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Vol. 66, No. 24 (2017)

2017年12月20日
总论 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 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 原子和分子物理学 气体、等离子体和放电物理
总论
带有Dzyaloshinski-Mariya相互作用的两比特纠缠量子Otto热机和量子Stirling热机
赵丽梅, 张国锋
2017, 66 (24): 240502. doi: 10.7498/aps.66.240502
摘要 +
研究了以带有Dzyaloshinski-Mariya(DM)相互作用的两比特自旋体系为工质的量子纠缠Otto热机和量子Stirling热机.两种不同热机在各自的循环过程中,通过保持其他参量不变,只有DM相互作用发生改变,从而分析热机循环中DM相互作用与热传递、做功以及效率等热力学量之间的关系.研究结果表明:DM相互作用对两种热机的基本量子热力学量都具有重要的影响,但量子Stirling热机由于回热器的使用,其循环效率会大于量子Otto纠缠热机的效率,甚至会超过Carnot效率;得到了量子Otto纠缠热机和量子Stirling热机做正功的条件.因此,在这两个纠缠体系中,热力学第二定律都依然成立.
电子自旋辅助实现光子偏振态的量子纠缠浓缩
赵瑞通, 梁瑞生, 王发强
2017, 66 (24): 240301. doi: 10.7498/aps.66.240301
摘要 +
量子纠缠浓缩可以将非最大的纠缠态转变为最大纠缠态,提高量子通信的安全性.本文基于圆偏振光和量子点-腔系统的相互作用,用一个单光子作为连接远距离纠缠光子对的桥梁,在理想条件下实现了光子偏振纠缠态的浓缩.计算结果显示,这个纠缠浓缩方案在考虑耦合强度和腔泄漏的情况下也可以保持较高的保真度,而且不需要知道部分纠缠态的初始信息,也不必重复执行纠缠浓缩过程.这不仅提高了量子纠缠浓缩的安全性,也有助于通过消耗最少的量子资源来实现高效的量子信息处理.
小世界神经元网络随机共振现象:混合突触和部分时滞的影响
李国芳, 孙晓娟
2017, 66 (24): 240501. doi: 10.7498/aps.66.240501
摘要 +
实际神经元网络中,信息传递时电突触和化学突触同时存在,并且有些神经元间的时滞很小可以忽略.本文构建了带有不同类型突触耦合的小世界网络,研究部分时滞、混合突触及噪声对随机共振的影响.结果表明:兴奋性和抑制性突触的比例影响共振的产生;在抑制性突触为主的网络里,几乎不产生随机共振.系统最佳噪声强度和化学突触比例大致呈线性递增关系;特别是在以化学耦合为主的混合突触网络里,仅当兴奋性突触与抑制性突触比例约为4:1时,噪声才可诱导网络产生共振行为.在此比例下,引入部分时滞发现时滞可诱导网络产生随机多共振,且随网络中时滞边比例的增加,系统响应强度达到最优水平的时滞取值区间逐渐变窄;同时发现,网络中含有的化学突触越多,部分时滞诱导产生的多共振行为越强.此外,当时滞为系统固有周期的整数倍时,时滞越大共振所对应的噪声区域越广;并且网络中时滞边越多,越容易促使噪声和时滞诱导其产生明显的共振行为.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
不同光线入射角度下超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究
丁浩林, 易仕和, 朱杨柱, 赵鑫海, 何霖
2017, 66 (24): 244201. doi: 10.7498/aps.66.244201
摘要 +
利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获取超声速(Ma=3.0)湍流边界层的密度分布,采用光线追迹方法计算其对应的光程差分布,并结合边界层气动光学相似律验证实验结果的可靠性.着重研究了光线入射角度对超声速湍流边界层气动光学效应的影响,并对其内在机理进行了分析.研究表明,气动光学效应对光线入射角度的依赖性源于光线在流场中的传输路径,传输路径的不同导致了光线在流场中的传输距离以及对应密度脉动互相关结果的差异.光线倾斜入射导致其在流场中传输距离增长,进而气动光学效应出现恶化.光线入射方向与壁面垂直方向之间的夹角越大,气动光学效应越显著,而且不同时刻的差异性增加,气动光学效应校正的难度增加.超声速湍流边界层中大量具有特定方向的涡结构导致了湍流边界层气动光学效应的各向异性.当光线倾斜向下游入射时,光线传播方向与流场中的涡结构具有较好的一致性,体现为此方向上密度脉动互相关系数较大,故气动光学效应比较严重.而当光线倾斜向上游入射时,相关系数较小,故气动光学效应较弱.
激光光强扰动对相干场成像降质影响理论研究
程志远, 马彩文, 马青
2017, 66 (24): 244202. doi: 10.7498/aps.66.244202
摘要 +
激光相干场成像系统发射多束激光,经大气传输对远程目标成像,大气湍流引起的激光束光强扰动是影响成像质量的一个关键因素.本文从湍流引起的激光束光强扰动对回波解调信号的影响关系入手,建立了激光回波光强扰动因子对相位闭合系数和成像频谱分量的降质传函理论模型;基于三光束激光相干场成像系统仿真验证了理论模型的有效性.研究表明激光相干场成像频谱分量和成像像质主要受三光束相位闭合求解算法中第二光束光强扰动影响.该研究揭示了激光回波光强扰动对成像像质的影响机理,对于分析大气湍流等引起的光强扰动降质效应和合理分配多光束光强稳定性以提高成像质量具有理论指导意义.
基于液晶/聚合物光栅的高转化效率有机半导体激光器
刘丽娟, 孔晓波, 刘永刚, 宣丽
2017, 66 (24): 244204. doi: 10.7498/aps.66.244204
摘要 +
采用有机半导体发光材料聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔]作为增益介质,低官能度光敏单体制备的液晶/聚合物光栅作为外部反馈谐振腔,制备出参数可独立控制的分离式结构的有机半导体激光器.液晶/聚合物光栅中液晶分子的取向影响光栅折射率调制量,从而影响光栅的反馈能力,最终影响激光器出射激光的性能.通过研究发现决定液晶分子取向的主要有两种与光栅周期有关的作用力,利用这一原理制备不同周期的光栅,光栅周期小于450 nm时,相分离出的液晶分子取向由光栅矢量方向变为光栅沟槽方向,此时光栅的折射率调制量增加,光反馈能力增强.采用周期为395 nm的液晶/聚合物光栅制备二级布拉格散射的有机半导体激光器,相较于大周期光栅(593 nm)制备的激光器,激光阈值由0.70 μJ/pulse降低至0.18 μJ/pulse,转化效率由2.5%提高到6.4%,且出射激光垂直于基板表面发射,有利于后续的处理及应用.

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连续变量1.34 m量子纠缠态光场的实验制备
马亚云, 冯晋霞, 万振菊, 高英豪, 张宽收
2017, 66 (24): 244205. doi: 10.7498/aps.66.244205
摘要 +
设计研制了连续单频671 nm/1342 nm双波长激光器,并通过模式清洁器降低了激光器额外噪声.利用该低噪声连续单频激光器抽运由Ⅱ类准相位匹配晶体构成的双共振非简并光学参量放大器,实验制备出纠缠度达3 dB的光通信波段1.34 m连续变量量子纠缠态光场.该波段量子纠缠态光场在光纤中传输损耗低且相散效应小,与现有的光纤通信系统相兼容,可用于实现基于光纤的实用化连续变量量子通信.
高斯切趾型光纤布拉格光栅外腔半导体激光器的混沌输出特性
起俊丰, 钟祝强, 王广娜, 夏光琼, 吴正茂
2017, 66 (24): 244207. doi: 10.7498/aps.66.244207
摘要 +
基于光反馈半导体激光器(SL)速率方程模型,理论仿真研究了高斯切趾型光纤布拉格光栅(GAFBG)反馈SL(GAFBGF-SL)混沌输出的延时特征(TDS)以及混沌带宽特性.结果表明:随着反馈强度的增加,GAFBGF-SL表现出由准周期进入混沌的动力学演化路径;通过合理选择GAFBG布拉格频率与SL中心频率之间的频率失谐及反馈强度,GAFBGF-SL混沌输出的TDS能得到有效抑制(低于0.02);通过进一步绘制混沌信号TDS及带宽在GAFBG布拉格频率与SL中心频率之间的频率失谐和反馈强度构成的参量空间中的分布图,确定了获取弱TDS、宽带宽光混沌信号的参数范围.
Non-Kolmogorov湍流大气中小尺度热晕效应线性理论
张鹏飞, 乔春红, 冯晓星, 黄童, 李南, 范承玉, 王英俭
2017, 66 (24): 244210. doi: 10.7498/aps.66.244210
摘要 +
从小尺度热晕线性理论出发,在non-Kolmogorov谱的基础上,得到了non-Kolmogorov谱湍流下热晕相位补偿的Strehl比表达式,分析了湍流谱对高能激光的相位补偿的影响.研究结果表明湍流谱对湍流热晕效应的相位补偿有重要的影响.在相同的湍流菲涅耳数下,当谱指数越接近于3时补偿效果越差,谱指数接近于4时补偿效果越好.在相同大气相干长度条件下或在相同湍流折射率常量条件下,当谱指数接近于3时,Strehl比随热晕效应的增强而下降变快,当湍流谱指数逐渐接近于4时,Strehl比下降速度变慢.其原因是随着湍流谱指数的增大,湍流热晕相互作用引起的对数振幅起伏增长变慢.
不同类型偶氮材料光致双折射的温度特性研究
吕子瑶, 潘雨佳, 王长顺
2017, 66 (24): 244203. doi: 10.7498/aps.66.244203
摘要 +
在不同温度下,分别测量了掺杂偶氮材料、偶氮聚合物和偶氮液晶聚合物的光致双折射行为,并利用双e指数模型对光致双折射的动力学过程进行了拟合.实验结果表明,偶氮材料的光致双折射源于偶氮分子的光致异构和光致分子取向,光致双折射大小随温度的升高表现出先增大后减小的趋势.在抽运光的作用下,含偶氮材料的光致双折射包含一个由偶氮分子取向引起的快过程和一个由偶氮分子带动大分子取向引起的慢过程.关闭抽运光后,掺杂偶氮材料和偶氮聚合物表现为可逆的弛豫,而偶氮液晶聚合物则展现出长久光存储特性.
混沌光注入垂直腔面发射激光器混沌输出的时延和带宽特性
苏斌斌, 陈建军, 吴正茂, 夏光琼
2017, 66 (24): 244206. doi: 10.7498/aps.66.244206
摘要 +
提出并仿真论证了利用一个双光反馈垂直腔面发射激光器(定义为主VCSEL,M-VCSEL)产生的混沌光平行单向注入到另一个VCSEL(定义为副VCSEL,S-VCSEL)使所产生的混沌信号的延时特征(TDS)和带宽特性得以优化的技术方案.首先,基于VCSELs自旋反转模型,结合自相关分析方法,通过对系统参量进行优化,可使双光反馈M-VCSEL的X偏振分量(X-PC)和Y偏振分量(Y-PC)均输出混沌信号,且两路混沌信号的平均强度相当、TDS均较弱;在此基础上,将双光反馈M-VCSEL在优化条件下得到的混沌信号平行单向注入到S-VCSEL中,以获得两路TDS得到抑制、带宽更宽的混沌信号.通过考察两个偏振分量输出混沌信号的TDS以及混沌带宽在注入强度和频率失谐构成的参数空间的演化规律,确定了系统获取两路TDS被抑制、宽带宽的混沌信号所需的注入参数范围.
掺钕微球的受激辐射激光和自受激拉曼散射
黄衍堂, 彭隆祥, 庄世坚, 李强龙, 廖廷俤, 许灿华, 段亚凡
2017, 66 (24): 244208. doi: 10.7498/aps.66.244208
摘要 +
采用溶胶-凝胶法在SiO2微球表面覆盖上一薄层Nd3+掺杂SiO2,并经电极放电熔融后形成表面光滑的高Q值微球.采用锥光纤将808 nm的抽运激光耦合入钕离子掺杂的高Q值微球形成回廊模,激发产生了1080–1097 nm波段受激辐射激光.由于所产生的激光有足够高的功率密度,在高Q SiO2微球中激发产生了波长为1120–1143 nm一级自受激拉曼散射激光.推导了锥光纤掺钕微球组合的自受激拉曼散射的输出功率和阈值公式.描述了输出激光的特性:阈值、输出功率、线宽、边模抑制比.
等离子体光栅靶的表面粗糙度对高次谐波产生的影响
李夏至, 邹德滨, 周泓宇, 张世杰, 赵娜, 余德尧, 卓红斌
2017, 66 (24): 244209. doi: 10.7498/aps.66.244209
摘要 +
极紫外光和软X射线由于其波长和脉冲持续时间极短,可用于超快物理过程和物质微观结构的探测.最近几年,研究人员发现激光和等离子体相互作用可以产生持续时间极短(阿秒)且相干性较好的高次谐波辐射,其波长可接近甚至达到水窗波段.然而,实验研究指出,理论上应出现的一些谐波在实验中并没有出现.本文针对超短超强激光与非理想条件下的等离子体光栅靶相互作用产生高次谐波的物理过程进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,等离子体光栅的周期性结构对于高次谐波的频谱和辐射角分布存在显著调制效果.光栅靶表面粗糙度直接影响光栅的光学调制效果,改变高次谐波的频谱分布和辐射角分布.理想光栅条件下,满足光栅匹配条件的特定阶数谐波明显获得增强,且辐射张角集中在平行靶面的方向.靶表面粗糙度的出现,导致光栅匹配条件失效,高次谐波能量向各阶分散且辐射张角逐渐偏离靶表面方向.研究结果较好地解释了实验中观测到的谐波频谱分布,为进一步的研究提供了一定参考.
有机电光晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐的太赫兹光谱研究
连宇翔, 戴泽林, 许向东, 谷雨, 李欣荣, 王福, 杨春, 成晓梦, 周华新
2017, 66 (24): 244211. doi: 10.7498/aps.66.244211
摘要 +
采用色散校正的密度泛函理论(dispersion-corrected density functional theory,DFT-D2)对有机电光晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(4-N,N-dimethylamino-4'-N'-methyl-stilbazolium tosylate,DAST)进行结构优化和太赫兹光谱计算,通过逐步提高精度进行几何优化的方法寻找DAST收敛的基态稳定结构,获得与DAST初始结构相一致的基态稳定结构.在此结构的基础上,在0–4 THz范围的太赫兹计算光谱与实验测量结果一致,说明采用DFT-D2进行优化的合理性.重要的是,首次通过计算的太赫兹光谱对DAST在0–4 THz范围的太赫兹吸收峰的振动模式进行了详细归属.结果表明:1.12 THz处的振动是DAST阴阳离子的光学声子模式,1.46 THz和1.54 THz两处的振动主要与磺酸盐有关,而2.63 THz和3.16 THz两处的振动则分别源于阳离子的扭转振动和阴离子的转动.该结果不仅很好地说明了阴阳离子分别在太赫兹响应中的贡献,而且为今后通过取代阴阳离子基团获取具有更高二阶非线性效应的DAST衍生物的新合成提供了重要的参考和指导.本文结果说明密度泛函理论在太赫兹光子学上的重要应用,对探究有机电光晶体的太赫兹响应物理原理、性能控制等具有重要的指导价值.

编辑推荐

基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜
孙宏祥, 方欣, 葛勇, 任旭东, 袁寿其
2017, 66 (24): 244301. doi: 10.7498/aps.66.244301
摘要 +
研究基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜.根据近零折射率材料的声波方向选择机理,采用蜷曲空间结构为基本单元进行排列,设计具有特定入射与出射界面的几何结构,对透射声波的出射方向进行调控,实现了平面声波与柱面声波的聚焦效应,并深入讨论了透镜内部刚性散射体对声聚焦性能的影响.在此基础上,改变近零折射率透镜的出射界面,可以精确调控声波阵面的形状与方向.该类型透镜具有单一的单元结构、高聚焦性能及高鲁棒性等优点.研究结果为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供了理论指导与实验参考,同时也为研究声波阵面的调控提供了新思路.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
掺杂三角形硼氮片的锯齿型石墨烯纳米带的磁电子学性质
张华林, 孙琳, 韩佳凝
2017, 66 (24): 246101. doi: 10.7498/aps.66.246101
摘要 +
利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了三角形BN片掺杂的锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)的磁电子学特性.研究表明:当处于无磁态时,不同位置掺杂的ZGNR都为金属;当处于铁磁态时,随着杂质位置由纳米带的一边移向另一边时,依次可以实现自旋金属-自旋半金属-自旋半导体的变化过程,且只要不在纳米带的边缘掺杂,掺杂的ZGNR就为自旋半金属;当处于反铁磁态时,在中间区域掺杂的ZGNR都为自旋金属,而在两边缘掺杂的ZGNR没有反铁磁态.掺杂ZGNR的结构稳定,在中间区域掺杂时反铁磁态是基态,而在边缘掺杂时铁磁态为基态.研究结果对于发展基于石墨烯的纳米电子器件具有重要意义.
W20O58(010)表面氢吸附机理的第一性原理研究
姜平国, 汪正兵, 闫永播, 刘文杰
2017, 66 (24): 246801. doi: 10.7498/aps.66.246801
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,在广义梯度近似下,研究了W20O58晶胞、W20O58(010)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明:W20O58晶体理论带隙宽度为0.8 eV,为间接带隙,具有金属性.W20O58晶体中W–O共振较强,以共价键居多.W20O58(010)表面有WO终止(010)表面和O终止(010)表面,表面结构优化后使得W–O键长和W–O–W键角改变,从而实现表面弛豫.分别计算了H2分子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的WO-L-O1c,WO-V-O1c,WO-L-O2c,WO-V-O2c,O-L-O1c和O-V-O1c六种吸附构型,其中WO-L-O1c,WO-V-O1c和WO-L-O2c这三种吸附构型不稳定;而WO-V-O2c,O-L-O1c和O-V-O1c这三种吸附构型都很稳定,H2分子都解离成两个H原子,吸附能均为负值,分别为-1.164,-1.021和-3.11 eV.WO-V-O2c吸附构型的两个H原子分别吸附在O和W原子上;O-L-O1c吸附构型的两个H原子,一个与O原子成键,另一个远离了表面.其中O-V-O1c吸附构型最稳定,两个H原子失去电子,为O原子提供电子.分析其吸附前后的态密度,H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,均形成了一些较强的成键电子峰,两个H原子分别与O1c形成化学键,最终吸附反应生成了一个H2O分子,同时产生了一个表面氧空位.
空间高能离子在纳米级SOI SRAM中引起的单粒子翻转特性及物理机理研究
张战刚, 雷志锋, 岳龙, 刘远, 何玉娟, 彭超, 师谦, 黄云, 恩云飞
2017, 66 (24): 246102. doi: 10.7498/aps.66.246102
摘要 +
基于蒙特卡罗方法研究空间高能离子在65–32 nm绝缘体上硅静态随机存取存储器(SOI SRAM)中产生的灵敏区沉积能量谱、单粒子翻转截面和空间错误率特性及内在的物理机理.结果表明:单核能为200 MeV/n的空间离子在60–40 nm厚的灵敏区中产生的能损歧离导致纳米级SOI SRAM在亚线性能量转移阈值区域出现单粒子翻转;宽的二次电子分布导致灵敏区仅能部分收集单个高能离子径迹中的电子-空穴对,致使灵敏区最大和平均沉积能量各下降25%和33.3%,进而引起单粒子翻转概率降低,以及在轨错误率下降约80%.发现俘获带质子直接电离作用导致65 nm SOI SRAM的在轨错误率增大一到两个数量级.
扭转形变对石墨烯吸附O原子电学和光学性质影响的电子理论研究
范达志, 刘贵立, 卫琳
2017, 66 (24): 246301. doi: 10.7498/aps.66.246301
摘要 +
基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了扭转形变对石墨烯吸附O体系结构稳定性、电子结构和光学性质,包括吸附能、带隙、吸收系数及反射率的影响.研究发现,吸附O原子后,距O原子最近的C原子被拔起,导致石墨烯平面发生扭曲.吸附能计算表明,扭转形变使石墨烯吸附O原子体系结构稳定性下降,而扭转程度对结构稳定性影响微弱.能带结构分析发现,O原子的吸附使石墨烯由金属变成半导体,扭转形变发生时,可实现其从半导体到金属、再到半导体特性的转变.扭转角为12°的吸附O原子体系为间接带隙,而其他出现带隙的体系均为直接带隙.与本征石墨烯受扭体系相比,吸附O原子体系的电子结构对扭转形变的敏感度降低,其中扭转角在10°–16°范围内变化时,带隙始终稳定在0.11 eV附近,即在此扭转角范围内始终对应窄带隙半导体.在光学性能中,受扭转形变的吸附体系吸收系数和反射率峰值较未受扭转形变石墨烯吸附O原子体系均减弱,且随着扭转程度的加剧,均出现红移到蓝移的转变.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
氮化镓基感光栅极高电子迁移率晶体管器件设计与制备
朱彦旭, 宋会会, 王岳华, 李赉龙, 石栋
2017, 66 (24): 247203. doi: 10.7498/aps.66.247203
摘要 +
GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)作为栅控器件,具有AlGaN/GaN异质结处高浓度的二维电子气(2DEG)及对表面态敏感等特性,在栅位置处与感光功能薄膜的结合是光探测器领域重要的研究方向之一.本文首先提出在GaN基HEMT栅电极上引入光敏材料锆钛酸铅(PZT),将具有光伏效应的铁电薄膜PZT与HEMT栅极结合,提出一种新的“金属/铁电薄膜/金属/半导体(M/F/M/S)”结构;然后在以蓝宝石为衬底的AlGaN/GaN外延片上制备感光栅极HEMT器件.最后,通过PZT的光伏效应来调控沟道中的载流子浓度和通过源漏电流的变化来实现对可见光和紫外光的探测.在365 nm紫外光和普通可见光条件下,对比测试有/无感光栅极的HEMT器件,在较小Vgs电压时,可见光下测得前者较后者的饱和漏源电流Ids的增幅不下降,紫外光下前者较后者的Ids增幅大5.2 mA,由此可知,感光栅PZT在可见光及紫外光下可作用于栅极GaN基HEMT器件并可调控沟道电流.
负带隙HgCdTe体材料的磁输运特性研究
沈丹萍, 张晓东, 孙艳, 康亭亭, 戴宁, 褚君浩, 俞国林
2017, 66 (24): 247301. doi: 10.7498/aps.66.247301
摘要 +
通过单晶生长了Cd组分为0.1的p型HgCdTe体材料,并制备了具有倒置型能带序的HgCdTe场效应器件.通过磁输运测试,在负带隙HgCdTe体材料中观察到明显的量子霍尔平台效应和Shubnikov-de Haas(SdH)振荡效应,证明样品具有较好的质量.利用SdH振荡对1/B关系的快速傅里叶变换,得到了样品的零场自旋分裂能约为26.55 meV,证明样品中存在强自旋-轨道耦合作用.进一步分析SdH中的拍频节点估算了样品中的有效g因子约为-11.54.
MoS2电子屏蔽长度和等离激元
陶泽华, 董海明
2017, 66 (24): 247701. doi: 10.7498/aps.66.247701
摘要 +
通过有效哈密顿量求解了单层MoS2低能量区的电子薛定谔方程,分析得出电子能量本征值以及波函数、电子态密度以及电子间的屏蔽长度.发现电子能带分裂成两支导带和两支价带,并且其能带是准线性的.MoS2的电子间的屏蔽长度非常大,高达108 cm-1.利用费曼图形自洽方法,在无规相近似的基础上研究了单层二硫化钼电子系统的多体相互作用产生的等离激元.研究发现二硫化钼系统由于自旋的劈裂使得导带中存在两支自旋频率不同的等离激元,该元激发的特征与单层石墨烯和传统二维电子气的等离激元对波矢q的依赖关系是一样的,激发频率都正比于q1/2,并且随着电子浓度的增加激发频率增大.由于其准线性的能量色散关系,该系统等离激元的频率与电子浓度的变化关系非常不同于石墨烯和二维电子气的关系.自旋-轨道耦合对单层二硫化钼的能带结构和电子性质有重要的影响.研究发现,通过调控二硫化钼系统的电子浓度可以有效地调节该系统两支等离激元的频率.研究结果对理解二硫化钼的电子结构和性质,以及开发二硫化钼为基础的等离子器件有重要的研究和参考价值.
p型多晶硅薄膜应变因子与掺杂浓度关系理论研究
王健, 揣荣岩
2017, 66 (24): 247201. doi: 10.7498/aps.66.247201
摘要 +
多晶硅薄膜具有良好的压阻特性,晶粒结构和掺杂浓度决定其压阻特性.一般通过调节掺杂浓度改变压阻参数,但现有的多晶硅薄膜压阻系数与掺杂浓度的理论关系和适用范围不够全面.为了完善多晶硅薄膜压阻理论,基于多晶硅纳米薄膜隧道压阻模型,以及硅价带和空穴电导质量随应力改变的机理,提出了一种p型多晶硅薄膜压阻系数算法.该算法分别求取了晶粒中性区和复合晶界区的压阻系数π11,π12和π44的理论公式,据此可以计算任意择优晶向排列多晶硅的纵向和横向压阻系数.根据材料的结构特性,求取了p型多晶硅纳米薄膜和普通多晶硅薄膜应变因子,绘制了应变因子与掺杂浓度的关系曲线,与测试结果比较,具有较好的一致性.因此,该算法全面和准确,对多晶硅薄膜的压阻特性的改进和应用具有重要意义.
Sr掺杂对CaMnO3基氧化物电子性质及热电输运性能的影响
张飞鹏, 张静文, 张久兴, 杨新宇, 路清梅, 张忻
2017, 66 (24): 247202. doi: 10.7498/aps.66.247202
摘要 +
采用密度泛函理论计算分析的方法研究了Ca位Sr掺杂的CaMnO3基氧化物的电子性质和电性能;采用柠檬酸溶胶-凝胶法结合陶瓷烧结制备工艺制备了Ca位Sr掺杂的CaMnO3基氧化物块体试样,分析研究了所得试样的热电传输性能.结果表明,Sr掺杂CaMnO3氧化物仍然呈间接带隙型能带结构,带隙宽度由0.756 eV减小到0.711 eV.Sr掺杂CaMnO3氧化物费米能级附近的载流子有效质量均得到调控,载流子浓度也有所增大.Sr比Ca具有更强的释放电子能力,其掺杂在CaMnO3氧化物中表现为n型.Sr掺杂的CaMnO3基氧化物材料电阻率大幅度降低,Seebeck系数绝对值较本征CaMnO3基氧化物材料有一定程度的增大,Sr掺杂量为0.06和0.12的Ca1-xSrxMnO3(x=0.06,0.12)试样,其373 K的电阻率分别降低至本征CaMnO3基氧化物材料的25%和21%,其373 K的Seebeck系数绝对值分别是本征CaMnO3基氧化物材料的112.9%和111.1%,Sr掺杂有效提高了CaMnO3基氧化物材料的热电性能.
具有p-GaN岛状埋层耐压结构的横向AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管
张力, 林志宇, 罗俊, 王树龙, 张进成, 郝跃, 戴扬, 陈大正, 郭立新
2017, 66 (24): 247302. doi: 10.7498/aps.66.247302
摘要 +
GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)相对较低的击穿电压严重限制了其大功率应用.为了进一步改善器件的击穿特性,通过在n-GaN外延缓冲层中引入六个等间距p-GaN岛掩埋缓冲层(PIBL)构成p-n结,提出一种基于p-GaN埋层结构的新型高耐压AlGaN/GaN HEMT器件结构.Sentaurus TCAD仿真结果表明,在关态高漏极电压状态下,p-GaN埋层引入的多个反向p-n结不仅能够有效调制PIBL AlGaN/GaN HEMT的表面电场和体电场分布,而且对于缓冲层泄漏电流有一定的抑制作用,这保证了栅漏间距为10 μm的PIBL HEMT能够达到超过1700 V的高击穿电压(BV),是常规结构AlGaN/GaN HEMT击穿电压(580 V)的3倍.同时,PIBL结构AlGaN/GaN HEMT的特征导通电阻仅为1.47 mΩ ·cm2,因此获得了高达1966 MW·cm-2的品质因数(FOM=BV2/Ron,sp).相比于常规的AlGaN/GaN HEMT,基于新型p-GaN埋岛结构的HEMT器件在保持较低特征导通电阻的同时具有更高的击穿电压,这使得该结构在高功率电力电子器件领域具有很好的应用前景.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

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共轭聚合物单分子构象和能量转移特性研究
秦亚强, 陈瑞云, 石莹, 周海涛, 张国峰, 秦成兵, 高岩, 肖连团, 贾锁堂
2017, 66 (24): 248201. doi: 10.7498/aps.66.248201
摘要 +
利用基于宽场显微光学系统的单分子散焦成像技术测量了不同构象poly[2,7-(9,9-dioctylfluorene)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole](PFO-DBT)共轭聚合物单分子的光物理与动力学特性.通过分析共轭聚合物单分子的荧光轨迹和对应的发射偶极取向变化识别共轭聚合物单分子发光单元,发现延伸构象下的单分子呈现多发色团发光特性,而折叠构象下的单分子保持高效链间能量转移,呈现单个发色团发光特性.共轭聚合物单分子构象对能量转移效率的影响可用于研究基于共轭聚合物的光电器件和分子器件.
高性能镍钴层状双金属氢氧化物的制备及其电化学性能研究
冯艳艳, 黄宏斌, 张心桔, 易亚军, 杨文
2017, 66 (24): 248202. doi: 10.7498/aps.66.248202
摘要 +
分别选用四种不同阴离子的镍、钴金属盐作为镍源和钴源,通过简单的水热法合成镍钴双金属氢氧化物,并对双金属氢氧化物的形貌结构及其电化学性能进行表征分析,以研究镍源和钴源阴离子的种类对所得材料形貌结构及其电化学性能的影响.结果表明:不同的镍、钴金属盐不仅影响着双金属氢氧化物的形貌结构,而且对其电化学性能也有很大的影响,其中,以硫酸镍和硫酸钴合成的镍钴双金属氢氧化物具有片层形貌结构和优异的电化学性能,在电位窗口为0.45 V、电流密度为1 A/g时,其比电容值可达1551 F/g.
Er2O3薄膜型热辐射体的制备与性能研究
刘士彦, 姚博, 谭永胜, 徐海涛, 冀婷, 方泽波
2017, 66 (24): 248801. doi: 10.7498/aps.66.248801
摘要 +
调制辐射体的可见和近红外区域的辐射光谱与光伏电池吸收光谱的匹配是开发高性能热光伏电池技术的关键.采用电子束蒸发在单晶硅衬底上制备金属Er薄膜并进行后氧化处理制备Er2O3薄膜型辐射体.X射线衍射结果表明薄膜结晶良好,且Si基底对Er2O3薄膜的晶体结构没有显著影响.X射线光电子能谱拟合结果表明薄膜中Er元素和O元素符合Er2O3的化学计量比.高温近红外光谱测试结果表明,样品在1550 nm左右出现了明显的Er3+离子的特征辐射峰,这与GaSb光电池的吸收光谱相匹配.
表面预处理对石墨烯上范德瓦耳斯外延生长GaN材料的影响
王波, 房玉龙, 尹甲运, 刘庆彬, 张志荣, 郭艳敏, 李佳, 芦伟立, 冯志红
2017, 66 (24): 248101. doi: 10.7498/aps.66.248101
摘要 +
基于范德瓦耳斯外延生长的氮化镓/石墨烯材料异质生长界面仅靠较弱的范德瓦耳斯力束缚,具有低位错、易剥离等优势,近年来引起了人们的广泛关注.采用NH3/H2混合气体对石墨烯表面进行预处理,研究了不同NH3/H2比对石墨烯表面形貌、拉曼散射的影响,探讨了石墨烯在NH3和H2混合气氛下的表面预处理机制,最后在石墨烯上外延生长了1.6 μm厚的GaN薄膜材料.实验结果表明:石墨烯中褶皱处的C原子更容易与气体发生刻蚀反应,刻蚀方向沿着褶皱进行;适当NH3/H2比的混合气体对石墨烯进行表面预处理可有效改善石墨烯上GaN材料的晶体质量.本研究提供了一种可有效提高GaN晶体质量的石墨烯表面预处理方法,可为进一步研究二维材料上高质量的GaN外延生长提供参考.
1.5 T关节磁共振成像超导磁体的设计、制作与测试
杜晓纪, 王为民, 兰贤辉, 李超
2017, 66 (24): 248401. doi: 10.7498/aps.66.248401
摘要 +
磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是当今世界上最先进的医学影像技术之一,现阶段MRI技术正朝着成像质量更清晰、功能更强大、效率更高、个体化更强的趋势发展.与全身MRI设备相比,专科型MRI设备具有体积小、重量轻、成本低、病人舒适度高、成像质量高、功能更强等优点.但是关节专用超导MRI系统需要长度方向上被严格限制的超导磁体在160 mm直径球域(diameter sphere volume,DSV)内产生高均匀度的磁场.本文综合考虑了超导线用量、中心磁感应强度和成像区磁场不均匀度等因素,使用0-1规划和遗传算法相结合的方法设计了一种非屏蔽型1.5 T关节MRI超导磁体,该磁体的室温孔径为280 mm,总长度为520 mm,液氦量为30 L,载流区最大磁场为5.48 T,5高斯线范围为径向3.2 m、轴向2.6 m,160 mm DSV的磁场不均匀度设计值为22 ppm,考虑加工误差及冷缩因素,磁体加工完成并经过被动匀场后的预估值为60 ppm.经过绕制、固化、组装、焊接等工序,该磁体已制作完成.经过3次锻炼后成功励磁到1.5 T,经过被动匀场后160 mm DSV的磁场不均匀度达到50 ppm,各项指标均达到设计目标.
基于时变小世界模型的航空网优化评估
韩定定, 姚清清, 陈趣, 钱江海
2017, 66 (24): 248901. doi: 10.7498/aps.66.248901
摘要 +
航空网的优化设计对于优化资源配置、改善航运效率、提高航空公司竞争力等具有重要的现实意义.而航线结构与航班计划密不可分.本文首先讨论了航空网的时变特征,揭示了航班频率与航线距离之间的时空耦合关联.通过构建时变空间小世界模型,揭示了时变条件下网络的最优结构指数与时空耦合强度的惟一约束关系.以运行总成本最小化为主要优化目标,提出了一种可以快速评估航线结构优化情况的方法.该方法能根据网络客流分布情况快速推算出航线网络的最优拓扑及相应的航班频率分布.并用2001–2010年中国航空网络数据对此方案进行实证研究,发现预测与实际数据基本符合,并逐渐趋于稳定.这一方法能把复杂问题简单化,对各个航空公司每年的航线航班调整是否合理,现有的航空网络是否在逐步优化做出动态评估.分析航空网络的发展趋势,从而对未来的优化提供建议.
原子和分子物理学
基于量子相干效应的无芯射频识别标签的空间散射场测量
闫丽云, 刘家晟, 张好, 张临杰, 肖连团, 贾锁堂
2017, 66 (24): 243201. doi: 10.7498/aps.66.243201
摘要 +
基于原子蒸汽池中铯里德伯原子的电磁感应透明光谱在微波场作用下的Aulter-Towns效应,测量了无芯射频识别标签线形散射单元的近场散射微波电场二维空间分布,空间分辨率可达到亚微波波长.实现了射频电场极化方向与线形散射体标签夹角的有效分辨.电磁仿真软件的仿真结果与实验测量符合得很好.本研究提供了一种测量微波电场近场测量的新方法,对无芯射频识别标签的散射单元设计和标定以及电子电路的电磁辐射测量具有重要的意义.
运用R矩阵方法研究低能电子与NO2分子的散射
朱冰, 冯灏
2017, 66 (24): 243401. doi: 10.7498/aps.66.243401
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基于静电-交换和密耦合两种模型,采用R矩阵方法,研究了低能电子与二氧化氮自由基分子的积分散射截面和动量迁移散射截面,包括弹性散射和从电子基态到电子激发态的非弹性散射.采用aug-cc-pVTZ基组进行靶分子结构优化和散射研究.在密耦合模型中,包含6个电子的最低三个占据轨道1b2,1a1,2a1被冻结,其余17个电子自由运动在活化空间中,并给活化空间增加了2b1和7a1两个虚轨道.包含了所有垂直激发能小于20 eV的靶分子电子组态,得到了收敛的散射截面,并与最新理论和实验值进行了比较.当入射能量小于4 eV时,本文结果与实验值符合得更好,校正了以往部分理论结果在极低能量处过高的现象,表明关联效应对于极低能量散射是非常重要的.
气体、等离子体和放电物理
激光高能X射线成像中探测器表征与电子影响研究
张天奎, 于明海, 董克攻, 吴玉迟, 杨靖, 陈佳, 卢峰, 李纲, 朱斌, 谭放, 王少义, 闫永宏, 谷渝秋
2017, 66 (24): 245201. doi: 10.7498/aps.66.245201
摘要 +
基于激光尾场加速电子的高能X射线源具有高光子能量与小源尺寸的特点,在高空间分辨无损检测方面发挥着十分重要的作用.在X光机上测量了CsI针状闪烁屏、锗酸铋(BGO)闪烁阵列与DRZ闪烁屏的本征空间分辨率,并模拟了三类探测器对高能X射线的能量沉积响应,其中CsI针状闪烁屏的空间分辨率高达8.7 lp/mm.采用Ta转换靶产生的高能X射线开展透视照相,能够分辨最高面密度33.0 g/cm2的两层客体结构.开展了X射线照相、X射线与电子混合照相以及电子照相三种情况的比对实验,在X射线产额不足或探测效率不够情况下采用X射线与电子混合透视照相的方案,以牺牲对比度为代价,能较大程度地提高图像信号强度.
捕获电子对低杂波与电子回旋波的协同效应的影响
杨友磊, 胡业民, 项农
2017, 66 (24): 245202. doi: 10.7498/aps.66.245202
摘要 +
电子回旋波和低杂波的协同效应可有效地提高两只波的电流驱动效率.本文数值研究了捕获电子效应对电子回旋波和低杂波协同的影响.结果显示,随着捕获角的增大,双波协同驱动电流会减小,且协同因子也会明显减小,即捕获角对两只波协同驱动流的影响要比其对单独驱动电流的影响更加敏感.通过加宽低杂波共振区可减弱电子回旋波电流驱动对捕获角的依赖,同时发现随着电子回旋波功率的增加,捕获角对电子回旋波电流驱动的影响也会变小.