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Vol. 65, No. 6 (2016)

2016年03月20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 物理学交叉学科及有关科学技术领域
总论
基于织构表面的摩擦静电发电机制备及其输出性能研究
程广贵, 张伟, 方俊, 蒋诗宇, 丁建宁, Noshir S. Pesika, 张忠强, 郭立强, 王莹
2016, 65 (6): 060201. doi: 10.7498/aps.65.060201
摘要 +
摩擦电纳米发电机(TENG)是基于摩擦生电和静电感应复合原理将机械能转换为电能的一种新型能源获取方式. 本文采用模板法制备了几种不同参数的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微圆柱结构, 并组装成TENG, 实验研究了接触区表面积、外加载荷对TENGs输出性能的影响. 结果表明, 圆形微柱阵列的存在有效提高了TENG的作用面积及电输出性能, 相同载荷下, 电输出随微柱间距离减小而增加, 在间距为15 m、载荷为5 N时, 输出的平均开路电压和短路电流分别为88 V 和15 A, 是同等条件下、微柱间距为50 m电输出的1.5倍以上; 电输出随载荷增加呈准线性增加, ANSYS软件模拟载荷作用下PDMS微圆柱织构的变形行为, 结果表明, 压力作用下, 微圆柱主要发生压缩变形, 基底的变形导致微柱与上电极之间产生侧向摩擦, 从而产生更多电荷, 提升了电输出性能.
一维相位缺陷量子行走的共振传输
王丹丹, 李志坚
2016, 65 (6): 060301. doi: 10.7498/aps.65.060301
摘要 +
从分立时间量子行走理论出发, 分别在包含两个格点相位缺陷和一段格点相位缺陷(方相位势)的一维格点线上研究量子行走的静态共振传输. 利用系统独特的色散关系和边界点上的能量守恒条件, 获得量子行走通过缺陷区域的透射率, 讨论了相位缺陷的强度和宽度不同时透射率随入射动量的变化行为. 在相位缺陷强度/2两侧, 透射率表现出不同的共振特性, 并给出了强缺陷强度下共振峰和缺陷宽度的关系.

编辑推荐

基于垂直引线和调制电流的三线环形磁导引
程俊, 张敬芳, 许忻平, 蒋小军, 李晓林, 张海潮, 王育竹
2016, 65 (6): 060302. doi: 10.7498/aps.65.060302
摘要 +
提出了一种在单层原子芯片上实现闭合且导引中心无磁场零点的环形磁导引的新方案. 芯片表面刻蚀的导线结构由同心等距三环线构成, 三环线的电流引线垂直于芯片表面. 加载直流电流后, 这种构型即可在芯片表面附近产生闭合的环形磁导引. 交流调制三环线电流后, 环形磁导引的势能极小值附近不再存在磁场零点且其磁场起伏小. 这种方案可用于基于物质波干涉的原子芯片陀螺仪研究.
低频压缩态光场的制备
刘增俊, 翟泽辉, 孙恒信, 郜江瑞
2016, 65 (6): 060401. doi: 10.7498/aps.65.060401
摘要 +
低频压缩态光场可用于提高引力波探测器灵敏度, 近年来受到人们的广泛关注. 相对于高频段而言, 低频压缩态的产生更容易受到外界环境噪声的干扰而不易被观察到. 本文采用全固化单频倍频Nd: YVO4/KTP激光器作为光源, 利用双波长共振的光学参量振荡器实现参量过程, 以1064 nm波长的红外作为基频光, 激光器腔内倍频产生的532 nm绿光作为抽运光, 通过调节周期性极化磷酸氧钛钾晶体温度使光学参量振荡器达到双波长同时共振, 采用真空注入的方式, 利用Pound-Drever-Hall锁腔技术锁定抽运场. 输出压缩光通过平衡零拍探测, 最终在实验上获得了频率低至3 kHz的真空压缩, 所直接观察到的压缩度为2 dB.
具有非线性阻尼涨落的线性谐振子的随机共振
田艳, 何桂添, 罗懋康
2016, 65 (6): 060501. doi: 10.7498/aps.65.060501
摘要 +
较之于线性噪声, 非线性噪声更广泛地存在于实际系统中, 但其研究远不能满足实际情况的需要. 针对作为非线性阻尼涨落噪声基本构成成分的二次阻尼涨落噪声, 本文考虑了周期信号与之共同作用下的线性谐振子, 关注这类具有基本意义的阻尼涨落噪声的非线性对系统共振行为的影响. 利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换推导了系统稳态响应振幅的解析表达式, 并分析了稳态响应振幅的共振行为, 且以数值仿真验证了理论分析的有效性. 研究发现: 系统稳态响应振幅关于非线性阻尼涨落噪声系数具有非单调依赖关系, 特别是非线性阻尼涨落噪声比线性阻尼涨落噪声更有助于增强系统对外部周期信号的响应程度; 而且, 非线性阻尼涨落噪声比线性阻尼涨落噪声使得稳态响应振幅关于噪声强度具有更为丰富的共振行为; 同时, 二次阻尼涨落噪声使得稳态响应振幅关于系统频率出现真正的共振现象; 而在这些现象和性质中, 非线性噪声项的非线性性质对共振行为起着关键的作用. 显然, 以二次阻尼涨落作为基本形式引入的非线性阻尼涨落噪声, 可以有助于提高微弱周期信号检测的灵敏度和实现对周期信号的频率估计.
一类Hopf分岔系统的通用鲁棒稳定控制器设计方法
陆金波, 侯晓荣, 罗敏
2016, 65 (6): 060502. doi: 10.7498/aps.65.060502
摘要 +
针对一类多项式形式的Hopf分岔系统, 提出了一种鲁棒稳定的控制器设计方法. 使用该方法设计控制器时不需要求解出系统在分岔点处的分岔参数值, 只需要估算出分岔参数的上下界, 然后设计一个参数化的控制器, 并通过Hurwitz判据和柱形代数剖分技术求解出满足上下界条件的控制器参数区域, 最后在得到的这个区域内确定出满足鲁棒稳定的控制器参数值. 该方法设计的控制器是由包含系统状态的多项式构成, 形式简单, 具有通用性, 且添加控制器后不会改变原系统平衡点的位置. 本文首先以Lorenz系统为例说明了控制器的推导和设计过程, 然后以van der Pol振荡系统为例, 进行了工程应用. 通过对这两个系统的控制器设计和仿真, 说明了文中提出的控制器设计方法能够有效地应用于这类Hopf分岔系统的鲁棒稳定控制, 并且具有通用性.
基于原对偶状态转移算法的分数阶多涡卷混沌系统辨识
王聪, 张宏立
2016, 65 (6): 060503. doi: 10.7498/aps.65.060503
摘要 +
未知分数阶混沌系统参数辨识问题可转化为函数优化问题, 是实现分数阶混沌系统同步与控制的关键. 结合正交学习机制和原对偶学习策略, 提出一种原对偶状态转移算法, 用于解决分数阶混沌系统的参数辨识问题. 利用正交学习机制产生较优的初始种群增加算法的收敛能力, 并引入原对偶操作增加状态在空间的搜索能力, 提高算法的寻优性能. 在有噪声和无噪声情况下以分数阶多涡卷混沌系统的参数辨识为研究对象进行仿真. 结果表明了该算法的有效性、鲁棒性和通用性.
基于中红外量子级联激光器和石英增强光声光谱的CO超高灵敏度检测研究
马欲飞, 何应, 于欣, 于光, 张静波, 孙锐
2016, 65 (6): 060701. doi: 10.7498/aps.65.060701
摘要 +
采用石英增强光声光谱(QEPAS)技术对CO痕量气体展开检测研究. 为了实现超高灵敏度探测, 采用输出波长为4.6 m的新颖中红外高功率分布反馈量子级联激光器为光源, 实现了对CO气体基频吸收带的激发与测量. 在优化了调制深度、气体压强和提高了CO分子的振动-转动弛豫速率后, 获得了1.95 ppbv的优异探测极限. 在分析检测结果的过程中, 讨论了能级寿命对信号强度的影响, 并对QEPAS信号强度的表达式进行了修正.
核物理学
蒙特卡罗临界计算全局计数效率新算法研究
上官丹骅, 邓力, 李刚, 张宝印, 马彦, 付元光, 李瑞, 胡小利
2016, 65 (6): 062801. doi: 10.7498/aps.65.062801
摘要 +
为提高蒙特卡罗临界计算时全局计数的整体效率, 对比分析了新提出的均匀计数密度算法、均匀径迹数密度算法和原有的均匀裂变点算法. 以大亚湾核反应堆pin-by-pin模型的全局体平均通量计数和中子沉积能计数为例, 前两种算法较均匀裂变点算法都获得了整体效率的提高. 上述算法已经在自主开发的并行蒙特卡罗输运程序JMCT上予以实现.
基于放射性气体源体积的虚拟源刻度技术
田自宁, 陈伟, 韩斌, 田言杰, 刘文彪, 冯天成, 欧阳晓平
2016, 65 (6): 062901. doi: 10.7498/aps.65.062901
摘要 +
大气中放射性气体氙同位素的活度浓度值是判断核裂变反应的关键数据, 长期以来其准确测量一直是个难题. 针对该问题, 本文提出和定义了虚拟点源的概念, 并使用LabSOCS软件模拟了不同尺寸气体体源和不同高度点源的探测效率, 根据计算的数据建立了气体源体积和虚拟点源位置的函数关系. 理论上证实了气体源体积和虚拟点位置有良好的线性关系, 在理论上为解决虚拟源刻度技术提供了新的途径.
原子和分子物理学
SrBi4Ti4O15的化学键性质和铁电性研究
肖小红, 李世春
2016, 65 (6): 063101. doi: 10.7498/aps.65.063101
摘要 +
通过原子环境计算方法分析了正交相SrBi4Ti4O15晶体内的键络结构、各原子的空间配位数及局域团簇结构. 在此基础上, 结合晶体分解理论将SrBi4Ti4O15晶体分解为多个二元赝晶体, 根据化学键介电理论计算得到各赝晶体所对应化学键的有效价电子密度、离子性等化学键性质. 通过键偶极矩建立了铁电体自发极化强度与化学键性质之间的关系, 求得正交相SrBi4Ti4O15沿a轴方向的自发极化强度为28.03 C/cm2, 与实验结果和其他理论计算值符合较好.
GeS分子基态和低激发态的势能曲线与光谱性质
黄多辉, 万明杰, 王藩侯, 杨俊升, 曹启龙, 王金花
2016, 65 (6): 063102. doi: 10.7498/aps.65.063102
摘要 +
本文以aug-cc-pv5Z为基组, 采用考虑Davidson修正的多参考组态相互作用方法(MRCI+Q)得到了GeS分子基态(X1+)和5个低激发态(11, 11, A1, 15+, 25+)的势能曲线. 计算结果表明: 25+态为排斥态, 其余5个态为束缚态; 6个态有着共同的离解通道, 离解极限均为Ge(3P)+S(3P). 利用计算得到的势能曲线得了X1+, 11-, 11, A1和15+态的垂直跃迁能Te, 平衡键长Re, 离解能De, 谐振频率e, 非谐性常数exe及平衡位置的电偶极矩. X1+态的Re 为2.034 , De 为5.728 eV, e为571.73 cm-1, exe为1.6816 cm-1, 平衡位置的电偶极矩为1.9593 Debye. 激发态11, 11, A1, 15+的Te 依次为25904.81, 26209.22, 32601.19, 43770.26 cm-1; Re依次为2.313, 2.322, 2.188, 2.8790 ; De依次为2.524, 2.487, 1.694, 0.3036 eV, e依次为358.90, 353.08, 376.32, 134.96 cm-1; exe依次为1.2421, 1.2151, 1.6608, 1.9095 cm-1; 平衡位置的电偶极矩依次为1.3178, 1.4719, 1.5917, -1.9785 Debye. 通过求解核运动的薛定谔方程得到了J=0时X1+, 11-, 11, A1和15+态前30个振动态的振动能级Gv和分子常数Bv, 得到的结果和已有的实验值及其他理论值符合较好.
激光驱动晶体发射高次谐波的特性研究
管仲, 李伟, 王国利, 周效信
2016, 65 (6): 063201. doi: 10.7498/aps.65.063201
摘要 +
通过数值模拟激光驱动下电子在周期性势阱中的动力学行为, 研究了晶体在激光场中发射高次谐波的特性. 研究发现在一定的激光波长和光强驱动下, 晶体发射的谐波谱会呈现出双平台结构, 经分析后得知第一个平台主要来自于最低导带与价带间的电流(电子-空穴对复合), 第二个平台主要来源于较高导带与价带间的电流(电子-空穴对复合), 且两个平台的截止位置处的能量都与激光场的振幅呈线性关系. 在少周期激光驱动下, 晶体谐波第二平台的截止位置与激光的载波相位呈单调变化, 由此我们提出可以利用晶体谐波第二平台的截止位置来确定少周期激光的载波相位. 进一步研究发现, 在啁啾激光驱动下, 晶体发射谐波谱的第二平台有较大变化, 第二平台的发射效率会随啁啾参数而改变, 能够通过改变啁啾激光场来提高晶体谐波第二平台的发射效率.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
单环多段光强分布检测光学涡旋拓扑荷值
张昊, 常琛亮, 夏军
2016, 65 (6): 064101. doi: 10.7498/aps.65.064101
摘要 +
针对涡旋光束检测范围局限这一问题, 提出了一种新的光学涡旋拓扑荷值检测方法-单环多段光强分布检测法, 它以分段数和环半径为两大检测常数, 将检测涡旋光束拓扑荷值范围扩大到了128种, 与以往利用旁瓣调控光学涡旋检测拓扑荷值方法相比, 检测范围扩大了1个数量级. 单环多段光强分布是基于计算机全息图实现在远场衍射焦平面上环半径相等的两束携带不同拓扑荷数的涡旋光束叠加后形成的光强分布. 计算机模拟和光学实验验证了所提出方法的可行性, 该方法在自由空间光通信领域具有一定的研究价值和应用潜力.
基于Walsh-Hadamard变换的单像素遥感成像
李明飞, 莫小范, 赵连洁, 霍娟, 杨然, 李凯, 张安宁
2016, 65 (6): 064201. doi: 10.7498/aps.65.064201
摘要 +
本文提出了基于Walsh-Hadamard变换的单像素成像方案, 并从理论分析、模拟仿真和实验验证三方面分别验证了该方案的可行性. 实验上实现了350-900 nm波段对 距离500 m和5000 m自然目标的128128 像素成像, 成像速度0.5帧/秒. 研究并讨论了单像素相机方案与计算量子成像方案的差异与共性, 在此基础上分析了基于Walsh-Hadamard变换的单像素成像方案的优势与局限性. 研究表明本方案同时适用于单像素相机和计算量子成像. 由于单像素成像适用于应用在如红外热成像、微波成像等波段, 因此在阵列探测器灵敏度或工艺达不到要求时存在优势. 本文所提出的方案使得单像素成像技术向实际应用迈进了一步.
基于有机半导体激光材料的高灵敏度溶液检测传感器件
池浪, 费洪涛, 王腾, 易建鹏, 方月婷, 夏瑞东
2016, 65 (6): 064202. doi: 10.7498/aps.65.064202
摘要 +
采用光抽运有机激光增益材料产生的放大自发辐射(amplified spontaneous emission ASE), 实现了不同浓度液体的实时检测. 以两种聚合物poly(9, 9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole)和poly(3-hexylthiophene)共混的激光增益介质薄膜作为平面光波导, 观察在滴加少量溶液前后以及不同溶液浓度下, 由于光波导的相对折射率变化导致的放大自发辐射阈值及峰位的变化, 实现对溶液检测. 实验结果显示, 在常温常压下对25 wt.% NaCl溶液检测可得与纯水相比, 放大自发辐射光谱红移了4.5 nm, ASE阈值从0.579 J/pulse上升到1.447 J/pulse, 约2.5倍, 溶液检测灵敏度达到97.8 nm/RIU(refractive index unit), 精度达到141.9 nm/RIU, 充分说明上述方法能实现高灵敏度溶液检测.
不同22集束聚焦方式下高功率激光靶面光强分布特性
孙晓艳, 雷泽民, 卢兴强, 吕风年, 张臻, 范滇元
2016, 65 (6): 064203. doi: 10.7498/aps.65.064203
摘要 +
大口径高功率激光装置为提高激光靶面的光强强度, 通常采用22集束聚焦的模式进行打靶. 大口径楔形透镜是组成22集束聚焦系统的核心元件, 可分为二维离轴楔形透镜、一维离轴楔形透镜和非离轴楔形透镜3类. 为了获得理想靶面光强分布, 基于这3 类楔形透镜, 对比研究相应22集束聚焦系统下的靶面光强分布特性. 研究结果表明: 相比离轴楔形透镜, 采用基于非离轴楔形透镜的22集束聚焦系统时, 容易在激光靶面获得更窄的主瓣宽度、更强的峰值强度、更高的能量集中度. 研究结果对高功率激光靶场聚焦系统的配置选择有重要参考价值.
相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术研究
刘双龙, 刘伟, 陈丹妮, 屈军乐, 牛憨笨
2016, 65 (6): 064204. doi: 10.7498/aps.65.064204
摘要 +
基于全量子理论对相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)过程进行了分析, 在此基础上搭建了单频CARS显微成像系统, 获得了不同尺寸聚苯乙烯微球高对比度的CARS显微图像. 为了标定成像系统的空间分辨率, 采用逐点扫描方式对直径为110 nm聚苯乙烯微球成像, 从而重构出系统的点扩展函数. 结果表明: 该CARS显微成像系统的横向空间分辨率约为600 nm, 而由阿贝衍射极限决定的理论空间分辨率约为300 nm. 分析了导致分辨率降低的原因, 并提出了解决方案. 为实现纳米分辨的CARS显微成像打下了坚实的基础.
非球形椭球粒子参数变化对光偏振特性的影响
张肃, 彭杰, 战俊彤, 付强, 段锦, 姜会林
2016, 65 (6): 064205. doi: 10.7498/aps.65.064205
摘要 +
针对自然界中多数沙尘、烟煤粒子的非球形问题, 在球形粒子偏振特性的基础上, 进一步研究非球形椭球粒子的折射率、有效半径、粒子形状等参数变化对光偏振特性的影响, 采用基于T矩阵的非球形粒子仿真方法, 模拟非偏振光经椭球粒子传输后光的偏振特性及其与球形粒子间的差异, 并以实际沙尘、海洋、烟煤三种气溶胶粒子为例说明结果的正确性. 结果表明: 当折射率实部越小, 虚部越大时, 球形粒子与非球形粒子的偏振差异越不明显; 当粒子有效半径增加时, 球形粒子偏振度的变化比非球形粒子更为明显, 且最大值分别出现在散射角为150和120的位置; 当粒子形状不同时, 不同形状椭球及球形粒子的差异在散射角小于60 时并不明显, 且当椭球粒子纵横比互为倒数时, 两种粒子的偏振特性近似相同. 通过以上分析可知, 在光传输过程中, 椭球粒子多数情况下无法被近似为球形粒子进行计算.
纳米ZnO-SiO2自清洁增透薄膜的制备及其性能
郭昭龙, 赵海新, 赵卫
2016, 65 (6): 064206. doi: 10.7498/aps.65.064206
摘要 +
以乙酸锌醇热法ZnO纳米粒子为基料, 通过溶胶-凝胶浸渍提拉法制备纳米ZnO-SiO2自清洁增透薄膜. 采用透射电镜, 光谱椭偏仪, 扫描电镜, X-射线衍射, 差热分析仪和UV-vis等技术对样品进行表征, 以亚甲基蓝的光催化降解为目标反应, 评价其光催化活性. 结果表明, ZnO纳米粒子为球粒状结构, 直径约12-20 nm, 特征紫外吸收波长位于375 nm 处; 与未涂覆纳米ZnO-SiO2自清洁增透薄膜的石英玻璃基底相比, 涂覆后石英玻璃在400-800 nm波长范围内平均透光率提升达4.17%, 具有良好的宽光谱增透行为; 且在紫外光激发下对亚甲基蓝染料具有光催化降解特性, 进而具备良好的自清洁性能.
基于六角格子光子晶体波导的高效全光二极管设计
刘云凤, 刘彬, 何兴道, 李淑静
2016, 65 (6): 064207. doi: 10.7498/aps.65.064207
摘要 +
提出了一种基于六角格子光子晶体波导微腔和Fabry-Perot(FP)腔非对称耦合的全光二极管结构, 它由一个包含非线性Kerr介质的高Q值微腔与一个光子晶体波导中的FP腔组成. 通过有限时域差分方法对其传输特性进行了仿真, 发现通过两腔的非对称耦合可以实现在特定光强度下的正向传输、反向截止的功能. 在靠近微腔方向光入射时, 特定强度的光可以激发非线性微腔的Kerr效应, 改变了Fano腔的共振频率, 从而变成透射状态. 而远离微腔方向光入射, 由于这个不对称的结构造成场局域的分布不对称, 激发微腔Kerr效应的光强还不够, 所以光不能透射. 所设计的全光二极管结构具有良好的性能参数: 最大透射率高和高透射比、光强阈值低和易于集成等.
少模光纤的弯曲损耗研究
郑兴娟, 任国斌, 黄琳, 郑鹤玲
2016, 65 (6): 064208. doi: 10.7498/aps.65.064208
摘要 +
随着光纤通信容量的不断增加, 基于少模光纤的模分复用技术由于其多信道复用、 高频谱效率及低非线性效应成为目前提高光纤通信容量的研究热点. 本文推导得到了适用于少模光纤中高阶模式弯曲损耗的计算公式, 系统研究了下陷层辅助弯曲不敏感抛物线型少模光纤的主要参数(包括芯层半径、芯层到下陷层距离、下陷层宽度及下陷层折射率差)对其弯曲损耗特性的影响. 研究表明: 对于少模光纤, 模式阶数越高, 光纤的弯曲敏感性越高; 随纤芯与下陷层间距离的变化, 光纤各阶模式的弯曲损耗均存在一个最小值. 本文结论对弯曲不敏感少模光纤的设计、制造及少模光纤弯曲性能优化具有指导意义.
水下掩埋目标的散射声场计算与实验
胡珍, 范军, 张培珍, 吴玉双
2016, 65 (6): 064301. doi: 10.7498/aps.65.064301
摘要 +
水下掩埋目标声散射问题是识别和探测掩埋目标的理论基础, 是声散射研究领域的热点问题. 本文基于射线声学推导了掩埋情况下目标声散射计算的格林函数近似式, 并在此基础上进一步给出了相应的远场积分公式. 在有限元方法的基础上, 将推导得到的公式写入有限元仿真软件, 对软件功能进行拓展, 构建二维轴对称目标的声散射模型, 并计算掩埋情况下弹性实心球在不同条件下的目标强度, 获得了其散射声场随频率、掩埋深度、沙层吸收系数等参数的变化规律. 开展实心球的自由空间和浅掩埋条件下水池声散射实验, 利用共振隔离技术处理实验数据, 提取目标声散射的纯弹性共振特征进行分析, 结果表明可将其用于掩埋目标识别和探测. 最后利用总散射声场与理论计算结果进行对比, 验证了理论仿真的正确性.
声学脉冲序列及全透声机理研究
曹松华, 吴九汇, 王煜, 侯明明, 李竞
2016, 65 (6): 064302. doi: 10.7498/aps.65.064302
摘要 +
本文研究一维周期性层状结构中材料弹性模量时变因素作用下的声透射临界现象, 探究了这种声学脉冲序列及全透声现象的内在机理. 考虑弹性模量时变因素的影响, 通过求解波动方程, 运用分离变量法解得特征指数, 进而得到临界现象. 当调制幅值低于或等于临界值时, 周期性结构能够将入射波转化为一系列周期的毫秒级的反射脉冲序列; 尤其在调制幅值等于临界值时, 当周期性结构的层数达到16层时, 反射脉冲序列有完整的0和1 的波形; 当大于临界值时, 反射系数在50 ms内迅速衰减至0, 此时的结构相当于完全透声, 入射波可以无损地完全透过, 产生调制透声现象. 这些特殊的现象可为声波的动态控制、声脉冲序列的产生和声波的定向传播提供重要的理论依据, 在超声换能器及调制透声方面具有实际的工程应用前景.
雨天高速公路车辆换道模型研究
张卫华, 颜冉, 冯忠祥, 王锟
2016, 65 (6): 064501. doi: 10.7498/aps.65.064501
摘要 +
降雨使得路面附着系数和驾驶员视距降低, 容易造成交通事故, 影响道路通行效率. 为了研究雨天天气下车辆的换道行为, 引入反映降雨对换道行为影响的路面附着系数参数和驾驶员反应时间参数, 并进行量化分析, 由此使得安全距离随降雨强度和车辆速度的变化而变化, 在考虑前车和后车速度差对换道行为影响的基础上, 建立了雨天高速公路车辆换道模型. 仿真分析表明, 在中密度区雨天换道率与晴天相比有明显下降, 最大降幅约为25%; 且改进模型再现了自由流、自由流在无外因影响下形成动态拥堵流以及阻塞流下车辆时走时停的现象; 在中密度和高密度交通流中, 雨天更易引起交通拥堵, 其道路时空图中拥堵出现的频率和持续时间均相应增大, 且车辆以低速度行驶的时间较晴天天气下高许多.
带嵌件型腔内熔接过程的数值模拟研究
李强, 李五明
2016, 65 (6): 064601. doi: 10.7498/aps.65.064601
摘要 +
基于充模过程的两相黏弹性流体模型, 采用同位网格有限体积法, 结合浸入边界法和界面追踪的复合水平集流体体积方法实现了带嵌件型腔内充模过程的动态模拟. 基于上述模型和算法模拟了熔体前沿界面及熔接线的动态演化过程, 而且通过线性应力-光学定律得到了熔接线附近的流动诱导应力分布情况; 讨论了熔体温度及模具温度对熔接线区域凝固层厚度的影响. 数值结果表明: 本文提出的方法可用于模拟复杂型腔内的充模过程以及熔接线的自动追踪; 由于聚合物黏弹性熔体流动的复杂性, 当两股熔体相遇后, 熔接线不同位置的应力分布变化较大; 熔体或模具温度越高, 熔接线区域凝固层厚度越薄, 提高熔体或模具温度能够改善甚至消除充模过程中的熔接线.
一种多频局域共振型声子晶体板的低频带隙与减振特性
吴健, 白晓春, 肖勇, 耿明昕, 郁殿龙, 温激鸿
2016, 65 (6): 064602. doi: 10.7498/aps.65.064602
摘要 +
设计了一种多频局域共振型声子晶体板结构, 该结构由一薄板上附加周期性排列的多个双悬臂梁式子结构而构成. 由于多个双悬臂梁式子结构的低频振动与薄板振动的相互耦合作用, 这种局域共振型板结构可产生多个低频弯曲波带隙(禁带); 带隙频率范围内的板弯曲波会被禁止传播, 利用带隙可以实现对薄板的多个目标频率处低频减振. 本文针对这种局域共振型板结构进行了简化, 并基于平面波展开法建立了其弯曲波带隙计算理论模型; 基于该模型, 结合具体算例进行了带隙特性理论分析. 设计、制备了一种存在两个低频弯曲波带隙的局域共振型板结构样件, 通过激光扫描测振仪测试证实该结构存在两个低频带隙, 在带隙频率范围的板弯曲振动被显著衰减.
高超声速飞行器磁控热防护系统建模分析
李开, 刘伟强
2016, 65 (6): 064701. doi: 10.7498/aps.65.064701
摘要 +
针对高超声速飞行器防热, 搭建了螺线管磁控热防护系统的物理模型. 采用低磁雷诺数磁流体数学模型, 分析了外加磁场强度及磁场形态对磁控热防护效果的影响. 对比了三种磁场类型(磁偶极子、螺线管、均布磁场)下磁控热防护效果的差异, 分析了螺线管几何参数对磁控热防护效果的影响. 研究表明, 磁场降低表面热流作用存在饱和现象; 三种磁场形态的磁控热防护能力从小到大依次为磁偶极子、螺线管、均布磁场; 相同驻点磁感应强度条件下, 增大螺线管半径有利于提高磁控热防护效果, 缩短螺线管与驻点距离不利于驻点和肩部防热, 螺线管长度对磁控热防护效果影响相对较小.
气体、等离子体和放电物理
温稠密钛电导率计算
付志坚, 贾丽君, 夏继宏, 唐可, 李召红, 权伟龙, 陈其峰
2016, 65 (6): 065201. doi: 10.7498/aps.65.065201
摘要 +
温稠密物质是惯性约束核聚变、重离子聚变、Z箍缩动作过程中物质发展和存在的重要阶段. 其热力学性质和辐射输运参数在聚变实验和内爆驱动力学模拟过程中有至关重要的作用. 本文通过建立非理想Saha方程, 结合线性混合规则的理论方法模拟了温稠密钛从10-5-10 gcm-3, 104 K到3104 K区间的粒子组分分布和电导率随温度密度的变化, 其中粒子组分分布由非理想Saha方程求解得到. 线性混合规则模型计算温稠密钛的电导率时考虑了包括电子、原子和离子之间的多种相互作用. 钛的电导率的计算结果与已有的爆炸丝实验数据相符. 通过电导率随温度密度变化趋势判断, 钛在整个温度区间, 密度0.56 gcm-3时发生非金属相到金属相相变. 对于简并系数和耦合系数的计算分析, 钛等离子体在整个温度和密度区间逐渐从弱耦合、非简并状态过渡到强耦合部分简并态.
带状真空电弧磁过滤器等离子体分布特性及制备类金刚石膜研究
李刘合, 刘红涛, 罗辑, 许亿
2016, 65 (6): 065202. doi: 10.7498/aps.65.065202
摘要 +
采用大尺寸矩形石墨靶作为真空阴极电弧源, 研制了带状真空电弧磁过滤器. 使用法拉第杯和朗缪尔探针对90 ℃弯曲磁过滤器中的带状等离子体出口所在平面的15个区域的离子能量和密度进行了测试; 用该带状真空电弧磁过滤器制备了类金刚石膜(diamond-like carbon, DLC); 对相应位置上的类金刚石膜进行了Raman分析和膜厚测量. 结果表明: 磁过滤器出口所在平面的15个划分区域中离子能量分布接近麦克斯韦分布, 离子能量分布与类金刚石膜的结构具有明显的对应特征, 离子密度分布与DLC膜膜厚分布相互之间具有相关性.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
MnTe电子结构和磁性的第一性原理研究
王步升, 刘永
2016, 65 (6): 066101. doi: 10.7498/aps.65.066101
摘要 +
采用基于密度泛函理论的赝势投影缀加波方法, 对六种典型的二元晶体结构Rocksalt (RS), Cesiun-chloride (CC), Zinc-blende (ZB), Wurtzite (WZ), Iron-silicide (IS) 和Nickel-Arsenide (NA)的MnTe进行了计算研究. 通过比较六种结构的结合能, 确定了MnTe的基态结构是反铁磁的NA结构. 研究了这六种结构MnTe的电子结构、磁性, 并用Birch-Murnaghan状态方程拟合求得了各相结构的体弹性模量和相变压. 电子态密度表明, RS, CC和IS结构的MnTe为反铁磁导体, ZB, WZ和NA结构的MnTe均为反铁磁半导体.
氢离子辐照纯钒中形成的位错环
崔丽娟, 高进, 杜玉峰, 张高伟, 张磊, 龙毅, 杨善武, 詹倩, 万发荣
2016, 65 (6): 066102. doi: 10.7498/aps.65.066102
摘要 +
钒合金作为聚变堆候选材料, 其辐照损伤行为一直是关注的重点. 研究辐照时形成的位错环的性质, 其意义在于揭示纯钒中辐照空洞的长大机理. 这种机理表现为不同类型位错环对点缺陷吸收的偏压不同, 从而影响金属的辐照肿胀. 本文利用加速器对纯钒薄膜样品进行氢离子辐照, 然后, 利用透射电镜的inside-outside方法分析氢离子辐照所形成的位错环的类型. 结果表明, 在氢离子辐照纯钒中没有发现柏氏矢量b=110的位错环, 只有柏氏矢量b=1/2111和b=110的位错环, 这两种位错环的惯性面处于{110}-{112}之间. 能确定性质的位错环全部为间隙型位错环, 未发现空位型位错环.
钝感高能炸药三氨基三硝基苯高温高压下热力学性质的分子动力学模拟研究
范航, 聂福德, 龙瑶, 陈军
2016, 65 (6): 066201. doi: 10.7498/aps.65.066201
摘要 +
热力学性质是钝感高能炸药1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6-三硝基苯(TATB)爆轰性质和安全性评估分析的重要参数. 由于结构的复杂性, TATB炸药尚缺乏系统的实验和理论计算结果. 结合全原子力场和分子动力学的方法, 本文系统研究了不同温度和压力条件下TATB的力学性质和热力学参数, 得到了弹性模量、德拜温度等随温度、压力的变化情况, 并与实验进行了对比分析. 结果表明: 在 0-50 GPa外部压力下, TATB晶体保持力学稳定, 弹性常数和弹性模量随压力升高而增大, 各向异性程度随压力升高而减小, 泊松比和延展性则受压力的影响较小; 随温度的升高, TATB的力学稳定性逐渐下降, 有发生力学失稳的可能, 各弹性常数随温度升高而逐渐减小, 各向异性程度也随之减小; TATB 的声速和德拜温度同样随着压力升高而增大, 平均声速从0 GPa下的1833 m/s, 增加到10 GPa 下的3143 m/s, 德拜温度由0 GPa下的254 K增加到10 GPa的587 K. TATB 热膨胀系数的计算表明, 在200-500 K 温度常压情况下, 其体热膨胀系数为35.910-5 K-1, 与实验数据符合较好.
二十面体团簇的遗传:一个与快凝Cu56Zr44合金玻璃形成能力有关的动力学参数
邓永和, 文大东, 彭超, 韦彦丁, 赵瑞, 彭平
2016, 65 (6): 066401. doi: 10.7498/aps.65.066401
摘要 +
采用分子动力学方法模拟研究了液态Cu56Zr44合金在不同冷速与压力P下的快速凝固过程, 并通过基于Honeycutt-Andersen键型指数的扩展团簇类型指数法对其微结构演变特性进行了分析. 结果表明: 快凝玻璃合金的局域原子组态主要是(12 12/1551)规则二十面体、以及 (12 8/1551 2/1541 2/1431)与(12 2/1441 8/1551 2/1661) 缺陷二十面体. 通过原子轨迹的逆向跟踪分析发现: 从过冷液体中遗传下来的二十面体对快凝合金的玻璃形成能力(GFA)具有重要影响, 不仅其可遗传分数Fi =N300 KTgi/NTg 与GFA密切相关, 而且其遗传起始温度(Tonset)与合金约化玻璃转变温度Trg = Tg/Tm也存在很好的对应关系.
缺陷态对Y掺杂BaZrO3的质子导电性的影响
杨义斌, 龚宇, 刘才林, 罗阳明, 陈平
2016, 65 (6): 066701. doi: 10.7498/aps.65.066701
摘要 +
核能是一种新型能源, 其开发和利用对氢同位素分离和纯化提出了迫切要求. BaZrO3基钙钛矿氧化物是一种有效分离纯化氢同位素的材料, 本文采用高温固相法制备了BaZr1-xYxO3- (0 x 0.3)系列样品, 射线衍射光谱分析表明Y的最大掺杂浓度在0.24-0.26之间. 在600 ℃干燥氢气气氛下, 由电化学阻抗谱测试可知, 掺20 mol%Y 的BaZr1-xYxO3-样品电导率可达 =0.00150 S/m, 较BaZrO3基质材料的电导率高接近两个数量级. 利用热释光谱和发射光谱研究了系列样品缺陷类型, 结果表明BaZrO3基质材料存在两种对质子传导有利的氧空位(Vo..); 当掺入Y 后, 除氧空位之外, 样品还出现了带负电的质子俘获型缺陷YZr', 且 YZr'缺陷的数量随着Y掺杂浓度增加而增多; 同时出现了缺陷陷阱深度变浅导致对质子捕获能力降低的现象, 有利于提高质子导电性. 本文通过发射光谱和热释光谱相结合, 有效地研究了BaZr1-xYxO3-材料的缺陷类型.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Mn掺杂后三元黄铜矿结构半导体CuInTe2的缺陷特征与热电性能
王鸿翔, 应鹏展, 杨江锋, 陈少平, 崔教林
2016, 65 (6): 067201. doi: 10.7498/aps.65.067201
摘要 +
三元黄铜矿结构(也称类金刚石结构)半导体是一类具有热电转换潜力的新型热电材料. 本次工作中采用电负性更小的Mn元素替换CuInTe2黄铜矿结构半导体中的Cu元素, 设计制备贫Cu化合物Cu1-xInMnxTe2. 研究表明, 当Mn含量较低时, Mn优先占位在In 位置产生受主缺陷MnIn-. 因此随着Mn含量的增大, 载流子浓度和电导率均得到改善. 但当Mn含量进一步增大后, Mn可同时占位在In位置和Cu位置, 除产生受主缺陷MnIn-外, 还能产生施主缺陷MnCu+. 由于两类极性相反的缺陷之间的湮灭现象, 使得缺陷浓度及载流子浓度开始降低, 晶格结构畸变有变小趋势, 因此在高温下晶格热导率仅略有提高. 研究结果表明, 在某一特定的Mn含量(x=0.05)时, 材料具有最优的热电性能(ZT=0.84@810.0 K), 这一性能约是未掺杂CuInTe2的2倍.
杂质离子对有机共轭聚合物中极化子动力学性质的影响
刘俊娟, 魏增江, 常虹, 张亚琳, 邸冰
2016, 65 (6): 067202. doi: 10.7498/aps.65.067202
摘要 +
基于一维紧束缚Su-Schrieffer-Heeger模型, 采用分子动力学方法, 讨论了杂质势的强度和杂质之间的距离对电子和空穴极化子动力学性质的影响. 研究结果表明: 1)当杂质势强度保持不变时, 两杂质离子之间的距离(d)在2-16个晶格常数变化时, 电子极化子的平均速度大于空穴极化子的平均速度, 这是由于电子、空穴极化子与杂质势的库仑作用不同而产生的差异, 同时极化子的平均速度随d的增加而增大; 若继续增加杂质离子之间的距离, 电子和空穴极化子的平均速度几乎保持不变, 仅有一些微小的振荡, 这是由于不同距离的杂质离子对电子和空穴极化子产生的势垒或势阱的叠加效果不同而引起的; 2)保持两杂质离子之间的距离不变时, 随着杂质势强度的增大, 电子和空穴极化子的平均速度均减小, 且空穴极化子的平均速度减小趋势更明显.

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基于量子点和MEH-PPV的白光发光二极管的研究
孙立志, 赵谡玲, 徐征, 尹慧丽, 张成文, 龙志娟, 洪晓霞, 王鹏, 徐叙瑢
2016, 65 (6): 067301. doi: 10.7498/aps.65.067301
摘要 +
利用无机纳米材料与有机聚合物材料相结合的方法制备白光发光二极管器件, 研究了蓝光量子点QDs(B)掺杂聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基-1, 4-苯撑乙烯撑](MEH-PPV) 复合体系的发光特性及量子点QDs(B) 掺杂浓度(质量分数)不同对器件发光特性的影响. 制备了ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:QDs(B)/LiF/Al 结构的电致发光器件, 测试了器件的电致发光光谱和电学、光学特性. 当QDs掺杂浓度为40%, 驱动电压为8 V时器件能得到较为理想的白光发射. 同时, 对比研究了非掺杂体系的发光特性, 制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/QDs(B)/LiF/Al的器件, 掺杂体系相较于非掺杂体系, 器件的最大亮度增大, 启亮电压降低, 并分析了掺杂体系器件性能改善的原因.
Tb0.3Dy0.7Fe2合金磁畴偏转的滞回特性研究
严柏平, 张成明, 李立毅, 吕福在, 邓双
2016, 65 (6): 067501. doi: 10.7498/aps.65.067501
摘要 +
研究了不同载荷作用下Tb0.3Dy0.7Fe2合金在压磁和磁弹性效应中磁畴偏转的滞回特性. 基于Stoner-Wolhfarth模型的能量极小原理, 采用绘制自由能-磁畴偏转角度关系曲线的求解方法, 研究了压磁和磁弹性效应中载荷作用下的磁畴角度偏转和磁化过程, 计算分析了不同载荷作用下磁畴偏转的滞回特性. 研究表明, 压磁和磁弹性效应中磁畴偏转均存在明显的滞回、跃迁效应, 其中磁化强度的滞回效应来源于磁畴偏转的角度跃迁; 压磁效应中预加磁场的施加将增大磁化强度的滞回, 同时使滞回曲线向大压应力方向偏移; 磁弹性效应中磁畴偏转的滞回存在两个临界磁场强度, 不同磁场强度下合金具有不同的磁畴偏转路径和磁化滞回曲线, 临界磁场强度的大小取决于预压应力的施加. 理论分析对类磁致伸缩材料磁畴偏转模型的完善和材料器件的设计应用非常有意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
高压熔渗生长法制备金刚石聚晶中碳的转化机制研究
胡强, 贾晓鹏, 李尚升, 宿太超, 胡美华, 房超, 张跃文, 李刚, 刘海强, 马红安
2016, 65 (6): 068101. doi: 10.7498/aps.65.068101
摘要 +
在6 GPa和1500 ℃的压力和温度范围内, 利用高压熔渗生长法制备了纯金刚石聚晶, 深入研究了高温高压下金刚石聚晶生长过程中碳的转化机制. 利用光学显微镜、X-射线衍射、场发射扫描电子显微镜检测, 发现在熔渗过程中金刚石层出现了石墨化现象, 在烧结过程中金刚石颗粒表面形貌发生了变化. 根据实验现象分析, 在制备过程中存在三种碳的转化机制: 1)金属熔渗阶段金刚石颗粒表面石墨化产生石墨; 2)产生的石墨在烧结阶段很快转变为填充空隙的金刚石碳; 3)金刚石直接溶解在金属溶液中, 以金刚石形式在颗粒间析出, 填充空隙. 本文研究碳的转化机制为在高温高压金属溶剂法合成金刚石的条件下(6 GPa和1500 ℃的压力和温度范围内)工业批量化制备无添加剂、无空隙的纯金刚石聚晶提供了重要的理论指导.
Ni与钇稳定的氧化锆(111)表面相互作用以及界面活性的第一性原理研究
董珊, 张岩星, 张喜林, 许晓培, 毛建军, 李东霖, 陈志明, 马款, 范政权, 魏丹丹, 杨宗献
2016, 65 (6): 068201. doi: 10.7498/aps.65.068201
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统研究了Ni原子在钇稳定的氧化锆(YSZ)(111)和富氧的YSZ(YSZ+O)(111)表面不同位置的吸附, 以及CO和O2分子在Ni1(单个镍原子)/YSZ和Ni1/YSZ+O表面吸附的几何与电子结构特征. 结果表明: 1) 单个Ni原子倾向于吸附在O原子周围, 几乎不吸附在Y原子周围, 且Ni原子在氧空位上吸附最稳定; 2)和YSZ相比, 单个Ni原子在YSZ+O表面易发生氧化现象, Ni原子失去1.06 e电子, 被氧化成了Ni+, 吸附能力更强; 3)被氧化的Ni催化活性大幅下降, 大大减弱了表面对O2和CO等燃料气体的吸附作用.
纳米静态随机存储器低能质子单粒子翻转敏感性研究
罗尹虹, 张凤祁, 王燕萍, 王圆明, 郭晓强, 郭红霞
2016, 65 (6): 068501. doi: 10.7498/aps.65.068501
摘要 +
针对65, 90, 250 nm三种不同特征尺寸的静态随机存储器基于国内和国外质子加速器试验平台, 获取了从低能到高能完整的质子单粒子翻转截面曲线. 试验结果表明, 对于纳米器件1 MeV以下低能质子所引起的单粒子翻转截面比高能质子单粒子翻转饱和截面最高可达3个数量级. 采用基于试验数据和器件信息相结合的方法, 构建了较为精确的复合灵敏体积几何结构模型, 在此基础上采用蒙特卡罗方法揭示了低能质子穿过多层金属布线层, 由于能量岐离使展宽能谱处于布拉格峰值的附近, 通过直接电离方式将能量集中沉积在灵敏体积内, 是导致单粒子翻转截面峰值的根本原因. 并针对某一轨道环境预估了低能质子对空间质子单粒子翻转率的贡献.
用于电真空器件的金属材料蒸发特性
刘燕文, 王小霞, 陆玉新, 田宏, 朱虹, 孟鸣凤, 赵丽, 谷兵
2016, 65 (6): 068502. doi: 10.7498/aps.65.068502
摘要 +
随着现代通信卫星技术的发展, 对微波真空电子器件的寿命和可靠性提出了更高的要求, 广泛应用于微波真空电子器件的蒙乃尔、不锈钢等金属材料的蒸发性能直接影响器件的可靠性和寿命. 本文采用飞行时间质谱仪(TOFMS)研究金属材料蒸发性能. 利用TOFMS测试了真空本底、蒙乃尔、不锈钢等各种金属材料蒸发物的成分和大小. 测试结果表明TOFMS具有很高的灵敏度, 是一种非常快捷的研究金属材料蒸发的实验手段. 测试结果发现在远低于Mn, Cu及Cr熔点的温度下, 蒙乃尔、不锈钢材料加热到800 ℃左右时就开始出现Mn, Cu元素的蒸发, 在900 ℃时就有大量Mn, Cu和Cr元素的蒸发, 这些蒸发物蒸发到绝缘陶瓷上会使电子枪的绝缘性能下降, 因而蒙乃尔和不锈钢不适用于阴极电子枪零件, 尤其不适用于长寿命高真空器件的阴极电子枪零件以及其他容易受到电子轰击的零件(如阳极、收集极等). 研究了在超高真空状态下加热时间对蒙乃尔和不锈钢材料表面结构的影响. 发现蒙乃尔和不 锈钢在900 ℃ 的温度下加热一段时间后, 其表面结构有了很大的变化, 出现了大量的孔洞和晶界, 并且随着处理时间的延长, 材料的晶粒间界逐渐变大, 从而使材料的强度下降、出现渗气甚至漏气等现象, 因此蒙乃尔和不锈钢材料制作的零件尤其是薄壁零件不宜长时间在超高真空状态下高温加热. 结合相关的理论知识对此现象进行了详细的分析.
界面铁掺杂锯齿形石墨烯纳米带的自旋输运性能
邓小清, 孙琳, 李春先
2016, 65 (6): 068503. doi: 10.7498/aps.65.068503
摘要 +
基于密度泛函理论第一原理系统研究了界面铁掺杂锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带的自旋输运性能, 首先考虑了宽度为4的锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带, 构件了4个纳米器件模型, 对应于中心散射区的长度分别为N=4, 6, 8和10个石墨烯单胞的长度, 铁掺杂在中心区和电极的界面. 发现在铁磁(FM)态, 四个器件的自旋的电流远大于自旋的电流, 产生了自旋过滤现象; 而界面铁掺杂的反铁磁态模型, 两种电流自旋都很小, 无法产生自旋过滤现象; 进一步考虑电极的反自旋构型, 器件电流显示出明显的自旋过滤效应. 探讨了带宽分别为5和6的纳米器件的自旋输运性能, 中心散射区的长度为N=6个石墨烯单胞的长度, FM 态下器件两种自旋方向的电流值也存在较大的差异, 自旋的电流远大于自旋电流. 这些结果表明: 界面铁掺杂能有效调控锯齿形石墨烯纳米带的自旋电子, 对于设计和发展高极化自旋过滤器件有重要意义.
用弛豫法探寻新的双开口膜泡
孔祥波, 张劭光
2016, 65 (6): 068701. doi: 10.7498/aps.65.068701
摘要 +
基于面积差弹性模型, 用弛豫法探寻满足开口膜泡边界条件的欧拉-拉格朗日方程组的新解, 得到了双开口的哑铃形分支解, 并结合以前得到的单开口哑铃形及闭合哑铃形, 对它们之间的相变进行了深入的研究. 为了探究实验上是否可能发现这些形状, 与以往实验上观察到的较小约化弛豫面积差的杯形、管形、烟囱形开口形状的能量进行了比较, 发现这些新形状在较大的约化弛豫面积差值时, 在某些线张力区间比以往发现的形状能量更低. 另外为了对比, 本文对于实验上已知的杯形、管形、烟囱形及球形之间的相变行进行了探讨, 并对两者之间的不同特点进行了对比.

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四元硫化物Cu2Zn(Ti, Zr, Hf)S4:一类新颖光伏材料
范巍, 曾雉
2016, 65 (6): 068801. doi: 10.7498/aps.65.068801
摘要 +
采用第一性原理电子结构方法研究了四价过渡金属Ti, Zr和Hf替代Cu2ZnSnS4(CZTS)中Sn原子以及Se替代S原子所得到的四元硫族化合物的电子结构、光学性质和晶体结构的稳定性. 实验上用Se替代CZTS中部分S得到的Cu2ZnSnS4-xSex(CZTSSe)作为光吸收材料, 可以进一步提高光伏效率. 我们计算表明用Se替代S后, CZTSe的价带顶明显下移, 并接近Cu(In, Ga) Se2 (CIGS)价带顶位置. 与CZTSe的电子结构特征一样, Cu2Zn(Ti, Zr, Hf)S4四元硫化物的价带顶与母体材料CZTS相比也向低能移动, 并接近CIGS价带顶位置. 由于高光伏效率要求窗口材料ZnO、缓冲层材料和光吸收材料的价带顶和带隙满足一定的渐进的变化关系, 因此可以预见用Cu2Zn(Ti, Zr, Hf)S4作光吸收材料可以有效地提高甚至接近CIGS的光伏效率. 通过计算弹性常数和声子谱, 以及有限温度下第一性原理分子动力学模拟, 发现Cu2Zn(Ti, Zr, Hf)S4的结构稳定性与CZTS相近. 进一步计算Cu2Zn(Ti, Zr, Hf)S4与不同缓冲层间和窗口材料与缓冲层间的反射系数, 并讨论了ZnSe, In2S3, ZnS作为缓冲层材料和TiO2作为窗口材料对光伏效率可能的影响.