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Vol. 65, No. 15 (2016)

2016年08月05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
二维非对称周期时移波状通道中的粒子定向输运问题
谢天婷, 邓科, 罗懋康
2016, 65 (15): 150501. doi: 10.7498/aps.65.150501
摘要 +
目前大部分关于通道中粒子的输运问题是在静态边界的情形下研究的,但时变通道中的粒子输运问题的研究显然具有重要价值和意义. 为此,本文讨论了二维非对称周期时移波状通道中的粒子定向输运问题,详细分析了该模型的输运机理,利用数值仿真讨论了输运速度与通道参数和噪声强度的关系. 研究发现,通道沿延伸方向的非对称周期时移会使粒子位置分布在通道横截方向上表现出非对称性,粒子总体在通道延伸方向会表现出定向输运流. 定向流平均速度与通道对称参数成正比例关系,随通道宽度的增加而递减,随通道空间频率及时间频率变化均会出现广义共振现象;随着噪声强度的增加,定向流速度会先增大后减小,即适当的噪声可以增强系统的输运行为.
有限理性视野下网络交通流逐日演化规律研究
李涛, 关宏志, 梁科科
2016, 65 (15): 150502. doi: 10.7498/aps.65.150502
摘要 +
基于有限理性的前提假设,建立了有限理性二项logit模型,用以描述出行者路径选择行为,并以一个由2条路径构成的路网为例,探讨了理性程度不同群体的网络交通流逐日动态演化过程. 通过数值实验,分析了网络交通流的演化特征,发现网络交通流演化最终状态除了与出行者群体对费用的敏感程度、对实际费用的依赖程度有关,还与出行者群体的理性程度有很大关系. 在一定的情况下,出行者理性程度很高或很低均可以使系统稳定,而恰恰是理性程度一般的群体不容易达到稳定.
局部不均匀性对时空系统振荡频率的影响
高继华, 史文茂, 汤艳丰, 肖骐, 杨海涛
2016, 65 (15): 150503. doi: 10.7498/aps.65.150503
摘要 +
以复金兹堡-朗道方程为模型,利用数值实验方法观察了时空系统中螺旋波斑图的演化行为,发现在局域非均匀参数条件下,系统的螺旋波可以受到该杂质区域的影响而演化成为稳定的靶波. 研究表明,内传的螺旋波转换为稳定靶波的必要条件是非杂质系统和杂质系统的振荡频率相等且小于系统的固有频率,并在参数-频率空间形成一个特殊的V形区域. 进一步分析表明,该V形区域具有左右对称、两侧靶波传播方向相反以及随杂质区域参数2的增大而向参数2减小方向平移等性质.
利用非锁定飞秒激光实现太赫兹频率的精密测量
孙青, 杨奕, 邓玉强, 孟飞, 赵昆
2016, 65 (15): 150601. doi: 10.7498/aps.65.150601
摘要 +
频率是电磁波最重要的一个基本物理量,随着THz技术的发展,在光源研制、宽带通信、超精细光谱测量等领域都对THz频率的高精度测量提出了要求. 传统的Fabry-Perot干涉法与外差探测法难以实现THz频率的高精度测量,频率梳方法虽然测量精度很高,但测量系统复杂. 本文提出一种利用重复频率自由漂移的飞秒激光器实现太赫兹频率精密测量的新方法. 通过对非锁定的飞秒激光器的重复频率和THz拍频频率进行同时连续采集与计算,得到被测THz频率,测量精度可以达到10-10量级. 无需对飞秒激光重复频率进行复杂的锁定控制,测量系统大大简化.

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利用啁啾脉冲频谱干涉技术研究高应变率载荷下铜膜的动态响应特性
范伟, 朱斌, 席涛, 李纲, 卢峰, 吴玉迟, 韩丹, 谷渝秋
2016, 65 (15): 150602. doi: 10.7498/aps.65.150602
摘要 +
啁啾脉冲频谱干涉测量技术具有高时间分辨的连续测量能力,属于一种单发超快诊断技术. 本文利用25 fs的激光脉冲对厚度为502 nm的金属铜膜进行冲击加载,同时利用啁啾脉冲频谱干涉仪开展超快诊断,在单发次实验内测量获得了皮秒时间分辨的铜膜自由面启动过程,并由此得到自由面的启动时刻和速度剖面上升前沿宽度6.9 ps. 根据冲击波关系式,冲击波在材料中引起的冲击压强和应变率分别为(57.18.8)GPa,8109 s-1.
原子和分子物理学
强场隧穿电离模式下的氦原子电离时间问题研究
王艳海
2016, 65 (15): 153201. doi: 10.7498/aps.65.153201
摘要 +
电子隧穿电离动力学在阿秒物理学领域具有极为重要的作用,电子隧穿电离时间是该领域的最基本问题之一,在理论和实验上仍然存在着广泛的争议. 本文通过数值求解含时薛定谔方程,计算了阶跃强激光场作用下He原子中单电子隧穿电离时间,计算结果表明电子隧穿合成势垒的最大概率流密度时间和基态波函数演化到连续态的时间与Keldysh时间非常接近. 讨论了电子隧穿时间为什么不能定义为最大电离率和激光峰值之间的延时的原因. 相比其他文献给出的隧穿时间定义,基态波函数演化到连续态的时间与实际的电离过程更为相符,把该时间定义为电子隧穿合成势垒的时间更为确切. 根据本文的分析结果,提出了采用光场合成技术测量电子实际的隧穿电离时间的实验方案.
Eu原子4f76p1/2ns自电离过程的动力学特性
李琼, 沈礼, 闫俊刚, 戴长建, 杨玉娜
2016, 65 (15): 153202. doi: 10.7498/aps.65.153202
摘要 +
采用孤立实激发与速度影像技术相结合的方法,研究了Eu原子4f76p1/2ns(n=7,9)自电离过程的动力学特性,包括弹射电子的角分布和向各离子态衰变的分支比. 首先,采用孤立实激发技术将Eu原子分步从基态4f76s2经中间态4f76s6p激发至4f76sns Rydberg态,并通过第三步跃迁4f76s+4f76p1/2+将其激发至4f76p1/2ns自电离态. 其次,运用速度影像技术对上述自电离过程进行探测,并通过一系列数学变换计算出该过程的弹射电子的能量分布和角向分布. 本文不仅分析和比较了各个态自电离衰变的分支比和各向异性参数随光子能量的变化规律,还深入讨论了它们与自电离光谱之间的对应关系. 最后,依据自电离衰变的分支比,探讨了实现Eu 离子粒子数反转的可能性,为实现自电离激光器提供了有价值的信息.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
单层高效透射型相位梯度超表面的设计及实验验证
庄亚强, 王光明, 张晨新, 张小宽, 宗彬锋, 马卫东, 王亚伟
2016, 65 (15): 154101. doi: 10.7498/aps.65.154101
摘要 +
本文设计了一种单层高效透射型相位梯度超表面,并通过仿真和实验进行了验证. 在圆极化波入射条件下,超表面单元的交叉极化转化率大于90%的频带范围为14-15.8 GHz. 通过对单元的面内旋转可实现在保持高交叉极化透射幅度的前提下对交叉极化透射相位进行调控. 基于6个旋转步进为30的超表面单元周期排布设计了一维相位梯度超表面,该超表面对左/右旋圆极化波分别形成方向相反的相位梯度,因此线极化波经过超表面后将会分离成两束对称传播的圆极化波. 15 GHz处的近场电场分布和远场归一化透射能量方向图的仿真结果表明,奇异透射角仿真值为33.5,与理论设计值(33.75)符合得很好. 仿真并测试了透射功率密度谱,结果表明在14.9-15.3 GHz频带范围内垂直入射的线极化波被高效分离成两束圆极化波. 相比于以往的透射型极化调制超表面,该超表面具有工作效率高、厚度薄、重量轻等优点,在电磁波传播和极化操控领域具有重要的应用价值.
基于梯度超表面的反射型线-圆极化转换器设计
庄亚强, 王光明, 张小宽, 张晨新, 蔡通, 李海鹏
2016, 65 (15): 154102. doi: 10.7498/aps.65.154102
摘要 +
本文设计了同时具有线-圆极化转换和出射波偏折功能的反射型极化转换器. 通过六个不同结构参数的改进型十字结构四分之一波片组成一维相位梯度超表面,将此超表面分别在x 和y 方向进行周期排布,设计了极化转换器. 通过理论分析、仿真计算和实验测试,验证了该极化转换器在13.8-14.7 GHz频带内实现了高效线-圆极化转换和奇异反射. 仿真并测试了镜面反射率、反射功率密度谱和轴比特性,仿真结果和测试结果的一致性良好,结果表明该极化转换器在13.8-14.7 GHz频带内的镜面反射率小于-10 dB,轴比小于2 dB,而且反射波的偏折方向与理论分析相一致.
高灵敏、高对比度无标记三维光学微血管造影系统与脑科学应用研究
周丽萍, 李培, 潘聪, 郭立, 丁志华, 李鹏
2016, 65 (15): 154201. doi: 10.7498/aps.65.154201
摘要 +
结合光学相干层析技术的三维成像能力和动态散射技术的运动识别能力,可以实现无标记的三维光学微血管造影. 在不牺牲线扫描速度的前提下,通过帧间分析的方法提高血流造影的灵敏度,实现毛细血管水平的探测. 提出小波域分量复合的方法降低静态组织信号和动态血流信号之间的分割误差,实现高对比度的血管造影. 分别利用组织血流模拟样品和活体大鼠脑组织进行实验验证,结果发现,采用小波域分量复合之后,血管分割误差分别减小了83%和71%,造影图对比度增强,并且具有更好的血管连接性. 进而,利用研制的系统对大鼠脑血管局部缺血性中风模型进行了初步的成像研究,清晰地呈现了中风模型形成、血管受损和血管恢复的整个过程,有助于对局部缺血性中风模型机理的研究.
基于空间域和频率域傅里叶变换F2的光纤模式成分分析
张澍霖, 冯国英, 周寿桓
2016, 65 (15): 154202. doi: 10.7498/aps.65.154202
摘要 +
针对高功率光纤激光光束质量诊断的需求,提出了双傅里叶变换F2法来测量光纤模式成分,该方法侧重于对光纤输出激光的空间域和时间域的傅里叶变换谱进行测量,得到群时延图,给出模式在空间频谱域的分布,以及各个模式的功率占比. 与已有的S2方法相比,该方法大大减小了对移动平台的移动精度要求,适合于测量高功率光纤激光器输出光的模式成分.
并行化叠层成像算法研究
肖俊, 李登宇, 王雅丽, 史祎诗
2016, 65 (15): 154203. doi: 10.7498/aps.65.154203
摘要 +
叠层成像是定量相位恢复技术的重要研究方向,它通过照明探针的交叠式扫描,使用叠层迭代相位恢复算法对待测样品进行恢复,但成像效率与成像质量之间的矛盾等问题已成为其瓶颈之一. 本文从叠层成像迭代恢复算法的基本原理入手,提出了基于CPU和GPU的两种分块复振幅重建并行算法,并通过模拟实验研究了不同待测样品尺寸、不同分块、不同孔径数目对并行加速效果的影响. 模拟实验结果表明:两种并行算法可正确地恢复出样品的复振幅信息,并且显著提升了重建速度,使得重建耗时比传统叠层成像算法有了数量级的下降,在一定程度上解决了成像效率与成像质量之间的矛盾,有望实现准实时成像,为叠层成像在相关领域更广泛的应用提供了一定的技术指导. 实验结果同时表明:在最优分块时,并行重建加速比与样品的大小有关,样品越大,加速效果越明显;同一个样品在不同分块下重建会得到不同的加速比,这与硬件设备密切相关,而成像中孔径的数目不会对并行加速比产生明显的影响.
用于汤姆孙散射诊断的高重频高光束质量焦耳级Nd:YAG纳秒激光器
邱基斯, 唐熊忻, 樊仲维, 陈艳中, 葛文琦, 王昊成, 刘昊
2016, 65 (15): 154204. doi: 10.7498/aps.65.154204
摘要 +
基于激光二极管抽运棒状放大器和板条放大器相结合的方式,研制了一台应用于汤姆孙散射诊断的高重复频率、高光束质量焦耳级的Nd:YAG纳秒激光器. 激光器采用主振荡功率放大的结构,主要包括单纵模种子、预放大单元和能量提取单元三部分. 为了获得高光束质量的激光输出,采用相位共轭技术对激光光束畸变进行补偿. 在重复频率200 Hz、单纵模种子注入单脉冲能量8.23 J的条件下,获得了1.85 J的能量输出. 输出激光的脉冲宽度为5.36 ns,远场光斑为1.72倍衍射极限,能量稳定性(RMS)为1.3%.
885nm双端泵准连续微秒脉冲1319nm三镜环形腔激光
谢仕永, 张小富, 乐小云, 杨程亮, 薄勇, 王鹏远, 许祖彦
2016, 65 (15): 154205. doi: 10.7498/aps.65.154205
摘要 +
采用885 nm半导体激光双端泵Nd:YAG三镜环形腔获取高功率、高光束质量、可调谐的准连续微秒脉冲1319 nm激光. 通过腔镜镀膜和腔内插入标准具,分别抑制Nd:YAG的1064 nm与1338 nm谱线起振. 薄膜偏振片用作环形腔的输出镜,与半波片配合实现输出耦合率连续可调. 885 nm抽运功率150 W时,在热近非稳腔运转条件下获得重复频率800 Hz、脉冲宽度150 s、 平均功率22.5 W的1319 nm偏振激光输出,光束质量因子Mx2= 1.35,My2=1.24. 腔内插入1319 nm的倍频晶体KTiOPO4,通过二次谐波效应使高强度的尖峰脉冲序列减弱,实现激光脉冲弛豫振荡的有效抑制. 精确控制标准具温度,实现激光波长从1318.888 nm精细调谐到1319.358 nm,调谐范围为470 pm(81 GHz),相应的调谐精度为0.7 pm(125 MHz).
应用双非简并四波混频理论研究原子的碰撞效应
孙江, 常晓阳, 张素恒, 熊志强
2016, 65 (15): 154206. doi: 10.7498/aps.65.154206
摘要 +
在已有实验的基础上,提出了由双光子共振非简并四波混频和碰撞再构非简并四波混频组成用于研究原子碰撞效应的双非简并四波混频理论. 分析了缓冲气压、温度、共振失谐和碰撞展宽系数对双非简并四波混频谱线的影响. 在由基态、中间态和激发态组成的级联三能级系统中,双非简并四波混频可同时研究碰撞引起的激发态谱线展宽和碰撞引起的中间态能级再分布现象. 与测量纵向驰豫碰撞展宽的传统实验方法不同,本文方法是一种纯光学的相干测量技术,可以同时测量激发态与基态间的横向驰豫20 和中间态与基态间的横向驰豫21 的碰撞展宽.
Ge-Sb-Se硫系玻璃拉曼增益特性研究
徐航, 彭雪峰, 戴世勋, 徐栋, 张培晴, 许银生, 李杏, 聂秋华
2016, 65 (15): 154207. doi: 10.7498/aps.65.154207
摘要 +
本文制备了As2S3,As2Se3,Ge20Sb15Se65和Ge28Sb12Se60(mol%)四种硫系玻璃,测试了样品的折射率、红外透过及拉曼光谱. 利用自发拉曼散射理论,并结合测量的拉曼光谱数据,通过将硫系玻璃与石英玻璃样品的拉曼光谱作对比的方法计算了四种硫系玻璃的拉曼增益系数gR. 结果表明:As2S3玻璃在340 cm-1拉曼频移处gR为6010-13 m/W,As2Se3玻璃在230 cm-1拉曼频移处gR为22310-13 m/W,与文献报道结果基本相符. 与传统光纤拉曼增益系数实验测定法相比,此方法为探索新型高拉曼增益的硫系玻璃组成提供了极大的便捷. 应用此方法,计算得出Ge20Sb15Se65和Ge28Sb12Se60玻璃在200 cm-1拉曼频移处的gR值分别为21510-13m/W和11110-13m/W. 以上结果表明,不含有毒As元素的Ge-Sb-Se硫系玻璃其增益系数可达普通石英玻璃的200倍以上,为环境友好型拉曼光纤激光器基质材料提供了一种全新的可能.
近零折射率材料的古斯汉欣位移的特性研究
陆志仁, 梁斌明, 丁俊伟, 陈家璧, 庄松林
2016, 65 (15): 154208. doi: 10.7498/aps.65.154208
摘要 +
古斯汉欣位移是一种特殊的光学现象,由于纳米光学的不断普及,古斯汉欣位移成为了一个极其有价值的研究. 本文采用以硅为介质柱周期排列的正方形的光子晶体,采用时域有限差分方法,研究了波长以及温度对于近零折射率材料中的古斯汉欣位移的影响. 研究表明,波长对于古斯汉欣位移的影响非常大,而温度对于古斯汉欣位移的影响比较小.
基于格子玻尔兹曼方法的一类FitzHugh-Nagumo系统仿真研究
何郁波, 唐先华, 林晓艳
2016, 65 (15): 154701. doi: 10.7498/aps.65.154701
摘要 +
格子玻尔兹曼方法在复杂的流体系统中得到了广泛的应用. 本文针对在高于阈值常电流刺激下神经元动作电位周期性振荡的FitzHugh-Nagumo系统,构造了一类带源项和修正项的仿真格子玻尔兹曼模型(LBM). 通过合理选择适当的局部平衡态分布函数和修正函数,再应用Chapman-Enskog多尺度分析,可以正确恢复出一类宏观非线性方程. 通过积分法得到了修正函数的构造方法,并分析了格子玻尔兹曼模型L稳定的充分条件. 利用网格相关性分析,本文所构造的模型具有二阶空间精度. 应用本文所提出的模型,仿真模拟了几个具有解析解的初边值系统,并与传统的改进有限差分格式(MFDM)进行了对比,结果表明本文模型所得的数值解与解析解吻合,其模拟误差小于MFDM. 此外,还针对不具有解析解的初边值系统进行了数值仿真,并与MFDM进行了对比. 数值结果 表明,两种计算格式的数值解比较吻合,进一步证明了本文所构造模型的有效性和稳定性.
气体、等离子体和放电物理
1064nm纳秒激光对熔石英元件后表面击穿的实验与数值研究
沈超, 程湘爱, 田野, 许中杰, 江天
2016, 65 (15): 155201. doi: 10.7498/aps.65.155201
摘要 +
对1064 nm纳秒激光辐照下熔石英元件后表面损伤过程进行了时间分辨诊断. 利用基于偏振原理的单发双帧阴影成像系统捕捉了脉冲上升沿开始到数百纳秒尺度内的瞬态材料响应,并结合剪切干涉成像系统分析了空气端等离子体微喷现象. 结果表明,损伤在脉冲上升沿就已经发生,此时空气端等离子体的膨胀速度高达20 km/s,同时材料内部也存在高速扩张的不透明损伤区域,但其扩张过程在脉冲结束后迅速停止;损伤发生后数十纳秒后,空气端出现大量中性物质喷发. 基于激光支持的固态吸收波前模型与相爆炸理论对这些现象进行了讨论. 对空气端等离子体扩张过程进行了数值模拟,结果表明空气端等离子体压强、温度与密度等参数值随延迟增加迅速下降,其瞬态压强最高达600 MPa;模拟结果还预测了向内扩张的内激波的形成. 研究结果对理解熔石英元件的损伤机理有重要意义.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

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强磁场对酞菁铁薄膜分子取向及形貌的影响
黄超, 刘凌云, 方军, 张文华, 王凯, 高品, 徐法强
2016, 65 (15): 156101. doi: 10.7498/aps.65.156101
摘要 +
有机半导体器件的性能在很大程度上受有机分子取向和堆积方式的影响,研究调控有机分子取向的方法对优化器件性能有重要意义. 在强磁场(8.5 T)下使用有机分子束沉积方法在Si(111)衬底上制备了酞菁铁薄膜. 应用X射线衍射、角分辨近边X射线吸收精细结构、偏振激光拉曼光谱、原子力显微镜等技术研究了磁场对酞菁铁薄膜的分子取向和形貌的影响. 结果表明,酞菁铁分子相对于衬底呈侧立构型并形成相的薄膜. 在强磁场作用下,分子平面与衬底的夹角由63.6增大为67.1,形成薄膜的结晶度明显提高,晶粒更加均匀,在衬底上的分布更加有序.
基于第一性原理计算Rh含量对Ir-Rh合金力学性能的影响
潘新东, 魏燕, 蔡宏中, 祁小红, 郑旭, 胡昌义, 张诩翔
2016, 65 (15): 156201. doi: 10.7498/aps.65.156201
摘要 +
采用密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,基于虚拟晶体势函数近似,通过计算Ir-xRh(x=0,5,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100)合金的弹性常数、体积模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比等力学常数、电荷密度和能态密度,研究Rh含量对Ir-Rh合金力学性能的影响. 通过实验对计算结果加以验证,证明将虚晶近似法运用在Ir-Rh合金力学性能的计算中是合理的. 研究结果表明,Ir-Rh合金的强度和硬度随Rh含量的升高迅速增大,在Ir-10 Rh 处达到最大值后快速下降到Ir-40 Rh处后先缓慢上升再缓慢下降. Rh的添加会引起材料脆化,其脆性大小随着Rh含量的升高先增大后减小,在Ir-50 Rh处达到最大值. 另外,计算了纯Ir,Ir-10 Rh,Ir-50 Rh、纯Rh的电荷密度、Ir和Rh的差分电荷密度以及能态密度,结果表明在铱铑合金中存在一种伪共价键,从而导致其力学性质的异常.
CuGaTe2和CuInTe2的电子和热电性质的第一性原理研究
薛丽, 任一鸣
2016, 65 (15): 156301. doi: 10.7498/aps.65.156301
摘要 +
热电材料是通过载流子作用实现热能和电能直接转换的功能材料,在能源、环境、国防等领域具有重要应用. 如何提高材料的转换效率是目前热电材料研究的关键. 最近发现,三元黄铜矿I-III-IV2(I=Ag,Cu;III=Al,Ga,In;IV=S,Se,Te)是一类潜在的高性能热电材料,其结构独特,可通过多种途径优化其性能. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究CuGaTe2和CuInTe2的电子特性,为提高其热电效率提供新思路. 研究发现改进的Becke Johnson-广义梯度近似比广义梯度近似交换关联近似计算的能隙值更接近实验值. 基于玻尔兹曼理论研究了体系热电性质,发现通过优化载流子的浓度可以改善体系的热电性. 通过拟合计算的晶格热导率发现,在300-800 K,CuGaTe2和CuInTe2的晶格热导率和温度成反比,表明其晶格热导率主要来源于声子散射,并且声子散射又是以Umklapp散射为主. CuGaTe2在700 K的热电优值ZT 可以达到0.63,远大于其他Te类材料的ZT值.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Ti掺杂ZnO光电性能的第一性原理研究
曲灵丰, 侯清玉, 许镇潮, 赵春旺
2016, 65 (15): 157201. doi: 10.7498/aps.65.157201
摘要 +
在掺杂量为1.04 at%-1.39 at%的范围内,Ti掺杂ZnO体系吸收光谱分布和电导率的实验结果存在争议均有文献报道,但是,迄今为止,对此未有合理的理论解释. 为了解决存在的争议,本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波超软赝势GGA+U的方法,用第一性原理构建了两种不同掺杂量Zn0.9792Ti0.0208O和Zn0.9722Ti0.0278O超胞模型. 所有模型在几何结构优化的基础上,对能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布进行了计算. 计算结果表明:在本文限定的掺杂量范围内,Ti掺杂量越增加,掺杂体系体积越增加,体系总能量越升高,体系稳定性越下降,形成能越升高,掺杂越难,掺杂体系布居值减小,Ti-O 键长变长,共价键减弱,离子键增强,所有掺杂体系均转化为n型化简并半导体;掺杂体系带隙越变宽,吸收光谱蓝移越显著,电子有效质量越增加,电子浓度越增加,电子迁移率越减小,电子电导率越减小,掺杂体系导电性能越差. 计算结果与实验结果相符合. 对存在的问题进行了合理的理论解释. 对Ti掺杂ZnO光电功能材料的设计和制备有一定的理论指导作用.
双势垒抛物势阱磁性隧道结隧穿磁阻及自旋输运性质的研究
黄政, 龙超云, 周勋, 徐明
2016, 65 (15): 157301. doi: 10.7498/aps.65.157301
摘要 +
采用相干量子输运理论和传递矩阵的方法,在抛物势阱磁性隧道结(F/PW/F)的铁磁和半导体势阱间插入另一种半导体作为势垒,构造具有双势垒的抛物势阱磁性隧道结作为研究对象,研究了抛物势阱宽度、自旋轨道耦合效应、角度效应及插入势垒厚度对隧穿磁阻及自旋输运性质的影响. 计算结果表明,通过适当调节Rashba自旋轨道耦合强度和插入势垒的厚度,可以实现隧穿磁阻(TMR)的调制,能获得较大的TMR值,这些特点有助于促进新型磁性隧道结的开发和应用.
Pd负载共价有机骨架COF-108上氢溢流机理的密度泛函理论研究
刘秀英, 李晓凤, 于景新, 李晓东
2016, 65 (15): 157302. doi: 10.7498/aps.65.157302
摘要 +
使用密度泛函理论研究了Pd负载共价有机骨架COF-108上的氢溢流机理,主要包括Pd4 团簇在COF-108上的各种沉积构型,H2分子在Pd4@COF-108中Pd4团簇上的吸附和解离,H原子从Pd4团簇向COF-108上的迁移以及H原子在COF-108表面的扩散. 研究结果表明:1)Pd原子与HHTP或TBPM接触的数目越多,束缚能越大,沉积取向对束缚能的影响不大;2)H2 分子在Pd4团簇上的解离过程是自动进行的,满足氢溢流发生的条件;3)只有位于Pd4 团簇桥位上的H原子能够迁移到基底表面上,迁移过程为吸热反应,稳定性较差,这表明H原子将在基底表面进一步扩散;4)过渡金属Pd的引入可大大降低H原子在基底表面的扩散势垒,使H原子在基底表面的扩散更容易进行. 这些研究结果有助于理解氢溢流对COFs储氢性能影响的微观机理,进而为实验上定向制备性能优异的COFs基底材料提供有益指导.
CdxZn1-xO合金热力学性质的第一性原理研究
罗明海, 黎明锴, 朱家昆, 黄忠兵, 杨辉, 何云斌
2016, 65 (15): 157303. doi: 10.7498/aps.65.157303
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ZnO的能带工程是当前ZnO研究的热点之一. 通过等价阳离子如Cd,Be,Mg等部分取代Zn形成CdZnO,BeZnO,MgZnO等合金来调控ZnO带隙的研究已广泛开展. 其中,Cd的掺杂可以减小ZnO的禁带宽度,使CdZnO合金在紫外-可见光波段光电器件中具有潜在的应用价值. 本文利用第一性原理计算结合集团展开法,通过研究纤锌矿(WZ)和岩盐矿(RS)型CdxZn1-xO合金不同Cd掺杂含量下各种构型的形成能,发现了纤锌矿结构的两种亚稳相Cd1/3Zn2/3O,Cd2/3Zn1/3O;对其晶格常数、键长、键角和电子结构的分析表明,随着Cd掺杂量的增大,晶格常数a,c均逐渐增大,而c/a值逐渐减小,O-Zn(Cd)-O键角及合金禁带宽度均逐渐减小. 通过对CdxZn1-xO合金的有效集团交互系数的分析得出,两个原子组成的集团中其有效集团交互系数最大,表明两原子集团对用集团展开法计算的形成能贡献最大. 通过比较第一性原理计算的形成能和集团展开法拟合计算得到的形成能,发现两者相差很小,表明采用集团展开法拟合计算CdxZn1-xO合金的形成能准确、可靠. 通过对大量CdxZn1-xO合金的形成能分析发现,大部分CdxZn1-xO的形成能比同组分的ZnO 与CdO混合相的能量高,表明ZnO和CdO互溶时会形成固溶度间隙,低温下难以实现全组分固溶. 在此基础上,我们计算了WZ-和RS-CdxZn1-xO随机合金的形成能并得到了相图. 对于纤锌矿结构,其临界温度为1000 K;对于岩盐矿结构,其临界温度为2250 K. 更高的临界温度表明CdxZn1-xO难以形成岩盐矿结构的合金. 进一步计算获得WZ-和RS-CdxZn1-xO的两相相图,发现Cd较易固溶于WZ-ZnO中,而Zn较难固溶于RS-CdO中.
二维复式晶格磁振子晶体的带隙结构
刘艳玲, 刘文静, 包佳美, 曹永军
2016, 65 (15): 157501. doi: 10.7498/aps.65.157501
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提出了一种复式晶格磁振子晶体的模型,该模型由两种铁磁材料散射体周期排列在另一种铁磁材料基底中构成. 应用超原胞的思想拓展了平面波展开法,用于数值计算研究自旋波在复式晶格磁振子晶体中的本征性质. 本文数值计算了由两种大小不同的铁(Fe)-铁(Fe)圆柱体交替正方排列在氧化铕(EuO)基底材料中构成的二维复式晶格磁振子晶体的带结构,研究了带隙宽度随体积填充率的变化行为,并与同一铁(Fe)圆柱正方排列在氧化铕(EuO)基底材料中构成的简单晶格磁振子晶体的带隙结构随体积填充率的变化行为进行了比较. 结果表明,利用复式晶格可以优化或调节自旋波带隙的宽度和频率位置.
辐射致折射率变化用于MeV级脉冲辐射探测的初步研究
彭博栋, 宋岩, 盛亮, 王培伟, 黑东炜, 赵军, 李阳, 张美, 李奎念
2016, 65 (15): 157801. doi: 10.7498/aps.65.157801
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MeV级脉冲辐射的高时间分辨测量是惯性约束核聚变诊断领域迫切需要解决的难题,国际上尚无成熟的解决方案. 利用脉冲辐射对半导体折射率的超快调制效应,有望建立新的解决方案. 为研究体材料半导体折射率对MeV级脉冲辐射的响应规律,分析了系统输出与入射辐射强度的对应关系,分析了基于半导体折射率变化测量MeV级脉冲辐射系统的时间分辨的影响因素. 基于自由载流子折射率调制原理,建立了半导体材料在MeV级脉冲辐射作用下折射率调制测量系统,整个系统的时间分辨1 ns. 在最大能量为0.2 MeV的电子束和X射线束轰击下,本征GaAs折射率恢复时间约30 ns,比可见光激发下要长,分析其原因是高能激发下GaAs内部陷阱参与了载流子复合过程. X射线光子束轰击下,折射率建立时间比电子束轰击下长,光子沉积能量产生过剩载流子的时间过程可达到ns量级. 基于建立的系统和分析方法,可对其他半导体在伽马脉冲辐射或电子束辐射作用下折射率变化开展系统的研究,为建立实际的可用于MeV级脉冲辐射测量的快响应探测系统奠定了基础.
2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩在Cu(100)上的吸附生长以及能级结构演化
张宇河, 牛冬梅, 吕路, 谢海鹏, 朱孟龙, 张红, 刘鹏, 曹宁通, 高永立
2016, 65 (15): 157901. doi: 10.7498/aps.65.157901
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结合紫外光电子能谱(UPS),X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)和掠入射X 射线衍射谱(GIXRD)等实验手段,系统研究了2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩在Cu(100)基底上的吸附、生长过程以及界面能级结构. 发现第一层的分子平躺吸附于Cu(100)上形成稳定的物理吸附. 随膜厚增加,分子取向转为直立于薄膜平面,生长模式转为岛状生长模式. 分子取向的变化导致大于16 薄膜的能级结构发生变化. 直立取向的分子在表面形成由内向外的电偶极层,引起真空能级下降,功函数降低;而轨道电离的各向异性使得分子从平躺到直立时UPS得到的分子最高占据轨道(HOMO)峰型发生变化,且HOMO起始边向深结合能端移动. 整体上随着膜厚的增加,真空能级向下弯曲,HOMO下移,电离能则先减小后增大. 下移的能带结构利于电子从界面向表面的迁移以及空穴从表面向界面的迁移.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
三元等原子比Fe33.3Cu33.3Sn33.3合金的快速凝固机理与室温组织磁性研究
夏瑱超, 王伟丽, 罗盛宝, 魏炳波
2016, 65 (15): 158101. doi: 10.7498/aps.65.158101
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采用自由落体和熔体急冷两种实验技术实现了三元等原子比Fe33.3Cu33.3Sn33.3合金的快速凝固,研究了其组织形成机理和室温磁性特征. 实验发现,合金熔体在不同快速凝固条件下都没有发生液相分离,其室温组织均由初生Fe相枝晶以及Cu3Sn和Cu6Sn5二个包晶相组成. 计算表明,落管中合金液滴的表面冷却速率和过冷度分别达1.3105 Ks-1和283 K(0.19 TL). 当表面冷却速率增大至3.3103 Ks-1,初生Fe相发生由粗大枝晶向碎断枝晶的演化. 急冷快速凝固过程中,初生Fe相凝固组织沿辊面向自由面方向形成细晶区和粗晶区,其中细晶区以粒状晶为特征而粗晶区存在具有二次分枝的树枝晶. 随着表面冷却速率由8.9106增大至2.7107 Ks-1,Fe相平均晶粒尺寸显著减小,合金条带的矫顽力增大一倍多.
绝缘栅双极型晶体管感性负载关断下电压变化率的建模与仿真研究
谭骥, 朱阳军, 卢烁今, 田晓丽, 滕渊, 杨飞, 张广银, 沈千行
2016, 65 (15): 158501. doi: 10.7498/aps.65.158501
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绝缘栅双极型晶体管(IGBT)多用于感性负载下的电力电子线路中. 这导致了在器件关断过程中集电极电压上升阶段时集电极电流仍然保持在额定电流值,从而造成大量的能量损耗. 集电极电压的上升过程可以看作是栅极电流对集电极与栅极之间的电容(即米勒电容)充电的过程. 本文提出一种解析模型,通过计算米勒电容值随时间的变化来预测IGBT在关断过程中集电极电压值的变化. 在对米勒电容的计算上,不仅考虑了电容值与其端电压之间的依赖关系,同时也考虑到关断过程中耗尽区存在的大量载流子对电容值的影响,使得模型更加准确. 最后,运用数值计算仿真软件对绝缘栅双极型晶体管的关断过程进行了模拟,对本文提出的模型进行了验证. 仿真结果与模型计算结果显示出良好的一致性.
条纹变像管时间畸变的分析
惠丹丹, 田进寿, 卢裕, 王俊锋, 温文龙, 梁玲亮, 陈琳
2016, 65 (15): 158502. doi: 10.7498/aps.65.158502
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应用于惯性约束核聚变和非扫描式激光雷达等的条纹变像管要求具有较大的探测面积,条纹变像管的探测面积越大,其时间畸变就越大,从而影响条纹相机的探测精度,且会导致荧光屏上成像畸变. 本文计算了条纹变像管内部的电场分布,并追踪电子运行轨迹,对条纹变像管的时间畸变进行了分析. 结果表明:造成条纹变像管时间畸变较大的区域是阴极到偏转板前的部分;其主要影响因素是阴极曲率半径,且阴极曲率半径存在一个最佳值使得条纹变像管的时间畸变最小,大于该最佳值,条纹变像管会产生正的时间畸变,反之,条纹变像管会产生负的时间畸变;时间畸变的绝对值随着光电子从阴极发射的初始高度的增大而增大;光电子初始能量对条纹变像管的时间畸变的影响很小. 同时,模拟了不同阴极曲率半径下由于时间畸变不同导致的动态扫描狭缝像的弯曲情况,时间畸变越小,狭缝像弯曲程度越小.

编辑推荐

基于氨基酸位置特异性的蛋白质Loop区结构预测改进方法
袁飞, 张传彪, 周昕, 黎明
2016, 65 (15): 158701. doi: 10.7498/aps.65.158701
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蛋白质loop区的结构预测是理解蛋白质功能的重要一环,而长loop区的结构预测至今还是生物信息学中的难题. 目前已经出现了多种loop结构的算法,其中LEAP是预测精度最高的算法之一,但它在长loop区初始主链构象采样上仍有较大的改进余地. 本文中我们将蛋白质二级结构预测算法SPINE X与LEAP算法结合起来,构建了新的主链扭转角分布图(拉氏图),在主链初始构象采样中引入氨基酸在蛋白序列中的位置特异性信息,使得初始构象的采样更具针对性. 对取自CASP10单链蛋白的loop测试集的分析表明,对长度为10,11,12个氨基酸的长loop区,改进后算法都比原始LEAP算法的预测精度有显著提升. 这种引入氨基酸位置特异性从而提高预测精度的思路有望进一步推广至loop结构预测的其他算法.
基于用户行为的微博网络信息扩散模型
刘红丽, 黄雅丽, 罗春海, 胡海波
2016, 65 (15): 158901. doi: 10.7498/aps.65.158901
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利用新浪微博数据对用户行为进行分析,在此基础上构建了基于用户行为的微博网络信息扩散模型SIRUB,同时计算了模型中各用户阅读微博和转发微博的概率. 在微博网络中的实验表明,只有同时考虑阅读和转发概率时模型才能较准确地预测用户的转发行为. SIRUB模型对用户转发行为预测的F-score最高为0.228,高于经典SIR模型和SICR模型,此外该模型对微博扩散范围的预测其误差的均值和标准差也均小于SIR模型和SICR模型.