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Vol. 65, No. 16 (2016)

2016年08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 综述
综述
物理学交叉学科及有关科学技术领域
总论
单层二硫化钼纳米带弛豫性能的分子动力学研究
王卫东, 李龙龙, 杨晨光, 李明林
2016, 65 (16): 160201. doi: 10.7498/aps.65.160201
摘要 +
采用分子动力学方法,基于REBO势函数研究了不同长宽比的单层二硫化钼纳米带在不同热力学温度(0.01-1600 K)条件下的弛豫性能. 对弛豫过程中纳米带的能量变化和表面起伏程度进行了分析对比,研究了单层二硫化钼纳米带自由弛豫的动态平衡过程. 仿真结果显示:理想温度(0.01 K)条件下,分子动能较低,振动振幅较小,并不足以使纳米带产生起伏现象;但在室温或高温条件下时,纳米带的边缘及内部均会出现一定程度的起伏;随着体系温度的升高以及纳米带长宽比的增加,起伏程度也会增大. 最后,讨论了不同热力学温度条件下,手性对纳米带驰豫性能的影响. 研究结果表明,不同于扶手椅型纳米带,锯齿型纳米带不仅会出现垂直于纳米带表面的起伏和弯曲,同时还会在纳米带面内出现明显的沿着宽度方向的弯曲现象.
Carlson与任意阶分数微积分算子的有理逼近
何秋燕, 袁晓
2016, 65 (16): 160202. doi: 10.7498/aps.65.160202
摘要 +
将针对1/n阶微积分算子有理逼近的经典Carlson正则牛顿迭代法拓展到任意阶分数微积分算子的有理逼近. 为了构造一个有理函数序列收敛于无理的分数微积分算子函数,将分数微积分算子有理逼近问题转换为二项方程的算术根代数迭代求解. 并引入预矫正函数,使用牛顿迭代公式求解算术根,获得任意阶分数微积分算子的有理逼近阻抗函数. 对n从2到5变化的九种不同运算阶,针对特定的运算阶,选择八种不同的初始阻抗,通过研究阻抗函数的零极点分布和频域特征,分析阻抗函数是否同时满足计算有理性、正实性原理和运算有效性. 证明对任意的运算阶,在选择合适的初始阻抗的情况下,阻抗函数具有物理可实现性,在一定频率范围内具有分数微积分算子的运算特性. Carlson正则牛顿迭代法的推广为进一步的理论研究和构造任意分数阶电路与系统提供一种新思路.
基于量子图态的量子秘密共享
梁建武, 程资, 石金晶, 郭迎
2016, 65 (16): 160301. doi: 10.7498/aps.65.160301
摘要 +
本文基于量子图态的几何结构特征,利用生成矩阵分割法,提出了一种量子秘密共享方案. 利用量子图态基本物理性质中的稳定子实现信息转移的模式、秘密信息的可扩展性以及新型的组恢复协议,为安全的秘密共享协议提供了多重保障. 更重要的是,方案针对生成矩阵的循环周期问题和因某些元素不存在本原元而不能构造生成矩阵的问题提出了有效的解决方案. 在该方案中,利用经典信息与量子信息的对应关系提取经典信息,分发者根据矩阵分割理论获得子秘密集,然后将子秘密通过酉操作编码到量子图态中,并分发给参与者,最后依据该文提出的组恢复协议及图态相关理论得到秘密信息. 理论分析表明,该方案具有较好的安全性及信息的可扩展性,适用于量子网络通信中的秘密共享,保护秘密数据并防止泄露.

编辑推荐

广义Fibonacci时间准周期量子行走波包扩散的动力学特性
王文娟, 童培庆
2016, 65 (16): 160501. doi: 10.7498/aps.65.160501
摘要 +
本文通过数值计算的方法研究了一维离散时间准周期量子行走的动力学特性,主要研究了两个自旋空间C算符按照广义Fibonacci准周期排列的量子行走,发现对两类广义Fibonacci准周期序列,波包扩散都是超扩散(即标准方差约为t,0.5 1),而且在给定的两个C算符下,第二类广义Fibonacci准周期序列的幂指数 大于第一类广义Fibonacci准周期序列. 通过对波包扩散的概率分布情形和标准方差的研究发现,第一类广义Fibonacci准周期序列的波包扩散更接近于经典随机行走(=0.5),而第二类广义Fibonacci准周期序列的波包扩散更接近于均匀量子行走(=1),这与两类广义Fibonacci准周期量子自旋链中量子相变时的特性相反.
非线性阻尼驱动的莱维飞行动力学性质
刘剑, 陈晓白, 徐登辉, 李熊, 陈晓松, 杨波
2016, 65 (16): 160502. doi: 10.7498/aps.65.160502
摘要 +
基于动力学连续时间无规行走方法,对受非线性阻尼驱动的莱维飞行在自由势场以及周期势场中的扩散行为进行了研究. 非线性阻尼取代斯托克斯阻尼,通过动力学连续时间无规行走方法体现在莱维随机行走粒子的每一步跳跃中. 结果显示,非线性阻尼的强阻尼耗散作用导致莱维飞行的超扩散行为衰减为正常扩散,粒子速度定态分布呈现双峰与单峰的相互转化. 周期势场的束缚作用会导致粒子扩散达到一个稳定态,而莱维粒子自身性质会使粒子存在极小概率跃出周期势阱的跳跃行为,表现为方均位移随时间的演化出现跃迁现象.
基于主特征提取的Retinex多谱段图像增强
李红, 吴炜, 杨晓敏, 严斌宇, 刘凯, Gwanggil Jeon
2016, 65 (16): 160701. doi: 10.7498/aps.65.160701
摘要 +
根据Retinex视觉模型中照射分量和反射分量的统计特性,融合多尺度主特征提取法、平台直方图算法、非局部均值滤波及局部细节增强算法可对多谱段图像进行有效增强. 首先利用多尺度主特征提取法估计照射分量,对照射分量进行平台直方图操作,增强全局对比度及图像主结构边缘细节;然后将原图与照射分量相除获取反射分量,对反射分量进行非局部均值滤波抑制噪声,再进行基于局部方差的局部细节增强;最后将增强后的照射分量与反射分量相乘,即为增强图像. 从主观和客观两方面,对X光图像、紫外图像、可见光图像、低照度可见光图像和红外图像实验结果的分析表明,本文算法能够有效地抑制图像噪声、增强图像对比度及细节、改善图像视觉效果,是一种通用有效的多谱段图像增强算法.
原子和分子物理学
SO分子最低两个电子态振-转谱的显关联多参考组态相互作用计算
魏长立, 梁桂颖, 刘晓婷, 颜培源, 闫冰
2016, 65 (16): 163101. doi: 10.7498/aps.65.163101
摘要 +
采用显关联多参考组态相互作用(explicitly correlated multi-reference configuration interaction method,MRCI-F12)方法和相关一致基组cc-pCVQZ-F12计算了双原子分子SO的基态X3Σ-和第一激发态a1Δ的势能曲线,研究中考虑了Davidson 修正,芯-价电子关联 修正和标量相对论效应. 通过对这两个束缚电子态势能曲线的拟合,给出了光谱常数并与其他理论和实验结果做了比较. 进一步地,获得了这两个态的振- 转能级信息. 本文计算结果与实验的相对误差仅在千分之一量级,对将来的实验有重要的参考价值;同时也表明MRCI-F12方法可推广到小分子体系势能面的高效、精确计算研究中.
自由基分子BeH外电场特性
徐梅, 令狐荣锋, 支启军, 杨向东, 吴位巍
2016, 65 (16): 163102. doi: 10.7498/aps.65.163102
摘要 +
本文采用量子力学从头算方法,运用密度泛函B3LYP 方法在6-311G 基组水平上对不同外加电场(-0:02—0.02 a.u.)下自由基分子BeH 基态的稳定电子结构进行了计算,研究了外电场对BeH 分子键长、能量、电荷分布、能级分布、能隙及红外光谱的影响规律. 结果表明,随着H→Be 方向外电场的增加,分子键长、原子电荷值、偶极矩以及红外强度递减;而能量、能隙和振动频率递增. 另外,随着反向电场(Be→H)的增加,能量较大幅度升高.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于多开口田字形宽频带低损耗左手材料
吴良威, 张正平
2016, 65 (16): 164101. doi: 10.7498/aps.65.164101
摘要 +
提出了一种基于多开口田字形单元结构实现材料左手特性的设计方案. 该结构是在介质基板单侧集成电、磁谐振器形成左手单元. 通过理论分析、软件仿真、加工测试、提取有效电磁参数,结果表明该结构在12.7-21.1 GHz范围内具有双负特性(等效介电常数εμ <0),基本覆盖Ku波段,绝对带宽可达8.4 GHz,单元损耗低于0.3 dB. 同传统的左手材料相比,该结构以更小的单元尺寸,更低的损耗实现了更宽的左手频带,为宽频带、低损耗微波左手材料的设计及广泛应用提供了重要参考.

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自旋-轨道耦合下冷原子的双反射
黄珍, 曾文, 古艺, 刘利, 周鲁, 张卫平
2016, 65 (16): 164201. doi: 10.7498/aps.65.164201
摘要 +
随着中性冷原子气体的人造自旋-轨道耦合的实验实现,近年来人们开始关注与之相关的可能应用,其中包括自旋-轨道耦合下原子反射镜的研究. 本文在前人研究的基础上,考虑一束自旋-轨道耦合的冷原子气体入射到有限高势垒的情形,通过将部分反射和全反射情况进行对比,发现了与之前研究不同的性质. 我们发现,在全反射条件下,反射原子的极化率随入射角变化较大,而随自旋-轨道耦合强度和原子入射能量的变化较小. 但在发生部分反射的情况下,反射原子的极化率不仅随入射角变化较大,随自旋-轨道耦合强度和原子的入射能量变化也十分明显. 我们仔细研究了自旋-轨道耦合原子气体的反射性质并讨论了其可能的应用.
LCR分流电路下压电声子晶体智能材料的带隙
唐一璠, 林书玉
2016, 65 (16): 164202. doi: 10.7498/aps.65.164202
摘要 +
将带有LCR分流电路的压电陶瓷片对贴在铝和环氧树脂组成的声子晶体结构中. 使智能材料的机械振动与压电陶瓷的压电效应耦合起来,推导出机械振动在压电陶瓷片上的等效附加应力;使LCR分流电路中的电磁振荡效应和声子晶体的能带特性有机结合,计算了在分流电路作用下智能材料扭转和弯曲振动的带隙特性,研究了电阻、电感、电容元件的改变对压电声子晶体智能材料带隙的影响. 研究结果表明:在合理尺寸下,随着分流电路中电阻值的增大,带隙的频率范围变宽,但衰减幅值有所降低;电感和电容值的增大都可以使带隙向低频移动,带隙的衰减幅值随着电感值的增大而升高,但随着电容值的增大而降低. 从而给压电声子晶体智能材料减震降噪的控制提供了一种新思路.
高功率、高效率808nm半导体激光器阵列
王贞福, 杨国文, 吴建耀, 宋克昌, 李秀山, 宋云菲
2016, 65 (16): 164203. doi: 10.7498/aps.65.164203
摘要 +
通过设计高效率808 nm非对称宽波导外延结构,减少P型波导层和包层的自由载流子光吸收,实现腔内光吸收损耗为0.63 cm -1. 制备的808 nm半导体激光器阵列在室温25 ℃下,实现驱动电流135 A,工作电压1.76 V,连续输出功率大于150 W,斜率效率高达1.25 W/A,中心波长809.3 nm,器件最高电光转换效率为65.5%,这是目前国内报道的808 nm半导体激光器阵列的最高电光转换效率,达到国际同类器件最好水平.
可变偏振光注入下1550nm垂直腔面发射激光器的偏振开关及双稳特性
陈俊, 陈建军, 吴正茂, 蒋波, 夏光琼
2016, 65 (16): 164204. doi: 10.7498/aps.65.164204
摘要 +
基于自旋反转模型,研究了可变偏振光注入1550 nm垂直腔面发射激光器(VPOI-1550 nm-VCSEL)的偏振开关(PS)及双稳(PB)特性. 研究结果表明:对于一自由运行的1550 nm-VCSEL,在给定电流下,激光器中的平行偏振模式(Y偏振模式)激射,而正交偏振模式(X偏振模式)被抑制. 引入可变偏振光注入后,在给定频率失谐Δν(定义为注入光与X偏振模式之间的频率差异)的条件下,当注入光偏振角θp(定义为注入光的偏振方向与自由运行1550 nm-VCSEL中主导偏振模式的夹角)足够大时,正向扫描(逐渐增加)注入光功率可观察到1550 nm-VCSEL发生I类PS,反向扫描(逐渐减小)注入光功率可使1550 nm-VCSEL产生II类PS,且两类PS 的开关点要求的注入功率不一致,即出现PB现象. 对于一确定的频率失谐Δν,随着θp的增加,I类、II类PS开关点对应的注入功率以及PB区宽度都呈现减小的趋势,且|Δν|值越大,尽管I类PS的开关点所需注入功率更大,但PB区域更宽;在给定注入功率,对于特定Δν ,通过正向及反向扫描θp也可观察到VPOI-1550 nm-VCSEL输出功率呈现的PS以及PB现象. 当|Δν| 较小时,发生I类和II 类PS所要求的θp近似相同,因此PB区宽度较窄,而当|Δν|较大时,发生两类PS 所需的θp以及PB宽度随Δν 的变化曲线均呈现较大波动. 因此,在1550 nm-VCSEL 工作参数给定的条件下,通过调节可变偏振光注入的注入参量,可优化1550 nm-VCSEL 呈现的PS及PB特性.
水下目标声散射信号的时频域盲抽取
杨阳, 李秀坤
2016, 65 (16): 164301. doi: 10.7498/aps.65.164301
摘要 +
目标声散射机理及其散射特性为识别目标的物理依据. 针对水下目标声散射成分在 时-频域存在相互混叠干扰,造成目标弹性声散射特征不稳定的问题,提出一种适合在欠定问题下分离目标声散射成分的时频域盲抽取方法. 研究声散射成分的时频特征差异,构造目标回波单源自项的空间时频分布矩阵,通过对其进行特征值分解抽取相应的声散射成分,建立描述目标声散射物理特性的信号模型. 抽取出的目标各弹性波分量与以表面环绕波产生理论计算结果相符. 仿真与消声水池实验数据处理结果表明,该算法可以分离出目标回波的各个声散射成分,提高了分离信号的输出信噪比,为水下目标识别提供稳定和可靠的特征.
大深度接收时深海直达波区的复声强及声线到达角估计
孙梅, 周士弘
2016, 65 (16): 164302. doi: 10.7498/aps.65.164302
摘要 +
基于射线模型给出了质点水平振速、垂直振速及复声强的表达式. 结合深海直达波区的声线到达结构,分析了大深度接收时深海直达波区复声强的特点,理论分析与仿真结果表明,利用声场中不同组声线的复声强可以估计声线到达接收点的掠射角. 根据在2014年进行的一次深海实验中布放在3146 m深处的矢量水听器获取的实验信号,利用直达波和海面反射波的复声强估计了直达声线与海面反射声线到达接收矢量水听器处的掠射角,结果表明,估计的声线到达角与理论计算结果基本一致.
量子热声微循环的优化性能
舒安庆, 吴锋
2016, 65 (16): 164303. doi: 10.7498/aps.65.164303
摘要 +
热声技术以无运动部件和采用与环境友好的工质这两个突出特点,催生着动力和机械装置的重大变革. 量子力学是揭示微观世界本质规律的有力工具,为了揭示热声微循环的本质规律,根据量子力学基本原理对量子热声微循环的优化性能进行了较深入的研究. 把热声微团看作是许多服从量子力学规律的热声子,建立了热声微循环的量子力学理论模型. 借助于二能级谐振子系统薛定谔方程的能量解以及Gibbs热平衡概率分布导出了量子热声微循环输出功率、热效率以及临界温度梯度的解析表达式,得到了无量纲输出功率和热效率的优化关系. 量子热声微循环输出功率关于热效率、高温端温度和低温端温度都存在极大值. 所得结果不但为热声理论提供了一个新的研究方法,而且拓宽了量子热力学的应用领域.
不确定海洋环境中基于贝叶斯理论的声源运动参数估计方法
李倩倩, 阳凡林, 张凯, 郑炳祥
2016, 65 (16): 164304. doi: 10.7498/aps.65.164304
摘要 +
环境参数失配导致定位性能大幅度下降是匹配场定位所面临的难题之一. 应用贝叶斯理论对环境聚焦,是当前解决该难题的研究热点. 环境聚焦方法的实质是将未知环境参数和声源位置联合优化估计. 然而,运动声源的位置时变性限制了观测时间长度和观测信息量,因此不得不利用很有限的观测信息来实现众多参数的估计. 当航速较快或是环境信息的不确定性较大时,环境聚焦方法的效果迅速变差. 借鉴卡尔曼滤波处理非平稳过程的参数估计思想,对航速较恒定的声源,本文将多个时刻的接收信号同时反演,引入能够描述声源位置随时间变化规律的时不变参数,以较少的时不变参数间接反演多个声源位置,从而有效降低待估参数维数. 同时将当前估计结果作为下一次反演的先验信息,建立新的先验分布和代价函数,有效补偿个别异常数据,实现运动声源的连续定位. 该方法在相同的环境不确定条件下,大幅度增加了观测时间和观测信息量,可以较好地改善环境聚焦方法的定位效果.
气体、等离子体和放电物理

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基于移位双光栅色散元件的X射线谱仪研制
易涛, 王传珂, 杨进文, 朱效立, 谢常青, 刘慎业
2016, 65 (16): 165201. doi: 10.7498/aps.65.165201
摘要 +
本文针对激光等离子体X射线诊断的需求,设计开发了移位双光栅X射线谱仪. 该谱仪采用高线对密度和低线对密度的两种光栅组成移位双光栅作为核心衍射组件,高密度光栅能够提高中、高能区(1000-5000 eV)的能谱分辨率,低密度光栅足够满足低能区(100-1000 eV)测量的能谱分辨率要求,控制了低能区谱线的分布空间,保证足够的测量范围. 两种光栅相互配合实现了谱仪整体性能提升. 本文提出了移位双光栅X射线谱仪结构设计方法和参数指标,完成了移位双光栅X射线谱仪的集成调试和实验应用,获得了时间分辨的X光谱实验数据,测谱范围0.1-5.0 keV,谱分辨0.04 nm,时间分辨好于30 ps. 移位双光栅X射线谱仪可以最大程度地利用记录面的长度,实现高时间分辨和宽谱X射线测量.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
连铸低碳钢一次枝晶演变数值模拟及其受力分析
左晓静, 孟祥宁, 黄烁, 王鑫, 朱苗勇
2016, 65 (16): 166101. doi: 10.7498/aps.65.166101
摘要 +
连铸坯初始凝固坯壳一次枝晶生长过程中受力冲击是导致其不均匀生长的重要原因. 本文采用元胞自动机法模拟连铸低碳钢(Fe-0.6 wt.%C)方坯初始凝固一次枝晶生长演变,并基于材料力学理论简化其为悬臂梁,计算实际浇铸熔体冲击下一次枝晶受力. 研究表明,2-10 K 过冷度范围,枝晶尖端溶质浓度随过冷度增加稳步提升,过冷度每升高2 K,尖端最大浓度增加约0.07%. 过冷度2-6 K范围,枝晶臂长度随过冷度上升显著增加;6-10 K范围,枝晶臂长度增幅稳定,生长速率约为0.08 mms-1. 枝晶间熔体流速0.13-0.33 ms-1时,过冷度增加使枝晶臂根部受力减轻,而恒定过冷度时根部受力则随一次枝晶长大持续增加. 过冷度低于6 K或一次枝晶生长1 s 后,枝晶臂根部弯曲应力均超过临界断裂强度,极易诱发断裂而形成初始缺陷.
平板冲击下氧化铝陶瓷弹性前驱波衰减的细观机理
冯晓伟, 李俊承, 王洪波, 常敬臻
2016, 65 (16): 166201. doi: 10.7498/aps.65.166201
摘要 +
利用一级轻气炮开展了不同厚度氧化铝陶瓷样品的平板冲击压缩实验,并借助激光速度干涉仪(VISAR)测试了样品的自由面速度历程. 根据自由面速度历程确定了不同厚度氧化铝陶瓷样品的Hugoniot弹性极限值,结果显示,冲击压缩下氧化铝陶瓷中存在弹性前驱波衰减现象. 进一步基于氧化铝陶瓷的细观结构扫描电镜(HEL)图像,分析了氧化铝陶瓷的细观结构特征,构建了含晶相、玻璃相等细观特征的力学模型. 数值模拟冲击压缩加载下氧化铝陶瓷细观结构的力学响应过程,从细观层次上分析了弹性前驱波衰减现象的产生机理,指出冲击压力低于HEL时材料的细观损伤引起的能量耗散以及前驱波在细观结构晶界处反射和透射引起的能量分散过程是其产生的主要原因.
线性与非线性稳定性理论下液体射流空间发展的对比研究
吕明, 宁智, 阎凯
2016, 65 (16): 166801. doi: 10.7498/aps.65.166801
摘要 +
分别基于线性和非线性稳定性理论,建立了描述同轴旋转可压缩气体中含空泡液体射流稳定性的一阶与二阶色散方程,并对色散方程进行验证分析;在此基础上,进行了射流表面一阶与二阶扰动及其发展的分析,线性与非线性稳定性理论下射流空间发展的对比研究. 研究结果表明,二阶扰动波的波长和振幅明显小于一阶扰动波;沿射流方向,射流表面的扰动发展主要由一阶扰动波的发展所主导;随着轴向距离的增大,二阶扰动波才开始逐渐对扰动的发展起一定的作用. 两种稳定性理论下射流表面的占优扰动模式不会发生改变;采用非线性稳定性理论时,可以反映一些实验中发现的射流表面出现’’卫星液滴’’的现象,由于考虑了射流表面的二阶扰动,射流界面振荡程度加剧.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
一种测量纤锌矿n-GaN位错密度的新方法
何菊生, 张萌, 潘华清, 齐维靖, 李平
2016, 65 (16): 167201. doi: 10.7498/aps.65.167201
摘要 +
采用点缺陷线性分布模型,利用能量弛豫方法得到了基于van der Pauw变温霍尔效应测量来确定纤锌矿n-GaN位错密度的新方法. 用高分辨率X射线衍射仪测试了两个分别用MOCVD方法和用HVPE方法生长的n-GaN样品,用Srikant方法拟合得到了位错密度. 结果表明两种方法高度一致. 进一步的研究表明,新方法和化学腐蚀方法的测试结果基本一致,相关拟合参数与采用Rode 迭代法精确求解Boltzmann输运方程的理论结果也基本一致. 研究还表明,新方法能有效消除施主杂质带和界面简并层对测试结果的影响,测试剔除界面层影响后的整个外延层的刃、螺位错密度,而不是穿透位错密度. 该方法适合霍尔迁移率曲线峰位在200 K左右及以下并且峰位明确的各种生长工艺、各种厚度、各种质量层次的薄膜和体材料,具有对迁移率曲线高度拟合,材料参数精确,计算简便、收敛速度快等优点.
三维a-IGZO薄膜中的电子-电子散射
张辉, 杨洋, 李志青
2016, 65 (16): 167301. doi: 10.7498/aps.65.167301
摘要 +
本文利用射频磁控溅射法制备了一系列厚度约800 nm的非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)薄膜,并对其电输运性质和低温的电子退相干机理进行了系统的研究. 研究发现,所有a-IGZO薄膜中,载流子浓度均不随温度变化,高温区的电阻率-温度系数为正,说明样品具有类金属导电特性. 通过对薄膜低温磁电阻的测量,获得了电子退相干散射率与温度的关系. 分析表明,薄膜中的电子-声子散射率远小于小能量转移电子-电子散射率,小能量转移电子-电子散射率主导电子退相干散射率与温度的依赖关系.
磁铁/压电双晶片复合材料磁电耦合性能的优化设计
张源, 高雁军, 胡诚, 谭兴毅, 邱达, 张婷婷, 朱永丹, 李美亚
2016, 65 (16): 167501. doi: 10.7498/aps.65.167501
摘要 +
本文采用弹性力学的方法,基于压电方程,给出了磁铁/压电双晶片(Bimorph)复合材料磁电耦合系数的理论表达式,并选取不同的结构参数和材料参数对其磁电耦合系数进行了数值计算. 研究表明:Bimorph存在最佳的压电层厚度,使得磁铁/Bimorph复合材料的磁电耦合系数达到最大;金属层材料和压电相材料也均会影响磁铁/Bimorph复合材料的磁电耦合系数. 该研究结果为磁铁/Bimorph复合材料的优化设计、实际应用提供了有益的理论指导.
锗在吸收边附近的压力-折射率系数
史文俊, 易迎彦, 黎敏
2016, 65 (16): 167801. doi: 10.7498/aps.65.167801
摘要 +
目前半导体锗在吸收边附近(1550 nm)的压力-折射率系数在实验和理论上并未研究清楚. 本文通过测量在不同压力下镀在光纤端面的高结晶度锗薄膜的反射率,来计算得到锗在吸收边附近的压力-折射率系数. 本文的实验结果显示,锗在吸收边附近出现反常色散现象,即折射率随能量变化呈正相关,并且其压力-折射率系数出现反常,为正值,这是由于多晶结构中的激子吸收所引起. 通过引入描述激子色散的临界点模型,得到锗在吸收边附近的反常色散范围和压力-折射率系数呈正值的范围. 本文的结果将有助于基于锗薄膜的通信C波段光学器件的研究.
基于多模态信号的金属材料缺陷无损检测方法
孙明健, 刘婷, 程星振, 陈德应, 闫锋刚, 冯乃章
2016, 65 (16): 167802. doi: 10.7498/aps.65.167802
摘要 +
金属材料缺陷检测对于经济发展具有重要意义. 针对现有无损检测技术信号模态单一、检测范围有限等不足,提出了一种基于多模态信号的金属材料缺陷无损检测方法. 该方法以光声无损检测方法为主体,首先利用有限元方法分析了缺陷对激光能量吸收量和光声表面波传播的影响,提出了基于激光吸收量和光声表面波的缺陷检测方法;然后搭建了多模态信号检测平台,采集了缺陷的光学、光声和超声三种模态的信号,检测出了裂纹的宽度和分布信息,以及深度和在内部的延伸状况. 研究结果表明,本文提出的基于金属材料多模态信号的无损检测方法能够准确、全面地检测出金属材料的杂质和裂纹的尺寸信息,弥补了现有无损检测方法在检测范围上的不足,为缺陷定量检测和全面诊断提供了一个新的思路.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
THz谐振腔型石墨烯光电探测器的设计
梁振江, 刘海霞, 牛燕雄, 刘凯铭, 尹贻恒
2016, 65 (16): 168101. doi: 10.7498/aps.65.168101
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由于石墨烯在太赫兹波范围内只发生带内跃迁,相比在可见光范围内,其光学吸收特性有显著优势,通过集成石墨烯与谐振腔,将太赫兹波限制在腔内,可进一步增强石墨烯对太赫兹波的吸收. 采用麦克斯韦方程组并结合电磁场边界条件,研究了单层石墨烯在太赫兹波段范围内的光吸收机理;推导出石墨烯的传输矩阵和吸收系数方程,发现在太赫兹波段石墨烯的吸收是在可见光波段吸收的9-22倍;通过建立谐振腔型石墨烯光电探测器在太赫兹波段的光吸收模型及求解探测器吸收率方程,发现在0.12 THz处,吸收率可达0.965,相比无腔状态下石墨烯在太赫兹波段的最大吸收率0.5,提高了93%;优化设计器件结构参数并表征,最终器件响应度最高达到236.7 A/W,半高全宽为0.035 THz. 理论分析表明,采用谐振腔型石墨烯光电探测器对太赫兹波进行探测,具有高吸收率、高响应度. 研究结果对于太赫兹谐振腔型石墨烯光电探测器的设计和应用提供了理论参考.
表面微结构对碳化硅晶须掺杂石墨阴极爆炸电子发射性能的影响
华叶, 万红, 陈兴宇, 吴平, 白书欣
2016, 65 (16): 168102. doi: 10.7498/aps.65.168102
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爆炸发射阴极已广泛应用于高功率微波源,但常规场致爆炸发射阴极存在使用寿命短或电子发射不均匀的问题,改善阴极材料是解决这一问题的有效途径. 本文将碳化硅晶须掺杂到石墨中制备得到阴极,从二极管电流波形上升沿和输出微波脉宽产生的变化着手,分析了碳化硅晶须掺杂石墨阴极表面材料成分和微观形貌对其电子发射性能的影响机理. 研究发现,碳化硅晶须的存在,不仅有利于阴极场发射的快速启动、发射微点数目增多,还有利于降低等离子体膨胀速度、抑制脉冲缩短现象,使得输出微波脉宽增大. 随着脉冲发射数量增多,碳化硅晶须掺杂石墨阴极表面被等离子体不断“抛光”,微凸起形状因子减小、均匀性提高,场发射启动速度减慢,但输出微波脉宽增大.
高功率微波作用下高电子迁移率晶体管的损伤机理
李志鹏, 李晶, 孙静, 刘阳, 方进勇
2016, 65 (16): 168501. doi: 10.7498/aps.65.168501
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本文针对高电子迁移率晶体管在高功率微波注入条件下的损伤过程和机理进行了研究,借助Sentaurus-TCAD仿真软件建立了晶体管的二维电热模型,并仿真了高功率微波注入下的器件响应. 探索了器件内部电流密度、电场强度、温度分布以及端电流随微波作用时间的变化规律. 研究结果表明,当幅值为20 V,频率为14.9 GHz的微波信号由栅极注入后,器件正半周电流密度远大于负半周电流密度,而负半周电场强度高于正半周电场. 在强电场和大电流的共同作用下,器件内部的升温过程同时发生在信号的正、负半周内. 又因栅极下靠近源极侧既是电场最强处,也是电流最密集之处,使得温度峰值出现在该处. 最后,对微波信号损伤的高电子迁移率晶体管进行表面形貌失效分析,表明仿真与实验结果符合良好.
工艺偏差下PMOS器件的负偏置温度不稳定效应分布特性
汤华莲, 许蓓蕾, 庄奕琪, 张丽, 李聪
2016, 65 (16): 168502. doi: 10.7498/aps.65.168502
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当器件特征尺寸进入纳米级,负偏置温度不稳定性(NBTI)效应和工艺偏差都会导致p 型金属氧化层半导体(PMOS)器件性能和可靠性的下降. 基于反应-扩散(R-D)模型,本文分析了工艺偏差对NBTI效应的影响;在此基础上将氧化层厚度误差和初始阈值电压误差引入到R-D模型中,提出了在工艺偏差下PMOS器件的NBTI效应统计模型. 基于65 nm工艺,首先蒙特卡罗仿真表明在工艺偏差和NBTI效应共同作用下,PMOS器件阈值电压虽然会随着应力时间增大而沿着负方向增加,但是阈值电压的匹配性却随着时间推移而变好;其次验证本文提出的统计模型准确性,以R-D模型为参考,在104 s应力时间内,PMOS 器件阈值电压退化量平均值和均方差的最大相对误差分别为0.058%和0.91%;最后将此模型应用到电流舵型数模转换器中,仿真结果显示在工艺偏差和NBTI效应共同作用下,数模转换器的增益误差会随着应力时间的推移而增大,而线性误差会逐渐减小.
基于二维集合经验模式分解的距离正则化水平集磁共振图像分割
范虹, 韦文瑾, 朱艳春
2016, 65 (16): 168701. doi: 10.7498/aps.65.168701
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针对现有磁共振(MR)图像分割算法大多直接在原图像上进行处理,分割效果受噪声影响较大的问题,本文引入二维集合经验模式分解(BEEMD)算法,提高距离正则化水平集(DRLSE)方法对MR图像的分割精度. 算法中首先使用 BEEMD将待分割MR图像分解为多个二维固有模式函数(BIMF),通过对各BIMF赋予不同加权系数重构待分割图像,从而增强分割目标;然后在DRLSE的边界指示函数中添加部分BIMF分量,恢复因高斯平滑被模糊的目标轮廓,并使用DRLSE方法对重构图像进行分割. 通过对仿真图像和临床MR图像分割验证,表明本文算法具有较高的分割精度和鲁棒性,能有效实现对临床MR图像的分割.
一种有效的基于三角结构的复杂网络节点影响力度量模型
韩忠明, 陈炎, 李梦琪, 刘雯, 杨伟杰
2016, 65 (16): 168901. doi: 10.7498/aps.65.168901
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度量复杂网络中的节点影响力对理解网络的结构和功能起着至关重要的作用. 度、介数、紧密度等经典指标能够一定程度上度量节点影响力,k-shell和H-index等指标也可以应用于评价节点影响力. 然而这些模型都存在着各自的局限性. 本文基于节点与邻居节点之间的三角结构提出了一种有效的节点影响力度量指标模型(local triangle centrality,LTC),该模型不仅考虑节点间的三角结构,同时考虑了周边邻居节点的规模. 我们在多个真实复杂网络上进行了大量实验,通过SIR模型进行节点影响力仿真实验,证明LTC指标相比于其他指标能够更加准确地度量节点的传播影响力. 节点删除后网络鲁棒性的实验结果也表明LTC指标具有更好效果.
基于环磁美特材料的无线传能系统
赵俊飞, 张冶文, 李云辉, 陈永强, 方恺, 赫丽
2016, 65 (16): 168801. doi: 10.7498/aps.65.168801
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传统的四线圈磁共振耦合无线传能系统已在移动电子设备、电动汽车无线充电中得以应用,然而,其传能效率仍然因其磁场空间分布的发散性而难以提高. 为了克服上述缺点,我们提出了一种基于环磁美特材料、磁场更为局域的高效无线传能系统. 该系统将四线圈系统中的一对磁谐振耦合线圈替换为具有环磁谐振特性的四个非对称开口谐振环. 该环磁模式具有高Q值、低金属损耗以及辐射抑制的特性. 实验结果表明,相对于四线圈系统,该系统的磁场更为集中,能量传输效率更高.
综述
氧化钨电致变色性能的研究进展
方成, 汪洪, 施思齐
2016, 65 (16): 168201. doi: 10.7498/aps.65.168201
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本文从实验和第一性原理计算研究两方面,评述了近些年来为改善氧化钨的电致变色性能所取得的各项研究进展,并深入分析了其在应用领域、性能需求、研发重点等方面所发生的转变趋势. 响应时间和循环寿命是固态无机电致变色材料在大面积建筑幕墙应用中两项最重要的性能指标. 采用纳米技术合成的具有多孔隙结构的晶态氧化钨,兼具高稳定性和高变色速率,在实验研究上备受关注. 简单立方结构的氧化钨,由于构型简易且对称性好,被广泛用作第一性原理计算模型,但从其得到的能隙和晶格常数却与实验出现了诸多的不符. 我们聚焦氧化钨嵌锂构型的特征,发现Li-O距离起到了关键性作用,并认为造成分歧的原因是模型被过度简化,即忽略了氧化钨中普遍存在的钨氧八面体倾斜畸变和由二阶姜-泰勒效应引发的钨偏离八面体体心的结构畸变. 以此为基础,提出的畸变立方结构的氧化钨模型能够很好地缩小与实验之间存在的误差. 此外,通过对当前已取得的研究结果和遇到的问题进行综合分析,指出了未来值得关注的方向,希望能为后期的深入研究提供一定的借鉴和参考.