 袭蓓
2016, 65 (12): 120501. doi: 10.7498/aps.65.120501
摘要 +
本文主要研究了关联乘性非高斯噪声和加性高斯白噪声共同激励的FHN (FitzHugh-Nagumo) 神经元系统. 利用路径积分法和统一色噪声近似, 推导出该系统的定态概率密度函数表达式. 通过研究发现, 乘性噪声强度D、加性噪声强度Q、噪声自关联时间 以及互关联系数 均可以诱导系统产生非平衡相变现象, 而非高斯参数q却不可以诱导系统产生非平衡相变现象. 此外, 我们还发现参数D和 的增大有利于神经元系统从激发态向静息态转换,Q和 的增大有利于神经元系统从静息态向激发态转换, q的增大会使得神经元系统停留在静息态的概率增加.
部分时滞诱发Watts-Strogatz小世界神经元网络产生随机多共振
孙晓娟, 李国芳
2016, 65 (12): 120502. doi: 10.7498/aps.65.120502
摘要 +
已有研究显示时滞可诱发神经元网络产生随机多共振, 但它们主要讨论了神经元间的耦合都存在时滞的情形. 然而实际中, 有些神经元间的信息传递是瞬时的或时滞很小可以忽略的, 即神经元网络中只有部分神经元间的耦合具有时滞, 简称部分时滞(若神经元网络内共有l条耦合边, 其中有l1条耦合边是具有时滞的, 而剩余的耦合边的时滞为零, 则我们称这类时滞为部分时滞). 本文以Watts-Strogatz小世界神经元网络为研究对象, 主要讨论部分时滞对该神经元网络系统响应强度的影响. 研究结果指出, 系统响应强度随部分时滞的增加呈现多峰的变化态势, 即部分时滞可诱发随机多共振现象; 而且使系统响应强度达到最优水平的部分时滞的取值区间随随机时滞边概率的增加渐渐变窄, 当随机时滞边概率足够大时, 系统响应强度只有在时滞位于外界信号周期的整数倍附近才会达到最优. 此外, 我们还分析了随机连边概率和神经元网络中边的总数对部分时滞诱发的随机多共振现象的影响. 结果显示, 部分时滞诱发的随机多共振现象对随机连边概率具有一定的鲁棒性, 而神经元网络中边的总数对部分时滞诱发的随机多共振的影响则较大.
磁控二氧化钛忆阻混沌系统及现场可编程逻辑门阵列硬件实现
许雅明, 王丽丹, 段书凯
2016, 65 (12): 120503. doi: 10.7498/aps.65.120503
摘要 +
忆阻器作为混沌系统的非线性部分, 能够提高混沌系统的信号随机性和复杂度, 减小系统的物理尺寸. 本文将磁控二氧化钛忆阻器应用到一个新的三维自治混沌系统中, 通过理论推导和数值仿真, 从平衡点的稳定性、 Lyapunov指数谱、庞加莱截面和功率谱等方面研究了该系统的动力学特性, 并详细讨论了不同参数变化对系统相图和平衡点稳定性的影响. 有趣的是, 在改变参数的情况下, 系统的吸引子会产生翻转、混沌程度加剧和混叠的现象, 说明该忆阻混沌系统具有丰富的动力学行为. 此外, 本文将改进的牛顿迭代法运用于现场可编程逻辑门阵列 技术中, 巧妙设计出一种只迭代3次就能达到所需精度的开方运算器, 从而硬件实现了该忆阻混沌系统. 这突破了以往忆阻器混沌系统只能在计算机模拟平台仿真的瓶颈, 为进一步研究忆阻混沌系统及其在保密通信、信息处理中的应用提供了参考.
原子和分子物理学
非均匀激光场中氢分子离子高次谐波的增强
罗香怡, 刘海凤, 贲帅, 刘学深
2016, 65 (12): 123201. doi: 10.7498/aps.65.123201
摘要 +
通过数值求解非波恩-奥本海默近似下的一维含时薛定谔方程, 研究了蝴蝶结型纳米结构基元中氢分子离子高次谐波的产生. 研究表明, 在蝴蝶结型纳米结构基元内部产生的非均匀场的空间位置对高次谐波的发射有较大影响. 当非均匀场的空间位置从30 a.u. 平移到-30 a.u. 时, 高次谐波的截止位置被延展且形成光滑的超连续的谐波谱, 并应用时频分析方法、经典三步模型以及电离概率等解释了高次谐波发射的物理机理. 研究了高次谐波谱对非均匀场空间位置的依赖性与载波包络值的关系, 发现随着载波包络值的变化, 非均匀场在不同空间位置处的高次谐波谱变化趋势相同.
等离子体放电活化生理盐水杀菌应用研究
王学扬, 齐志华, 宋颖, 刘东平
2016, 65 (12): 123301. doi: 10.7498/aps.65.123301
摘要 +
等离子体中含有多种活性物种可实现高效安全杀菌, 活性物种与生物体相互作用多在水环境下进行. 因此等离子体与水的相互作用过程研究掀起了等离子体生物杀菌的新浪潮. 本文采用水中阵列放电产生等离子体活化生理盐水, 利用所产生的活化生理盐水对大肠杆菌开展了杀菌消毒研究, 当等离子体放电时间达到120 s时产生的活化生理盐水与大肠杆菌混合后可使大肠杆菌的存活效率降至0.001%. 通过紫外-可见吸收光谱测量及化学氧化还原沉降滴定表明放电电荷及激发态氧化性活性物种与水溶液相互作用, 转化为活化生理盐水中长寿命相对稳定存在的H2O2和O3等氧化性物种, 与大肠杆菌作用并主导主要杀菌效果.
Cu偏析诱导Co团簇结构及性质异常的动力学模拟
孙凌涛, 郭朝中, 肖绪洋
2016, 65 (12): 123601. doi: 10.7498/aps.65.123601
摘要 +
采用分子动力学结合镶嵌原子势方法, 模拟研究了Cu原子分别分布于基体Co团簇内层和表面构成Cu-Co合金团簇的结构和热力学性质, 研究表明, 相同数目的Cu原子掺杂到基体中因掺杂层的不同, 会诱导内层Co团簇和外层Co团簇结构、能量及熔点表现出巨大差异; Cu原子在团簇各层掺杂位置的差异, 会导致原子向低能态位置偏移, 但相对移动后后续原子的补位, 使团簇结构随温度呈相对无扩散度相变; Cu原子由内层向表面偏析是内层Co团簇与相同原子数比例的外层Co团簇熔点产生巨大差异的主要原因.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

编辑推荐

多波长同时照明的菲涅耳域非相干叠层衍射成像
潘安, 王东, 史祎诗, 姚保利, 马臻, 韩洋
2016, 65 (12): 124201. doi: 10.7498/aps.65.124201
摘要 +
传统的叠层衍射成像往往采用单波长照明, 即使使用多波长来提升恢复质量也是采用依次照明的方式, 同时对相干性要求很高. 非相干光照明一直被认为不利于衍射成像. 本文提出了一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方案及相应的多路复用叠层衍射成像算法, 并通过仿真和实验验证了该方案的可行性. 相比于传统的相干叠层衍射成像方案, 该方案不仅能够很好地恢复物像, 同时也能够恢复不同波长下分别对应的物体的光谱响应、复振幅探针和光谱比例, 从而获得更多的物体信息, 具有多通道和多光谱的优势. 同时, 通过彩色图像编码的方式, 能够实现物体的真彩色复原和图像质量的增强. 此外, 还证明了该算法具有很强的鲁棒性, 研究了最多可分辨波长的数量. 该研究结果为叠层衍射成像技术的信息多路复用及多光谱成像在更多领域的应用展现了可能性.
三机械薄膜腔光力系统相互作用的研究
肖佳, 徐大海, 伊珍, 谷文举
2016, 65 (12): 124202. doi: 10.7498/aps.65.124202
摘要 +
本文主要研究了利用传输矩阵理论和共振透射条件详细地推导光腔中均匀放置三个机械薄膜构成的腔光力系统中系统本征模式随机械运动的色散关系. 计算结果发现系统的光学本征模式由一组四个的本征能级构成, 且不同的能级随不同的机械运动模式的变化曲线各不相同, 进而导致不同光学模式与不同机械运动模式之间的耦合也不相同. 此外, 利用微扰理论求解了当机械运动振幅远小于腔模波长、机械振子处于平衡位置附近时, 各种光学模式与不同机械振动模式间相互作用耦合强度的解析表达式. 研究结果能够为理论和实验上研究多模腔光力系统提供一定的参考.
1550nm垂直腔面发射激光器自旋反转模型中关键参量数值的实验确定
杨继云, 吴正茂, 梁卿, 陈建军, 钟祝强, 夏光琼
2016, 65 (12): 124203. doi: 10.7498/aps.65.124203
摘要 +
自旋反转模型是目前用于分析垂直腔面发射激光器(VCSELs)非线性动力学特性最常用的理论模型, 因此该模型中相关参量的取值至关重要. 本文基于对自由运行和平行光注入时1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSELs)输出特性的实验测量结果, 对描述1550 nm-VCSELs 特性的SFM中光场衰减速率k、总载流子衰减速率N、线宽增强因子, 有源介质双折射速率p、自旋反转速率s、有源介质线性色散速率a 等关键参量进行了估值. 在此基础上, 利用所测得的这些关键参量的数值, 仿真了1550 nm-VCSELs的相关输出特性, 所得结果与实验结果符合.
四瓣高斯光束的Gyrator变换性质和矩形空心光束的产生
龚宁, 朱开成, 夏辉
2016, 65 (12): 124204. doi: 10.7498/aps.65.124204
摘要 +
基于Gyrator变换, 推导了四瓣高斯光束场分布的解析表达式, 研究了四瓣高斯光束通过Gyrator变换后的光强分布和相位分布. 结果表明: 在Gyrator变换过程中, 四瓣高斯光束能够转换为具有光涡旋的矩形空心光束, 在获得矩形空心光束时其四顶角处光束强度最强, 而四条边上的光束强度分布几乎是均匀的. 对影响矩形空心光束强度和相位分布的光束参数和变换角进行了详细的分析, 发现光束阶数不同, 产生不同类型的空心光束; Gyrator变换的变换角则影响空心光束能量分布; 空心光束亮环的大小由四瓣高斯光束的束腰宽度决定, 束腰宽度越大, 矩形空心光束的宽度越小.
低损耗Ge-As-Se-Te硫系玻璃远红外光纤的性能分析
赵浙明, 吴波, 刘雅洁, 江岭, 密楠, 王训四, 刘自军, 刘硕, 潘章豪, 聂秋华, 戴世勋
2016, 65 (12): 124205. doi: 10.7498/aps.65.124205
摘要 +
中、远红外光学领域的发展, 离不开低损耗光波导材料的发展, 因此近年来远红外低损耗光纤一直是光学领域的热点之一. 本论文在国内首次报道了一种基于挤压法的低损耗远红外光纤制备技术, 获得了具有完整结构的远红外光纤, 其损耗为: 0.46 dB/m @8.7 m, 1.31 dB/m@10.6 m, 整体低于1 dB/m@7.2-10.3 m. 在实验过程中, 首先采用传统的熔融淬冷法和蒸馏纯化工艺制备了Ge-As-Se-Te玻璃样品. 利用X射线衍射仪和热膨胀仪等测试了玻璃的结构和物理性质, 分析了Ge对玻璃热学性质的影响; 利用分光光度计、红外光谱仪等研究了玻璃的光谱性质; 综合比较了还原剂铝、镁的除氧效果. 最后采用挤压法制备了芯包结构光纤. 实验结果表明: 镁的除氧效果佳, 新型挤压制备工艺和有效提纯技术共同推进了硫系光纤损耗的降低, 所获得的 Ge-As-Se-Te光纤具有远红外广谱应用的潜能(其透光波长接近12 m).
光子晶体理论研究的新方法混合变分法
陈园园, 杨盼杰, 张玮芝, 阎晓娜
2016, 65 (12): 124206. doi: 10.7498/aps.65.124206
摘要 +
利用混合变分法研究了二维光子晶体的能带结构, 得到了通带、禁带和群速度, 并详细分析光子晶体中的电磁场分布和能流密度分布. 该方法方便实用, 理论上能够应用于任意维度任意周期结构的光子晶体的计算.
自支撑二值化Beynon-Gabor波带片的制备及其单级聚焦特性
李兆国, 孟令彪, 周民杰, 刁凯迪, 易勇, 朱效立, 吴卫东, 张继成
2016, 65 (12): 124207. doi: 10.7498/aps.65.124207
摘要 +
Gabor波带片是一种理想的单级聚焦光学元件, 但制备困难. 本文采用聚焦离子束直写技术成功制备出30 环、20扇区的二值化Beynon-Gabor波带片, 其有效面积半径为700 m, 第一环半径90 m. 利用各向异性腐蚀液对硅基底进行开孔, 实现了Beynon-Gabor波带片二值化、自支撑、镂空的结构特征. 在波长为355 nm的激光下测试其光学性能, 结果表明所制备的Beynon-Gabor波带片主光轴上只存在1级衍射叠加后的焦点, 不存在高级衍射焦点, 具有优异的单级聚焦性能.
船舶水下辐射噪声信号理论模型及仿真
孙军平, 杨军, 林建恒, 蒋国健, 衣雪娟, 江鹏飞
2016, 65 (12): 124301. doi: 10.7498/aps.65.124301
摘要 +
分析典型船舶水下辐射噪声实验数据, 获取船舶水下辐射噪声功率谱特征, 阐明了准周期随机声脉冲序列信号模型作为船舶水下辐射噪声模型的合理性和普适性, 在此基础上, 引入爆炸衰减型余弦脉冲信号作为该模型的基本组成单元, 给予理论分析, 据以数值构建船舶辐射噪声, 并与海上试验获取的商船辐射噪声数据进行对比, 结果明显一致, 证明了该方法的有效性和实用性.
一种基于激光辐照热效应的薄膜参数反演方法
陈桂波, 张佳佳, 王超群, 毕娟
2016, 65 (12): 124401. doi: 10.7498/aps.65.124401
摘要 +
本文研究并建立了一种基于激光辐照热效应的薄膜参数反演方法. 首先给出激光辐照薄膜产生温升问题的热传导理论模型, 并利用拉普拉斯变换得到了膜层和基底温度场的解析解; 然后以膜层和基底的导热系数为反演参数, 基于非线性共轭梯度算法给出反演基本原理及流程, 并推导得到了反演过程中灵敏度系数的解析表达式; 以aluminum, silver, copper和gold四种金属薄膜为例, 通过与有限元法的计算结果对比验证了温度场解析解的正确性; 最后结合四种金属薄膜进行了参数反演, 通过考察分析不同随机噪声等条件下的参数反演结果, 验证了本文方法在薄膜参数反演精度与反演效率等方面的有效性. 反演结果显示: 本文方法具有较高的反演精度和效率, 在迭代截止误差为10-7时只需用少于20次迭代就能收敛; 在测量数据中加入的随机噪声越小, 反演的迭代收敛次数就越少, 即使是在迭代初值与反演结果相差较大时, 用包含5% 随机噪声的测量数据反演也能快速收敛. 本文提出的薄膜参数反演方法不仅适用于反演导热系数, 也可扩展用于反演膜层反射系数或吸收率等参数, 具有一定的适用性. 本文方法对于激光加工或激光损伤过程中的参数反演及优化具有一定的指导意义.
类固态颗粒物质的剪切弹性行为测量
颜细平, 彭政, 何菲菲, 蒋亦民
2016, 65 (12): 124501. doi: 10.7498/aps.65.124501
摘要 +
利用能以极慢变形率直接剪切颗粒固体的实验装置, 测量了(玻璃珠)样品对大幅度循环剪切的力-位移曲线, 以及一个循环周期后的塑性位移残留. 发现随着循环频率的降低, 样品会从有限塑性残留的弹塑行为转变到几乎没有塑性的纯弹性行为, 同时伴随有率相关性. 该转变在剪切力幅度高达样品破坏值的90%时依然存在, 但需要极小的变形率(10-5 Hz)或惯性数(10-8). 这意味着无论是高频小幅度的声波扰动, 还是极低频大幅度的直接剪切, 静态颗粒固体都可做出纯弹性的力学响应. 在足够慢的状态变化范围里, 它仍是属于经典弹性理论范畴的一类材料. 这个弹性区域一直未被报道和关注, 可能是观测它时需要样品的变形率远比通常此类研究中所采用的慢变形还要小许多(大约两个数量级)的缘故. 理论上本文测量结果支持描述颗粒固体宏观动力学的基本方程组, 不能只有弹塑和率无关行为, 它们必须在极慢变形极限下退化为经典弹性理论, 并且在这个转变过程中表现出率相关特性.
旗面周期摆动的实验研究
白夜, 贾永霞, 李存标, 朱一丁
2016, 65 (12): 124701. doi: 10.7498/aps.65.124701
摘要 +
用实验方法研究了旗面周期摆动的运动过程, 采用改进的算法优化了粒子图像测速仪测量结果, 定量获得了水洞中摆动旗面的近壁流场信息. 通过选定旗面包络上的一个拐点, 将其振幅作为特征长度重新计算了旗面运动的Strouhal数. 多组实验结果中, 新的Strouhal 数均为0.21 左右, 这与相同Reynolds数下圆柱绕流的Strouhal数结果相近.
基于自适应本征正交分解混合模型的跨音速流场分析
罗佳奇, 段焰辉, 夏振华
2016, 65 (12): 124702. doi: 10.7498/aps.65.124702
摘要 +
采用非线性模型替代线性回归模型响应本征正交分解(POD)基函数的系数, 并采用自适应抽样方法确定快照集合, 实现了基于自适应POD混合模型的跨音速叶片复杂流动分析及流场拟合. 首先通过比较基于线性回归模型和非线性回归模型的基函数系数响应精度, 验证非线性回归模型的收敛性和精确性; 之后通过与静态抽样方法进行对比, 研究分析自适应抽样技术的优越性; 最后开展基于自适应POD混合模型的全三维跨音速流场分析及流动拟合, 结果表明, 采用自适应POD 混合模型, 不仅能够清晰地识别三维跨音速流场中的敏感流动特征, 还能精确地拟合设计空间内任意状态的流场及出口气动参数.
气体、等离子体和放电物理
黑体辐射法测量电介质内部被超短激光脉冲加工后的温度
王承伟, 赵全忠, 钱静, 黄媛媛, 王关德, 李阳博, 柏锋, 范文中, 李虹瑾
2016, 65 (12): 125201. doi: 10.7498/aps.65.125201
摘要 +
黑体辐射法可用于测量电介质内部被超短脉冲激光加工后, 电子和晶格的瞬时温度. 当一个超短激光脉冲通过物镜聚焦到石英玻璃内部时, 在焦点附近诱导出微结构. 微结构中热影响区的最大宽度为16 m, 热影响区发出的黑体辐射谱通过物镜、带耦合透镜的光纤、光谱仪以及ICCD组装成的系统记录. 测试系统收集了电介质内部被单个激光脉冲辐照后, 热影响区发射的黑体辐射谱, 然后用Planck公式拟合黑体辐射谱, 得到电介质温度. 电介质被超短激光脉冲辐照后, 首先电介质中的价带电子通过强场电离和雪崩电离跃迁到导带, 高温高压的等离子体以冲击波的形式向外运动, 通过对流方式传递能量, 该过程发生在激光辐照石英后21 ns内. 21 ns 后冲击波转化为声波, 中心的气态石英通过热扩散方式影响周围的固态区域, 石英温度缓慢下降. 在时刻t (单位ns), 石英玻璃的温度为5333 exp(-t/1289) K. 石英经过3.72 s将冷却到室温, 因此重复频率在269 kHz以上的激光, 加工石英玻璃时具有热累积效应.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
基于Logistic函数模型的纳米自组装动力学分析
闫昭, 赵文静, 王荣瑶
2016, 65 (12): 126101. doi: 10.7498/aps.65.126101
摘要 +
利用快速混合停流吸收(stopped-flow absorption)技术, 研究了半胱氨酸分子介导的金纳米棒线性自组装过程的动力学性质. 通过观测金纳米棒的表面等离激元动态吸收光谱, 分析其自组装动力学行为及其与组装结构之间的关系. 研究表明, 传统的二阶反应动力学理论模型在描述金纳米棒自组装动力学行为上存在明显的局限性. 由此, 我们提出了基于Logistic函数的新的动力学分析模型. 与传统的理论模型相比, 新的理论模型具有更好的普适性, 不仅适用于定量分析不同速率的金纳米棒自组装动力学特征, 还提供了一种更加准确地描述组装初期动力学行为的方法. 此外, 这种新的动力学分析方法还有助于理解和建立金纳米棒组装动力学特征与组装体结构之间的关联.
高压下NH4ClO4结构、电子及弹性性质的第一性原理研究
刘博, 王煊军, 卜晓宇
2016, 65 (12): 126102. doi: 10.7498/aps.65.126102
摘要 +
研究高压下NH4ClO4的结构和性质对于NH4ClO4在固体推进剂和炸药的安全应用具有重要意义. 采用基于色散校正密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了0-15 GPa静水压力下NH4ClO4的晶体结构、分子结构、电子性质和弹性性质, 计算结果与实验值具有较好的一致性. 在压强为1, 4和9 GPa时, NH4ClO4的晶体参数、键长和分子构型等均出现不连续变化, 说明了在压强作用下结构发生变化. 随着压强增加, 氢键增多且作用增强, 由分子内氢键向分子内和分子间的氢键转变; 导带态密度峰值增加, 电子局域性增强, 晶体内N-H和Cl-O共价键作用增强, 带隙增大, 不同相变区域内带隙呈线性关系. 0-15 GPa条件下NH4ClO4的弹性常数满足力学稳定性标准, 采用Voigt-Reuss-Hill方法计算了体积模量B, 剪切模量G和杨氏模量E, 根据Cauchy压力和B/G值, 说明NH4ClO4属于韧性材料, 随着压强增加韧性增强.
TATB晶体声子谱及比热容的第一性原理研究
蒋文灿, 陈华, 张伟斌
2016, 65 (12): 126301. doi: 10.7498/aps.65.126301
摘要 +
利用第一性原理并结合vdW-DF2范德瓦耳斯力校正研究了TATB(C6H6O6N6)晶体声子谱及比热容. 采用冷冻声子法计算了TATB晶体声子谱和声子态密度, 发现在2.3 THz附近TATB声子态密度最大, 证实了太赫兹光谱实验观察到的2.22 THz附近的强吸收峰. 基于声子态密度研究了振动模式对比热容的贡献, 分析结果表明, 常温下0-27.5 THz频段振动模式贡献了比热容的93.7%. 同时比较了升温过程中振动模式对比热容的贡献, 指出TATB热分解的引发键是C-NO2键断裂的可能性更大.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
单层二硫化钼多相性质及相变的第一性原理研究
张理勇, 方粮, 彭向阳
2016, 65 (12): 127101. doi: 10.7498/aps.65.127101
摘要 +
本文基于密度泛函的第一性原理, 并引入范德瓦耳斯力修正, 研究了单层二硫化钼2H, 1T, ZT三种相的电学性质及相变原理. 首先通过结构弛豫确定了三种相的几何结构, 能带和态密度计算证实1T相具有金属性质, ZT相具有半导体性质, 带隙为0.01 eV. 然后结合变形势理论计算了2H和ZT相的迁移率, ZT相的迁移率高达104 cm2V-1s-1, 进一步拓展了单层二硫化钼的应用范围. 最后通过对比三种相吸附锂原子结合能, 计算2H-1T相变能量曲线, 解释了引起二硫化钼相变的原因. 本文的研究结果将对单层二硫化钼实验制备表征以及相关光电器件性能分析提供重要参考.
Ga空位对GaN:Gd体系磁性影响的第一性原理研究
侯振桃, 李彦如, 刘何燕, 代学芳, 刘国栋, 刘彩池, 李英
2016, 65 (12): 127102. doi: 10.7498/aps.65.127102
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理结合投影缀加平面波的方法, 研究了GaN 中Ga 被稀土元素Gd替代以及与邻近N或Ga空位组成的缺陷复合体的晶格常数、磁矩、形成能以及电子结构等性质. 结果发现, Gd掺杂GaN后禁带宽度变窄, 由直接带隙半导体转为间接带隙半导体; 单个Gd原子掺杂给体系引入大约7 B的磁矩; 在Gd与Ga或N空位形成的缺陷复合体系中, N空位对引入磁矩贡献很小, 大约0.1 B, Ga空位能引入约2 B的磁矩. 随着Ga空位的增多, 体系总磁矩增加, 但增加量与Ga空位的位置分布密切相关. 当Ga空位分布较为稀疏时, Gd单原子磁矩受影响较小, 但当Ga空位距离较近且倾向于形成团簇时, Gd单原子磁矩明显增加, 而且这种情况下空位形成能也最小.
VO2薄膜Vis-NIR及NIR-MIR椭圆偏振光谱分析
王盼盼, 章俞之, 彭明栋, 张云龙, 吴岭南, 曹韫真, 宋力昕
2016, 65 (12): 127201. doi: 10.7498/aps.65.127201
摘要 +
采用射频磁控溅射在石英玻璃基底上反应溅射制备单斜相(M相) VO2薄膜. 利用V-VASE和IR-VASE椭圆偏振仪及变温附件分别在0.5-3.5 eV (350-2500 nm)和0.083-0.87 eV (1400-15000 nm)入射光能量范围内对相变前后的VO2薄膜进行光谱测试, 运用逐点拟合的方式, 并通过薄膜的吸收峰的特征, 在 0.5-3.5 eV范围内添加3个Lorentz 谐振子色散模型和0.083-0.87 eV范围内添加4个Gaussion振子模型对低温态半导体态的薄膜椭偏参数进行拟合, 再对高温金属态的薄膜添加7个 Lorentz谐振子色散模型对进行椭偏参数的拟合, 得到了较为理想的拟合结果. 结果发现: 半导体态的VO2薄膜的折射率在近红外-中红外基本保持在最大值3.27不变, 且消光系数k在此波段接近于零, 这是由于半导体态薄膜在可见光-近红外光范围内的吸收主要是自由载流子吸收, 而半导体态薄膜的d//轨道内的电子态密度较小. 高温金属态的VO2薄膜的折射率n在近红外-中红外波段具有明显的增大趋势, 且在入射光能量为0.45 eV时大于半导体态的折射率; 消光系数k在近红外波段迅速增大, 原因是 在0.5-1.62 eV范围内, 能带内的自由载流子浓度增加及电子在V3d能带内发生带内的跃迁吸收, 使k值迅速增加; 当能量小于0.5 eV时k值变化平缓, 是由于薄膜内自由载流子浓度和电子跃迁率趋于稳定所致.

编辑推荐

SrTiO3(001)衬底上多层FeSe薄膜的分子束外延生长
张马淋, 葛剑峰, 段明超, 姚钢, 刘志龙, 管丹丹, 李耀义, 钱冬, 刘灿华, 贾金锋
2016, 65 (12): 127401. doi: 10.7498/aps.65.127401
摘要 +
近几年, 由于用分子束外延法在SrTiO3衬底表面制备的单层FeSe具有很高的超导转变温度而引发了极大的研究热潮, 随之而来的是对多层FeSe薄膜日益增长的研究兴趣. 但目前还没有对成功生长高质量多层FeSe薄膜的详细报道. 本文利用高能电子衍射仪(RHEED) 实时监控在不同生长条件下制备的多层FeSe薄膜, 发现在FeSe薄膜的生长初期, RHEED图像的强度演化基本符合台阶密度模型的描述特征, 即台阶密度 正相关于衍射条纹强度. FeSe(02)衍射条纹的强度在第一生长周期内呈现稳定而明显的峰型振荡, 而且不受高能电子掠射角的影响, 最适合用来标定FeSe薄膜的厚度. 结合扫描隧道显微镜对FeSe薄膜质量的原位观察, 确定了制备多层FeSe薄膜的最佳生长条件, 为FeSe薄膜的物性研究提供了重要的材料基础.
第一性原理研究semi-Heusler合金CoCrTe和CoCrSb的半金属性和磁性
姚仲瑜, 孙丽, 潘孟美, 孙书娟
2016, 65 (12): 127501. doi: 10.7498/aps.65.127501
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采用第一性原理的全势能线性缀加平面波方法, 对semi-Heusler合金CoCrTe和CoCrSb 的电子结构进行自旋极化计算. CoCrTe和CoCrSb处于平衡晶格常数时是半金属性铁磁体, 其半金属隙分别为0.28和0.22 eV, 晶胞总磁矩为3.00 B和2.00 B. CoCrTe和CoCrSb的晶胞总磁矩主要来自于Cr原子磁矩. Co, Te和Sb的原子磁矩较小, 它们的磁矩方向与Cr原子的磁矩方向相反. 使晶格常数在 13%的范围内变化(相对于平衡晶格常数), 并计算CoCrTe 和CoCrSb 的电子结构. 计算研究表明, CoCrTe和CoCrSb的晶格常数变化分别在-11.4%-9.0%和-11.2%-2.0%时仍具有半金属性, 并且它们晶胞总磁矩稳定于3.00 B 和2.00 B.
正交各向异性双层交换弹簧薄膜的磁矩分布
陈传文, 项阳
2016, 65 (12): 127502. doi: 10.7498/aps.65.127502
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本文以Pt84Co16/TbFeCo双层交换弹簧体系为研究对象, 利用微磁学连续模型, 研究了软/硬磁层易轴方向相互垂直的新型体系中磁矩的分布特征. 研究结果表明, 磁矩偏离薄膜法线方向的角度在软磁层中沿膜厚方向的变化速率比硬磁层中的快. 通过调节软磁层参数来增加软/硬磁的各向异性常数比、交换能常数比、饱和磁化强度比或外磁场强度, 都可有效改变磁矩偏角在软/硬磁层中的变化速率. 特别是当软/硬磁各向异性常数比值和交换能常数比值同时增大时, 可以使得磁矩在硬磁层中的变化速率快于软磁层中的. 而饱和磁化强度比值对磁矩变化速率的影响源于饱和磁化强度的变化会相应地改变各向异性常数, 进而改变磁矩在软/硬磁层中磁矩方向变化速率的比值. 此体系的磁滞回线显示磁性参数的改变可以显著改变体系的剩磁及饱和磁场. 软磁层中的退磁场能及体系的正交各向异性可导致负的成核场.
Ge-As-S硫系玻璃的结构与性能调控
杨艳, 陈云翔, 刘永华, 芮扬, 曹烽燕, 杨安平, 祖成奎, 杨志勇
2016, 65 (12): 127801. doi: 10.7498/aps.65.127801
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制备了系列具有不同化学配比特征的Ge-As-S硫系玻璃, 并研究了玻璃的结构、折射率和光学带隙(Eg). Ge-As-S玻璃具有以[GeS4]四面体和[AsS3]三角锥为骨架结构单元相互交联形成的连续网络结构, 当S过量时, 结构中出现S链或S8环; 当S不足时, 结构中形成As4S4/As4S3分子, 甚至出现大量As-As/Ge-Ge同极键. 玻璃的组成元素在2-10 m波段的摩尔折射度分别为RGe=9.83-10.42 cm3/mol, RAs=11.72-11.87 cm3/mol和RS=7.78-7.86 cm3/mol. Ge-As-S玻璃的折射率与密度和组成元素的摩尔折射度之间存在较好的定量关系, 可根据该定量关系在1%偏差内对玻璃的折射率进行预测或调控. 提出了采用玻璃粉末的漫反射光谱确定可靠Eg的方法, 通过该方法可获得玻璃的强吸收数据用于确定Eg. Ge-As-S玻璃的Eg与玻璃的平均键能之间存在较好的关联, S含量较高的玻璃更倾向于具有较大的平均键能, 因此具有较大的Eg.
C掺杂FePt铁磁薄膜光诱导超快退磁动力学研究
潘群峰, 张泽宇, 王会真, 林贤, 金钻明, 程振祥, 马国宏
2016, 65 (12): 127802. doi: 10.7498/aps.65.127802
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FePt合金薄膜由于具有较强的磁各向异性而在磁信息和磁光信息存储中具有重要的应用. C 掺杂可精确调控薄膜的磁各向异性, 从而可有效地改变薄膜的矫顽场. 通过超短激光脉冲与铁磁薄膜相互作用, 可以获得非平衡状态下电子、自旋和晶格等自由度之间的动态耦合参数, 这是研究超快磁记录材料的物理基础. 本文基于瞬态磁光Kerr效应, 研究了两种C掺杂浓度下FePt薄膜的超快磁光响应. 实验结果表明: 瞬态Kerr信号与外加磁场正相关, 磁场反向, Kerr信号反号, 而瞬态反射率与外加磁场无关; 不同C掺杂的FePt薄膜的矫顽场不同, 软磁的退磁时间显著小于硬磁薄膜的退磁时间. 我们还观测到超快激光在铁磁薄膜中诱导频率约为49 GHz的相干声学声子, 该声子的频率与外加磁场无关. 实验结果为设计和研制新型磁光薄膜提供了实验依据.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
一种简单的化学气相沉积法制备大尺寸单层二硫化钼
董艳芳, 何大伟, 王永生, 许海腾, 巩哲
2016, 65 (12): 128101. doi: 10.7498/aps.65.128101
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最近单层二硫化钼以其直接带隙的性质及在电子器件、催化、光电等领域中的潜在应用而备受关注. 化学气相沉积法能够制备出高质量、大尺寸且性能优良的单层二硫化钼, 但其制备工艺比较复杂. 本文采用简化的化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备出了大尺寸的单晶二硫化钼. 清洗衬底时, 只需要简单的清洁, 不需要用丙酮、食人鱼溶液(H2SO4/H2O2=3:1)等处理, 这样既减少了操作步骤, 又避免了潜在的危险. 升温时直接从室温加热到生长的温度, 不必分段升温, 并且采用常压化学气相沉积法, 不需要抽真空等过程, 使得实验可以快捷方便地进行. 光学显微镜、拉曼光谱和光致发光谱的结果表明, 生长的二硫化钼为规则的三角形单层, 边长为50 m左右, 远大于机械剥离的样品.
传输矩阵法在行波管内部反射引起的增益波动计算中的应用
易红霞, 肖刘, 苏小保
2016, 65 (12): 128401. doi: 10.7498/aps.65.128401
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本文分析了由于行波管慢波结构制造误差引入的多个不连续点对小信号增益的影响. 行波管内部反射对增益波动的影响, 须采用考虑反射波的四阶模型进行分析, 用传输矩阵法对节点处的自左至右入射和自右至左入射两种散射类型建立传输矩阵, 研究在不同空间电荷参量下, 慢波电路的单个反射节点以及慢波电路的皮尔斯速度参量b和增益参量C的多个随机分布不连续性对行波管小信号增益的影响, 计算结果与Chernin模型具有很好的一致性. 并以G波段行波管为例分析了慢波结构周期长度分布有两个不连续点和周期长度的多个随机分布不连续性带来的小信号增益波动. 结果表明, 制造误差越大, 周期长度分布的两个不连续点相距越远, 小信号增益波动越大, 多个小的不连续性可以引起较大的增益波动.
铟锌氧化物薄膜晶体管局域态分布的提取方法
王静, 刘远, 刘玉荣, 吴为敬, 罗心月, 刘凯, 李斌, 恩云飞
2016, 65 (12): 128501. doi: 10.7498/aps.65.128501
摘要 +
本文针对铟锌氧化物薄膜晶体管(IZO TFT)的低频噪声特性与变频电容-电压特性展开试验研究, 基于上述特性对有源层内局域态密度及其在禁带中的分布进行参数提取. 首先, 基于IZO TFT 的亚阈区I-V特性提取器件表面势随栅源电压的变化关系. 基于载流子数随机涨落模型, 在考虑有源层内缺陷态俘获/释放载流子效应基础上, 通过因子提取深能态陷阱的特征温度; 基于沟道电流噪声功率谱密度及平带电压噪声功率谱密度的测量, 提取IZO TFT有源层内局域态密度及其分布. 试验结果表明, 带尾态缺陷在禁带内随能量呈e指数变化趋势, 其导带底密度NTA约为3.421020 cm-3eV-1, 特征温度TTA约为135 K. 随后, 将C-V特性与线性区I-V特性相结合, 对栅端寄生电阻、漏端寄生电阻、源端寄生电阻进行提取与分离. 在考虑有源层内局域态所俘获电荷与自由载流子的情况下, 基于变频C-V特性对IZO TFT有源层内局域态分布进行参数提取. 试验结果表明, 深能态与带尾态在禁带内随能量均呈e指数变化趋势, 深能态在导带底密度NDA约为5.41015 cm-3eV-1, 特征温度TDA约为711 K, 而带尾态在导带底密度NTA约为1.991020 cm-3eV-1, 特征温度TTA约为183 K. 最后, 对以上两种局域态提取方法进行对比与分析.
退火温度和Ga含量对溶液法制备InGaZnO薄膜晶体管性能的影响
张世玉, 喻志农, 程锦, 吴德龙, 栗旭阳, 薛唯
2016, 65 (12): 128502. doi: 10.7498/aps.65.128502
摘要 +
采用溶液法在玻璃衬底上制备InGaZnO薄膜, 并以InGaZnO为沟道层制备底栅顶接触型薄膜晶体管, 研究了退火温度和Ga含量对InGaZnO薄膜和晶体管电学性能的影响. 研究表明, 退火可以明显改善溶液法制备InGaZnO薄膜晶体管的电学性能. 退火温度的升高会导致薄膜晶体管阈值电压的负向漂移, 并且饱和迁移率和电流开关比增大. X射线光电子能谱测量表明, 随退火温度的增加, InGaZnO薄膜表面吸附氧减少, 沟道层中氧空位增多导致电子浓度增大. 退火温度为380 ℃时, 晶体管获得最佳性能. 饱和迁移率随Ga含量的增加而减小. In:Ga:Zn 摩尔比为5:1.3:2时, 晶体管达到最佳性能: 饱和迁移率为0.43 cm2/(Vs), 阈值电压为1.22 V, 开关电流比为4.7104, 亚阈值摆幅为0.78 V/decade.
具有突触特性忆阻模型的改进与模型经验学习特性机理
邵楠, 张盛兵, 邵舒渊
2016, 65 (12): 128503. doi: 10.7498/aps.65.128503
摘要 +
许多忆阻器都具有与生物神经突触功能相似的特性, 这些特性包括记忆与遗忘特性、经验学习特性等. 文献[17]根据记忆与遗忘特性建立了这类忆阻器的模型, 文献[19, 20]在对该模型的仿真研究中发现该模型也具有描述经验学习特性的能力. 在关于这一模型已有研究的基础上, 本文对该模型状态方程的特性与机理给出进一步的分析. 分析中发现原模型的窗口函数的设计和使用存在问题, 并且原模型建模时对于实验现象的解读不够准确. 针对这些问题对原模型的状态方程进行了改进, 完善了模型功能. 对于该模型能够描述经验学习特性的机理, 分别利用对于模型的状态方程的分析以及周期脉冲信号作用下的状态方程解析分析, 对该机理给出定性和定量的讨论. 利用机理分析所得的相关结论, 设计了基于经验学习实验的模型状态方程中的参数和函数的估计方法, 方便了该模型在这一类忆阻器的实验研究中的应用.
双重频率锁定的腔衰荡吸收光谱技术及信号处理
贾梦源, 赵刚, 侯佳佳, 谭巍, 邱晓东, 马维光, 张雷, 董磊, 尹王保, 肖连团, 贾锁堂
2016, 65 (12): 128701. doi: 10.7498/aps.65.128701
摘要 +
针对传统腔衰荡光谱技术浓度获取率低, 提出基于双重锁定的连续波腔衰荡吸收光谱技术. 通过波长调制一次谐波信号将激光器的频率锁定到C2H2吸收线上, 同时使用PDH锁频技术将衰荡腔锁定到激光器上, 从而避免了测量过程中激光器的频率漂移和腔长的抖动, 使测量结果更加精确; 并且, 由于双重锁定, 单次衰荡事件的发生率, 也就是浓度信息的获取率只受衰荡时间以及重新锁定时间限制, 在本试验系统中采集速率可以达到30 kHz, 可以实现对气体浓度的快速测量. 为了提高信噪比, 采用Kalman滤波技术, 对浓度信息进行实时处理, 有效抑制了噪声, 根据阿伦方差分析, 探测灵敏度可以达到410-9 cm-1 (2 s平均).