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Vol. 66, No. 6 (2017)

2017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 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 地球物理学、天文学和天体物理学
总论
领导-跟随多智能体系统的部分分量一致性
吴彬彬, 马忠军, 王毅
2017, 66 (6): 060201. doi: 10.7498/aps.66.060201
摘要 +
首先给出多智能体系统的部分分量一致性概念,然后探讨有向网络拓扑结构下的一阶非线性领导-跟随多智能体系统的部分分量一致性问题.通过设计合适的牵引控制器,建立相应的误差系统,将多智能体系统的部分分量一致性转化为误差系统的部分变元稳定性,并运用矩阵理论和稳定性理论,导出该多智能体系统实现部分分量一致性的充分条件.数值模拟验证了理论结果的正确性.
复杂网络谱粗粒化方法的改进算法
周建, 贾贞, 李科赞
2017, 66 (6): 060502. doi: 10.7498/aps.66.060502
摘要 +
大规模网络的同步问题是网络科学的重要研究课题之一.粗粒化方法提供了一种将大规模网络转化为小规模网络,同时又能较好地保持原始网络的拓扑性质或动态特性的研究途径,其中比较有代表性的谱粗粒化方法能较好地保持初始网络的同步能力.然而,谱粗粒化方法在实际计算中计算量大、对实际大规模网络可执行性差.本文提出一种改进的谱粗粒化算法,能大幅减少计算量,同时获得更好的谱粗粒化效果.通过理论分析和大量的数值仿真实验验证了所提改进算法的粗粒化效果和计算量都明显优于原谱粗粒化方法.
强迫Lorenz系统的可预报性研究
李保生, 丁瑞强, 李建平, 钟权加
2017, 66 (6): 060503. doi: 10.7498/aps.66.060503
摘要 +
根据非线性局部Lyapunov指数方法,分别以常数强迫Lorenz系统和准周期强迫Lorenz系统为例,研究了在外强迫存在的条件下混沌系统可预报性的改变.结果表明:外强迫会影响混沌系统的可预报性,两种不同类型的强迫Lorenz系统的可预报期限都随着外强迫的增强而增加,但是大小相等方向相反的外强迫对系统可预报性的影响不同,其中正值强迫比负值强迫作用下的可预报期限更长,并且这种差异随着强度的增加而增大;不同形式的外强迫对可预报性的影响也不同,常数强迫的影响主要体现在误差增长的线性阶段,准周期强迫的影响除了线性阶段还必须考虑到非线性阶段;当强度相等的常数强迫和准周期强迫驱动Lorenz系统时,常数强迫作用下的系统可预报性更高.本文基于混沌理论模型的研究,对于实际大气的可预报性研究具有一定的启示意义.

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跨尺度亚纳米分辨的可溯源外差干涉仪
贺寅竹, 赵世杰, 尉昊赟, 李岩
2017, 66 (6): 060601. doi: 10.7498/aps.66.060601
摘要 +
提出了一种能够实现跨尺度测量具有亚纳米分辨力的可溯源外差干涉仪,利用小型化碘稳频532 nm激光器,将激光频率溯源至国际计量委员会推荐的复现米定义谱线之一的R(56)32-O(a10)上;使用双频激光空间分离的设计方法,抑制了双频激光混叠引起的测量位移非线性误差,补偿了光纤与声光调制器引入的相位噪声;通过高精度的相位测量技术,使相位测量分辨率达到了0.017.干涉仪的不确定度评估结果显示,100 mm的量程内,其不确定度达322 pm,实现了跨尺度亚纳米分辨力可溯源的位移测量.
弹性需求下的网络交通流逐日动态演化
刘诗序, 陈文思, 池其源, 严海
2017, 66 (6): 060501. doi: 10.7498/aps.66.060501
摘要 +
在现实交通系统中,网络的交通需求是可变的,随交通运行状态而改变.针对需求可变情形,以含两条路径的简单路网为例,建立了弹性需求下的网络交通流逐日动态演化模型,基于非线性动力学理论,证明了动态演化模型的不动点存在且唯一,并且推导出了弹性需求下网络交通流动态演化的稳定性条件.通过数值实验,分析了网络交通流演化特征.研究发现:在一定条件下流量演化会出现分岔和混沌现象,并且出行者的出行需求对费用越敏感,系统演化越可能稳定;出行者路径选择的随机性越小,系统演化越不可能稳定;出行者对前一天实际费用的依赖程度越小,系统演化越可能稳定.
核物理学
ST401塑料闪烁体的脉冲中子相对光产额评估方法
姚志明, 段宝军, 宋顾周, 严维鹏, 马继明, 韩长材, 宋岩
2017, 66 (6): 062401. doi: 10.7498/aps.66.062401
摘要 +
介绍了脉冲中子在ST401塑料闪烁体上的相对光产额评估方法.采用Geant4蒙特卡罗软件模拟X射线和中子在闪烁体中的输运行为,记录产生的全部带电粒子类型和能量,由公式计算得到相对光产额.给出了不同能量的单个中子和单个X射线入射到1 mm,3 mm,5 mm,1 cm,2 cm,3 cm,5 cm厚ST401的平均相对光产额.在0.3 MeV脉冲X射线源和14 MeV脉冲中子源上开展验证实验,采用相同的图像测量系统记录相对光产额,给出了单个中子与X射线的平均相对光产额比值.模拟结果与实验结果相对误差小于10%.结果可以为宽能谱脉冲中子束图像测量系统的量程安排提供依据.
原子和分子物理学
5d过渡金属原子掺杂六方氮化铝单层的磁性及自旋轨道耦合效应:可能存在的二维长程磁有序
杨明宇, 杨倩, 张勃, 张旭, 蔡颂, 薛玉龙, 周铁戈
2017, 66 (6): 063102. doi: 10.7498/aps.66.063102
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了5d过渡金属原子(Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au和Hg)取代六方氮化铝单层中的Al原子的几何结构、电子结构、磁性性质、铁磁态与反铁磁态能量差(EFM-EAFM)以及自旋轨道耦合效应导致的磁各向异性.研究发现Hg掺杂的体系中,5d金属原子和最邻近的N原子的键长最大,平均值为2.093,之后依次是Au,Hf,Pt,Ta和Ir.态密度结果显示掺杂体系的禁带中出现明显的杂质能级,给出了掺杂体系的总磁矩以及自旋密度的分布.对于EFM-EAFM,Hf,Re,Pt和Au四种原子的掺杂在48超胞中到达最大值,分别为-187.2563,286.2320,-48.0637和-61.7889 meV.磁各向异性结果中,Re掺杂的磁各向异性最大,达到11.622 meV.结合以上结果,我们预测5d过渡金属原子掺杂六方氮化铝单层可能存在二维长程磁有序.
Np(NO3)nq(n=16,q=-2+3)配合物的结构和性质
马磊, 殷耀鹏, 丁晓彬, 董晨钟
2017, 66 (6): 063101. doi: 10.7498/aps.66.063101
摘要 +
利用密度泛函理论的B3LYP杂化方法,在相对论有效芯势模型下,使用Gaussian 03程序对IV价镎离子(Np4+)与硝酸根离子(NO3-)形成的几种配合物Np(NO3)nq(n=16,q=-2+3)的几何结构进行了优化,给出了其结构参数及性质.研究发现:Np4+与NO3-在结合过程中均以双齿模式结合,且Np4+与2(NO3-)结合形成的Np(NO3)22+配合物的NpN键及NpO键的键长最短,但Np4+与4(NO3-)结合形成的Np(NO3)4配合物的结合能最大、结合最稳定.最后,进一步计算了Np(NO3)4配合物的红外光谱,通过与已有的实验数据对比的一致性,确认了本文计算结果的可靠性.

编辑推荐

ZnH分子激发态的电子结构和跃迁性质的理论计算
赵书涛, 梁桂颖, 李瑞, 李奇楠, 张志国, 闫冰
2017, 66 (6): 063103. doi: 10.7498/aps.66.063103
摘要 +
采用高精度的多参考组态相互作用方法计算了ZnH分子的能量最低四个离解限m Zn(1Sg)+H(2Sg),Zn(3Pu)+H(2Sg),Zn+(2Sg)+H-(1Sg)和Zn(1Pu)+H(2Sg)对应的7个-S态的势能曲线.计算中考虑了Davidson修正、标量相对论效应、自旋-轨道耦合效应和芯-价电子关联.基于计算的-S和态的势能曲线,数值求解一维径向Schrdinger方程得到了束缚电子态的光谱常数,理论计算结果与之前的实验结果符合较好.计算得到了7个-S态的电偶极矩随核间距的变化曲线,分析了电子组态成分变化对电偶极矩和成键性质的影响.计算结果表明,C2+态是一个离子对态.进一步地,分析了避免交叉点附近态的-S态组成的变化规律,讨论了避免交叉现象对跃迁偶极矩的影响.基于计算的跃迁偶极矩、Franck-Condon因子和振动能级信息,给出了束缚激发态(2)1/2,(3)1/2,(4)1/2和(1)3/2的v'=02振动能级的自发发射寿命,结果与现有实验值相符合.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
分层有耗手征介质中斜入射电磁波的传播矩阵
王飞, 魏兵
2017, 66 (6): 064101. doi: 10.7498/aps.66.064101
摘要 +
根据相位匹配条件,推导了平面电磁波斜入射情形下分层有耗手征介质中本征波复数波矢量的实部和虚部,二者方向不同使得在介质中传播的本征波为非均匀平面波.然后通过波矢量实部确定了介质中本征波的折射角.最后根据边界条件和本征波场方程给出了分层有耗手征介质中斜入射电磁波的传播矩阵,该传播矩阵可用于解析分析任意入射角情形下分层手征介质的反射透射和电波传播特性.
单模热致超大模场掺镱光纤放大器的数值研究
曹涧秋, 刘文博, 陈金宝, 陆启生
2017, 66 (6): 064201. doi: 10.7498/aps.66.064201
摘要 +
非线性效应是限制光纤激光器功率提升的重要限制因素,而超大模场光纤对于非线性效应的抑制具有重要意义.热致超大模场光纤是一种新型超大模场光纤,其利用热透镜效应实现低数值孔径波导结构,从而在保证光束质量的前提下实现超大模场输出.不过,现阶段对于热致超大模场光纤激光器的研究较为有限.本文提出了单模超大模场掺镱光纤放大器的速率方程模型,该模型由稳态速率方程和热传导方程组成.利用该模型,对前向抽运单模热致超大模场光纤放大器进行了数值研究.研究表明:信号光模场直径随着信号光功率的增加而增加,这体现了热致超大模场光纤在非线性效应抑制方面的优势.研究还揭示了最佳光纤长度及其产生的物理机制,发现最佳光纤长度与注入抽运光功率有关,其随着注入抽运光功率的增加而减小;不过,当注入抽运光功率足够大时,最佳光纤长度随注入抽运光功率变化不大.此外,还对输出光场的模式进行了探讨,验证了其在保证超大模场输出的同时,实现高斜率效率输出的可行性.相关研究对于热致超大模场光纤放大器的设计具有指导意义.
线性吸收介质非局域线性电光效应的耦合波理论
吴丹丹, 佘卫龙
2017, 66 (6): 064202. doi: 10.7498/aps.66.064202
摘要 +
本文提出了线性吸收介质非局域线性电光效应的耦合波理论,建立了相应的耦合波方程组,并求解了该方程组.由此,可给出在任意方向外加电场的作用下,光在具有空间非局域响应的线性吸收介质中沿任意方向传播时出射光场的表达式.据此,研究了线性吸收是如何改变出射光场的两个偏振分量的振幅、相位和波形的.进一步讨论了线性吸收对电光强度调制的影响,以及如何测量一阶线性和二阶非线性极化率非局域响应的特征长度和介质的线性吸收系数.
开放空腔壳体入水扰动流场结构及空泡失稳特征
路中磊, 魏英杰, 王聪, 曹伟
2017, 66 (6): 064702. doi: 10.7498/aps.66.064702
摘要 +
采用高速摄像实验和数值计算相结合的方法,对开放空腔壳体入水过程中空腔内气体涨缩对入水空泡的扰动机理和扰动作用下空泡局部失稳特征开展研究.基于实验观测结果,对比开放空腔和封闭空腔两种壳体入水空泡形态差异性,获得开放空腔壳体入水空泡波动特征,并根据能量守恒定律和能量转化关系,定性分析空腔自激扰动机理和扰动引起的空泡波动机理.基于数值计算结果,结合实验观测到的空泡阶段性局部失稳现象,定量分析空泡局部的结构性失稳特征和流动性失稳特征,并参照边界层理论和漩涡理论,揭示了空泡局部失稳机理.结果表明:入水冲击压缩空腔气体形成扰动源,对流场结构形成周期性扰动,导致空泡波动;撞水前空腔气体经冲击压缩密度升高,导致入水后气体首次膨胀阶段部分气体外泄,改变分离点流动,空泡局部结构失稳;空泡壁面流动具有类边界层流动特性,波动形态空泡形成多级回流现象,并逐级作用在空泡凹陷位置,使局部掺混区厚度增加,产生涡旋、转捩流动,空泡局部云化失稳;空泡逐级在波谷位置闭合、脱落,伴随大尺度漩涡生成,脱落过程形成拟序结构流场,漩涡导致脱落空泡迅速溃灭,但不会对附着空泡的流动产生影响.
神光III原型装置激光驱动高速飞片实验研究进展
税敏, 储根柏, 席涛, 赵永强, 范伟, 何卫华, 单连强, 朱斌, 辛建婷, 谷渝秋
2017, 66 (6): 064703. doi: 10.7498/aps.66.064703
摘要 +
激光驱动飞片技术具有产生的飞片速度高、成本低、装置简单等传统动高压加载技术无法取代的优点.随着激光技术的发展,利用高功率激光脉冲发射高速飞片受到越来越多的关注.本文介绍了在神光III原型装置上开展的激光驱动高速飞片实验研究.利用纳秒短脉冲和纳秒整形长脉冲,设计并开展了几种不同方式加速飞片的实验研究,成功获得了10 kms-1的固态铝飞片和50 kms-1超高速度的复合金属飞片,而且飞片具有良好的平面性和完整性.对实验的物理设计、技术途径和数据结果进行了比较全面的分析,为进一步开展激光驱动高速飞片相关实验研究提供了思路,同时也证明了神光III原型装置在激光驱动高速飞片实验研究方面有着巨大的潜力.
基于单层线-圆极化转换聚焦超表面的宽带高增益圆极化天线设计
李唐景, 梁建刚, 李海鹏, 牛雪彬, 刘亚峤
2017, 66 (6): 064102. doi: 10.7498/aps.66.064102
摘要 +
基于线-圆极化转换原理和聚焦超表面相关理论,设计了一种反射型宽带线-圆极化转换聚焦超表面,并结合线极化馈源设计了宽带的高增益圆极化天线.首先,提出了一种单层的变形十字超表面单元,单元具有极化独立特性,并且能够在1014 GHz宽频带范围实现对反射波相位360范围全调控,同时利用该单元构建的一维超单元很好地验证了奇异反射现象.然后,分别控制单元横向和纵向尺寸的分布构建出同时满足线-圆极化转换和聚焦条件的双功能超表面.最后,采用Vivaldi天线作为馈源对超表面进行照射组成天线系统,仿真及测试结果均表明天线系统同时实现了高增益和线-圆极化转换,系统的-1 dB带宽为24%,-3 dB轴比带宽为29.8%.本文的设计充分体现了超表面对电磁波相位和极化操控的灵活性,具有显著的应用前景.
一种编码式宽带多功能反射屏
陈巍, 高军, 张广, 曹祥玉, 杨欢欢, 郑月军
2017, 66 (6): 064203. doi: 10.7498/aps.66.064203
摘要 +
提出了一种可控的宽带多功能反射屏.通过将射频微机电系统技术与反射屏设计相结合,首先设计了可编码式工作的单元,该单元具有工作频带宽、损耗小、控制简单的特点.由该单元基于不同编码矩阵构成的反射屏可以实现不同的功能.文中展示了多功能反射屏的极化旋转和捷变散射场性能.仿真结果表明:设计的反射屏在8.913.2 GHz频段范围内极化转化率高达90%以上,且在8.913.1 GHz频段范围内可实现10 dB以上的雷达散射截面减缩.实测结果与仿真结果基本一致.
CdS/CdS0.48Se0.52轴向异质结纳米线的非对称光波导及双波长激射
李丹, 梁君武, 刘华伟, 张学红, 万强, 张清林, 潘安练
2017, 66 (6): 064204. doi: 10.7498/aps.66.064204
摘要 +
本文利用可控的化学气相沉积法合成了高质量的轴向CdS/CdS0.48Se0.52异质结纳米线.扫描电子显微镜表征发现这些纳米线具有光滑的表面结构;荧光显微图像表明纳米线由CdS和CdSSe两部分沿轴向构成;微区荧光光谱研究表明界面区具有高的结晶质量;光波导研究表明异质结纳米线具有非对称光传输特性;进一步的激发功率依赖的荧光光谱研究表明此结构可以实现红和绿双波长激射,并且红色激射阈值低于绿色激射.理论模拟表明波导光可以两相间有效传输.
双开口Helmholtz局域共振周期结构低频带隙特性研究
姜久龙, 姚宏, 杜军, 赵静波, 邓涛
2017, 66 (6): 064301. doi: 10.7498/aps.66.064301
摘要 +
设计了一种双开口Helmholtz周期结构,该周期结构单元采用双开口内外腔设计,基于多腔耦合局域共振机理,可大大增加局域共振区域,增加能得到较低的低频带隙特性.通过设计调节内腔弧长,可以使带隙移动,达到特定低频频段的隔声效果.在分析低频带隙形成机理和影响因素时,采用声电类比原理建立带隙起始频率和截止频率的计算数学模型并与有限元方法进行对比分析.研究表明:该结构具有良好的低频带隙特性,其最低带隙段为86.9138.2 Hz.外径一定的条件下,低频带隙受内腔弧长、内外腔间隔以及周期单元结构间隔影响,内腔弧长越长,低频带隙越低;内外腔间距离越大,从而内腔体积变小,带隙向高频移动,其低频效果变差;减小结构间距对低频带隙起始频率无影响,但可以大大增加低频带隙截止频率,从而增加带隙宽度.该研究结论可以为低频降噪领域提供一定的实践和理论支持.
激波汇聚效应对球形气泡演化影响的数值研究
梁煜, 关奔, 翟志刚, 罗喜胜
2017, 66 (6): 064701. doi: 10.7498/aps.66.064701
摘要 +
利用三维程序,对比研究了汇聚激波及平面激波冲击下SF6球形气泡演化规律的异同,以期发现激波的汇聚效应对界面演化的影响.三维程序采用多组分可压缩欧拉方程,基于有限体积法,利用MUSCL-Hancock格式进行数值求解,可以达到时间和空间的二阶精度.相比平面激波,汇聚激波由于存在曲率,且激波强度以及壁面效应在汇聚激波运行的过程中逐渐增强,使得激波冲击后的流场演化有较大的不同.计算结果表明:汇聚激波作用下,气泡界面的涡结构更加尖锐;气泡内部的透射激波聚焦程度更强,在界面下游附近形成的最高压力大于平面激波算例,由此产生的射流运动速度更快;由于汇聚激波曲率及激波强度的变化,导致界面上涡量的分布规律以及涡量幅值产生较大变化.通过界面上产生的环量以及界面内外气体混合速度的对比表明,汇聚激波更有助于涡量的产生以及气体的混合.因此激波的汇聚效应对气泡界面演化具有重要影响.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
单晶六方SiC和多晶化学气相沉积SiC的常温辐照肿胀差异性
臧航, 黄智晟, 李涛, 郭荣明
2017, 66 (6): 066104. doi: 10.7498/aps.66.066104
摘要 +
SiC具有耐辐射、低感生放射性、耐高温等特点,在先进核能系统中具有重要的应用.用1.5 MeV的Si离子在常温下注入单晶六方SiC和多晶化学气相沉积SiC,注量分别为1101421016cm-2和1101521016cm-2,利用X射线衍射(XRD)仪和白光干涉仪测量材料的晶格常数和辐照肿胀随着注量增大的变化规律.结果显示:在1.5 MeV Si离子常温辐照下,注量达到21015cm-2时,单晶六方SiC完全非晶化;注量在1101551015cm-2,单晶六方SiC的辐照肿胀明显高于多晶化学气相沉积SiC的辐照肿胀;注量达到11016cm-2时,单晶六方SiC和多晶化学气相沉积SiC的辐照肿胀达到饱和并趋于一致,肿胀结果表明常温辐照环境下多晶化学气相沉积SiC的非晶化阈值剂量大于单晶六方SiC.通过分析单晶六方SiC和多晶化学气相沉积SiC常温辐照肿胀差异的原因,研究了晶界对SiC材料非晶化肿胀规律的影响,并对XRD辐照肿胀测量方法的适用范围进行了讨论.
石墨烯剪纸的大变形拉伸力学行为研究
韩同伟, 李攀攀
2017, 66 (6): 066201. doi: 10.7498/aps.66.066201
摘要 +
将传统宏观剪纸技术应用于纳观尺度,通过引入圆角矩形切口图案构建了石墨烯剪纸.采用分子动力学方法研究了单层与双层石墨烯剪纸的大变形拉伸力学行为和变形破坏机制,并系统地研究了关于切口图案的3个无量纲几何参数对单层石墨烯剪纸的力学性能和变形破坏机制的影响规律.研究发现,通过引入规则切口,可以有效地大幅度提高石墨烯的延展性,其断裂应变可达到完美石墨烯的56倍.通过控制3个几何参数,可以有效地调控石墨烯的延展性和力学行为.研究结果表明,古老的剪纸技术为提高二维纳米材料延展性、实现光电纳米器件可延展柔性化提供了一种新的解决方案.
纳米粗糙度对胶体液滴蒸发图案的影响机制
张永建, 叶芳霞, 戴君, 何斌锋, 臧渡洋
2017, 66 (6): 066101. doi: 10.7498/aps.66.066101
摘要 +
对比研究了SiO2胶体液滴在光滑基底与纳米粗糙度基底上的蒸发及其图案形成.实验发现,在光滑基底上,液滴的蒸发伴有显著的咖啡环效应,沉积图案呈现碗状.而在粗糙基底上蒸发后得到厚度分布较为均匀的蒸发图案,且裂纹密度明显增大.分析显示,纳米粗糙度可抑制液滴内沿基底的回流,极大地削弱了毛细流的补偿作用,导致颗粒在气-液界面富集并形成颗粒膜,从而克服了咖啡环效应,最终形成厚度分部均匀的蒸发图案.
带电胶体粒子弹性有效电荷测量的理论改进
王林伟, 徐升华, 周宏伟, 孙祉伟, 欧阳文泽, 徐丰
2017, 66 (6): 066102. doi: 10.7498/aps.66.066102
摘要 +
对于带高电荷的胶体粒子形成的胶体晶体,用现有的剪切模量与粒子间相互作用的理论模型去计算剪切模量时,得到的结果要比实验测量值大很多,而根据此理论模型由剪切模量测量值拟合得到的粒子表面有效电荷也比实验测量的表面有效电荷小很多.这个问题一直没有合理的解释.分析认为这是由于理论模型基于理想晶体,并没有考虑到实际晶体中存在孔隙等缺陷会造成材料机械性能的下降.针对该因素,本文对已有的理论模型进行了修正,引入了孔隙造成的影响,同时使用Sogami-Ise相互作用势代替原来常用的Yukawa作用势.研究中用扭转共振法测量了带电粒子胶体晶体的剪切模量,比较了分别根据修正前后的关系模型由所测剪切模量拟合的有效电荷(弹性有效电荷),证实修正后的理论模型更合理,与使用Alexander等的方法得到的归一化电荷相比,一致性有了明显提高.
基于密度泛函理论的La掺杂-TiAl体系结构延性与电子性质
宋庆功, 赵俊普, 顾威风, 甄丹丹, 郭艳蕊, 李泽朋
2017, 66 (6): 066103. doi: 10.7498/aps.66.066103
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了La替位Ti或Al且掺杂浓度分别为1.85 at.%,2.78 at.%,4.17 at.%,6.25 at.%,8.33 at.%,12.5 at.%的-TiAl合金的晶体结构、稳定性和延性等性质.结果显示,杂质La浓度x12.5 at.%,各个体系均具有较好的能量稳定性,即在一定条件下它们是可以实验制备的,且掺杂合金体系的密度4.6 gcm-3.La掺杂引起晶格参量变化进而导致合金体系的轴比发生变化.La的低浓度(x6.25 at.%)掺杂使合金体系的轴比相较纯-TiAl更接近于1,这对于改善材料的延性极为有利,其中Ti11LaAl12体系的轴比最接近于1,预报其延性最佳.通过对比Ti11LaAl12和Ti12Al12体系的布居数、电荷密度和电子态密度,发现Ti11LaAl12体系延性改善的电子因素为:掺杂使体系内Al(Ti)原子轨道上的电子重新分布,Ti-d轨道和Al-p轨道的电子数均减小,可被p-d杂化轨道局域化的电子数减小,p-d轨道杂化键强度降低,从而使位错移动的阻力减少,延性得以明显改善.电子重新分布改变了部分化学键的性质,部分AlTi共价键转化为AlLa离子键,部分TiTi共价键转化为TiLa金属键,它们的共价性及方向性明显降低,材料金属性增强.在掺杂体系中AlAl键的平均强度减弱,AlTi键和TiTi键的平均强度增强,三者的强度差异明显减小,晶体结构的各向异性程度降低.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
基于变温霍尔效应方法的一类n-GaN位错密度的测量
何菊生, 张萌, 潘华清, 邹继军, 齐维靖, 李平
2017, 66 (6): 067201. doi: 10.7498/aps.66.067201
摘要 +
结合莫特相变及类氢模型,采用浅施主能量弛豫方法,计算了一类常见n-GaN光电子材料的载流子迁移率,给出了精确测定其刃、螺位错密度的电学方法.研究表明,对于莫特相变材料(载流子浓度超过1018cm-3),以位错密度Ndis、刃螺位错密度比、刃位错周围浅施主电离能D1、螺位错周围浅施主电离能D2为拟合参数的载流子迁移率模型与实验曲线高度符合,拟合所得刃、螺位错密度与X射线衍射法或化学腐蚀方法的测试结果也基本一致.实验结果表明,莫特相变材料虽然载流子浓度高、霍尔迁移率低,但其位错密度却并不一定高过载流子浓度低、霍尔迁移率高的材料,应变也无明显差异,因此,莫特相变与刃、螺位错密度及两类位置最浅的施主均无关系,可能是位置较深的施主或其他缺陷所致,需要比一般杂质带高得多的载流子浓度.该方法适合霍尔迁移率在0 K附近不为零,霍尔迁移率曲线峰位300 K左右及以上的各种生长工艺、各种厚度、各种质量层次的薄膜材料,能够对迁移率曲线高度拟合,迅速给出莫特相变材料的相关精确参数.
Al掺杂和空位对ZnO磁性影响的第一性原理研究
侯清玉, 李勇, 赵春旺
2017, 66 (6): 067202. doi: 10.7498/aps.66.067202
摘要 +
Al掺杂和Zn空位在ZnO中或Al掺杂和O空位在ZnO中的磁性来源和机理的认识频有争议.为了解决本问题,本文采用基于自旋密度泛函理论框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波超软赝势方法,用第一性原理对其进行了研究,发现Al掺杂和O空位共存在ZnO中没有磁性;Al掺杂和Zn空位在ZnO中有磁性,并且,磁性来源主要由Zn空位产生的空穴为媒介,使得Zn空位附近O 2p态和Zn 4s态电子交换作用形成的.其次,Al掺杂和Zn空位在ZnO中或Al掺杂和O空位在ZnO中,Al掺杂和Zn空位或O空位相对位置较近时,掺杂体系形成能最低,掺杂和空位越容易,稳定性越高.
ZnSe量子点敏化纳米TiO2薄膜光电子特性研究
任伦, 李葵英, 崔洁圆, 赵杰
2017, 66 (6): 067301. doi: 10.7498/aps.66.067301
摘要 +
利用改进的直接吸附法制备核-壳ZnSe量子点敏化介孔掺镧nano-TiO2复合薄膜.通过瞬态光伏和稳态表面光伏技术以及相应的检测手段,探测复合薄膜的微结构、光电子特性以及光生载流子在异质结薄膜中的传输机制.研究证实,包覆在ZnSe量子点外层的配体L-Cys主要通过其羧基与介孔nano-TiO2表面未饱和的Ti原子键合,并完成量子点敏化复合薄膜的制备,由此实现对量子点在薄膜上沉积量的有效控制.实验结果表明:ZnSe量子点敏化nano-TiO2薄膜的表面光伏响应出现在300800 nm(紫外-可见-近红外)波长范围内,敏化后nano-TiO2薄膜的光学带隙远小于敏化前薄膜以及ZnSe量子点的光学带隙;与具有p-型光伏特性的ZnSe量子点不同,敏化后薄膜显示出明显的n-型光伏特性,这将有利于光生电子由薄膜的外表面向光阳极基底方向迁移和注入;敏化后薄膜中光生载流子寿命、电子-空穴对分离速度和扩散长度的提高导致了瞬态光伏响应强度的增加和响应范围的扩大.

编辑推荐

磁性材料磁有序的分子场来源
齐伟华, 李壮志, 马丽, 唐贵德, 吴光恒, 胡凤霞
2017, 66 (6): 067501. doi: 10.7498/aps.66.067501
摘要 +
对于磁性材料磁有序能的来源,即外斯分子场来源,本文提出一个模型:在磁性金属和合金中的相邻离子实之间,以及磁性氧化物的相邻阴阳离子间,其外层轨道上高速运动的电子分别有一定概率形成三种不同的状态.1)具有一定寿命的自旋相反的电子对,称为外斯电子对(WEP);2)距离很近且自旋方向相同的电子,容易发生互相交换,交换前后电子的自旋方向保持不变;3)当一个离子外层轨道有2个电子,其相邻的离子外层轨道只有1个电子时,前者多出的电子可以跃迁到后者的轨道上,并且保持自旋方向不变.我们认为,WEP两个电子间的静磁吸引能是分子场(即磁有序能)的主要来源.进而,推导出WEP的能量表达式、两电子的平衡间距和最大间距,探讨了在几种钙钛矿结构锰氧化物中形成外斯电子对的概率,用以解释居里温度附近晶格常数随温度变化的特点.结果表明这个模型是合理的.
厚度剪切模式铌酸锂基复合材料的磁电性能优化
辛成舟, 马健男, 马静, 南策文
2017, 66 (6): 067502. doi: 10.7498/aps.66.067502
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通过弹性力学方法计算了基于厚度剪切模式的铌酸锂(LiNbO3)基磁电复合材料磁电系数与铌酸锂晶体切型、磁致伸缩材料种类、材料尺寸的关系,并讨论了两种不同复合结构边界条件对剪切磁电性能的影响.计算结果表明:(xzt)30切型铌酸锂单晶具有最大剪切压电系数dp15,制作成的复合材料具有最大剪切磁电系数E15;通过两相尺寸优化,伸缩-剪切模式Terfenol-D/LiNbO3复合材料最大剪切磁电系数为24.13 V/(cmOe),剪切-剪切模式Metglas/LiNbO3复合材料最大剪切磁电系数为11.46 V/(cmOe).实验结果与理论计算规律相符,研究结果为剪切磁电复合结构的设计、剪切模式铌酸锂切型的选择优化提供了指导,有望利用高机械品质因数Qm值的铌酸锂单晶设计高频谐振磁场探测器.
聚丙烯/氧化铝纳米电介质的陷阱与直流击穿特性
马超, 闵道敏, 李盛涛, 郑旭, 李西育, 闵超, 湛海涯
2017, 66 (6): 067701. doi: 10.7498/aps.66.067701
摘要 +
聚丙烯电介质的直流击穿场强是影响其储能密度的关键因素,纳米氧化铝掺杂是一种提高聚合物电介质击穿场强的有效方法,因此有必要开展聚丙烯/氧化铝纳米电介质直流击穿特性的研究.为了探究其直流击穿机理,通过熔融共混法制备了聚丙烯/氧化铝纳米电介质试样,观察了其显微结构,并对其表面电位衰减特性、体电阻率和直流击穿场强进行了测试.实验结果表明,随着纳米氧化铝含量的增加,深陷阱能级和密度、体电阻率和直流击穿场强都呈现先升高后降低的趋势,当纳米氧化铝含量为0.5 wt%时出现最大值,其中,直流击穿场强相比于未掺杂时可提高27%左右.根据纳米电介质交互区模型,分析了聚丙烯/氧化铝纳米电介质的显微结构和陷阱参数之间的关系.基于空间电荷击穿理论,利用陷阱参数对聚丙烯/氧化铝纳米电介质直流击穿机理进行了探讨.认为交互区为聚丙烯/氧化铝纳米电介质提供了更多深陷阱,而深陷阱能级和密度在较高纳米掺杂量时出现不同程度的降低可能是由双电层模型交互区重叠所致;深陷阱能级和密度的增加可降低载流子的注入量,进而提高其体电阻率和直流击穿场强.
反射式变掺杂负电子亲和势GaN光电阴极量子效率研究
乔建良, 徐源, 高有堂, 牛军, 常本康
2017, 66 (6): 067903. doi: 10.7498/aps.66.067903
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从变掺杂负电子亲和势(NEA)GaN光电阴极材料的光电发射机理入手,给出了反射式变掺杂NEA GaN光电阴极内建电场和量子效率的计算公式.利用初步设计的变掺杂NEA GaN光电阴极,介绍了变掺杂NEA GaN阴极的激活过程和激活光电流的变化特点.结合国内外典型的变掺杂NEA GaN阴极的量子效率曲线,分析了GaN光电阴极量子效率曲线的特点.结果显示:由于内建电场的存在,反射式变掺杂NEA GaN光电阴极量子效率在240 nm处即可达到56%,在较宽的入射光波长范围内,阴极具有相对平稳的量子效率,量子效率值随入射光子能量的增加而增加,并且量子效率曲线在阈值附近表现出了明显的锐截止特性.
过渡金属掺杂锐钛矿TiO2(101)表面的改性
苏巧智, 韩清珍, 高锦花, 温浩, 江兆潭
2017, 66 (6): 067101. doi: 10.7498/aps.66.067101
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采用密度泛函理论的平面波超软赝势方法,对过渡金属Fe,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag和Au的中性原子在锐钛矿TiO2(101)面上的掺杂改性开展了系统深入的理论研究.通过比较分析锐钛矿TiO2(101)面掺杂前后的几何结构、电子结构和光学性质等,揭示了宏观催化活性与电子结构、光电子特性之间的关联.结果表明:过渡金属掺杂能减小禁带宽度或引入杂质能级,从而提高TiO2(101)面的可见光响应;杂质能级通常位于禁带内,这主要是由过渡金属原子的d电子态贡献形成的;不同过渡金属掺杂的TiO2(101)面具有不同的光催化性能,这与掺杂后的禁带宽度、费米能级位置、杂质能级的形成位置以及过渡金属原子的最外层电子排布等有关.本研究为TiO2光催化剂结构设计与改性提供了指导性参考,并有利于加深人们对其他材料的过渡金属掺杂的理解.
采用第一性原理研究钼掺杂浓度对ZnO物性的影响
贾晓芳, 侯清玉, 赵春旺
2017, 66 (6): 067401. doi: 10.7498/aps.66.067401
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Mo掺杂ZnO的吸收光谱红移和蓝移两种相互冲突的实验结果均有报道,但是仍然没有合理解释.为了解决该问题,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+U方法,用第一性原理分析了Zn0.9583Mo0.0417O,Zn0.9375Mo0.0625O,Zn14Mo2O的能带结构、态密度和吸收光谱分布.结果表明,Mo掺杂量为2.08 at%3.13 at%的范围内,随着掺杂量的增加,体系的体积逐渐增大,形成能逐渐升高,稳定性逐渐下降,掺杂逐渐困难.与此同时,所有掺杂体系均转化为n型简并半导体.与未掺杂ZnO相比,掺杂体系的带隙均变窄,吸收光谱均发生红移,Mo掺杂量越增加,掺杂体系带隙变窄减弱、吸收光谱红移减弱、电子有效质量越减小、电子浓度越减小、电子迁移率越减小、电子电导率越减小.同时,磁矩减小,掺杂体系的居里温度能达到室温以上.
电子辐照电介质样品带电泄放弛豫特性研究
封国宝, 曹猛, 崔万照, 李军, 刘纯亮, 王芳
2017, 66 (6): 067901. doi: 10.7498/aps.66.067901
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电子照射电介质材料的带电效应对介质微波部件的微放电现象有着重要影响.本文采用数值模拟的方法研究电子照射介质样品带电后的弛豫泄放过程.对入射电子与样品的相互作用考虑了弹性和非弹性碰撞过程,采用蒙特卡罗方法进行数值模拟;对沉积在样品内部的电荷泄漏过程则采用考虑电荷迁移、扩散以及俘获等过程的时域有限差分法进行处理.模拟了介质样品在带电泄放弛豫过程中的内部电荷和电位分布以及弛豫暂态特性,并分析了包括样品厚度、电子迁移率以及俘获密度在内的样品参数对泄放弛豫过程的影响.计算结果表明:在介质样品带电泄放的弛豫过程中,样品内部的总电荷量和表面电位逐渐减弱到一个与俘获密度直接相关的终态值;迁移率的增大会类线性比例地减少泄放时间常数,电荷泄放量随着样品厚度的增加呈现先增后减的趋势,而泄放量比随俘获密度增大从1近指数关系地减小为零.
飞秒激光脉冲能量累积优化对黑硅表面形貌的影响
陶海岩, 陈锐, 宋晓伟, 陈亚楠, 林景全
2017, 66 (6): 067902. doi: 10.7498/aps.66.067902
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在黑硅表面制备的微结构可以使其获得多种表面功能,这些功能在太阳能、探测器等领域具有广泛的应用.因此,黑硅微结构的形成机理及制备条件优化一直是研究关注的焦点.本文的研究发现,随着激光辐照量(提高单脉冲能量或增加积累脉冲数)的增加会遇到形貌尺寸生长的瓶颈效应:过多的能量累积对微结构的优化和控制并没有进一步的作用.理论计算结果表明,产生这一现象的原因是前序飞秒激光脉冲诱导产生的微结构形貌对当前激光脉冲能量的吸收产生了调制,使当前激光脉冲的有效烧蚀效率降低.根据这一飞秒激光烧蚀规律,提出了一种优化表面形貌的新方案在辐照激光总能量一定的条件下,通过改变激光能量的分配方式(单脉冲能量与脉冲数的组合)可实现表面形貌的优化.这一新的工作方式不但可以提高黑硅的制备效率,而且还有助于减少飞秒加工过程带来的表面缺陷及损伤,并降低加工过程中的能源消耗.这一研究成果对黑硅性能的进一步提升及其工程应用具有重要的意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
人类心室组织中波斑图引起的后除极化研究
王小艳, 汪芃, 唐国宁
2017, 66 (6): 068201. doi: 10.7498/aps.66.068201
摘要 +
突然的心脏死亡常常由心脏的心律失常引起,而心律失常常与后除极化有关.本文采用人类心脏模型研究了二维心肌组织中存在螺旋波或其他波斑图下后除极化的发生,通过改变L型钙电导和快钾电导让螺旋波演化,观察后除极化在空间的分布.研究发现:在单细胞和一维情况下不出现后除极化时,螺旋波可导致相II型和相III型早期后除极化、延迟后除极化、增强的自动性,以及延时激发和延时增强自动性的出现;还观察到螺旋波导致膜电位在动作电位I期出现弱振荡;后除极化一般出现在螺旋波波核区域,它是由螺旋波的相奇异点引起.后除极化也可以分布在更大的范围,当参数选取适当时,出现早期后除极化、延迟后除极化、增强自动性的空间点在空间呈螺旋线分布,展示记忆效应.通过观察各种离子电流变化发现:当激发细胞的钠电流很小时可诱发L型钙电流、钠钙交换电流的增大和慢钾电流、快钾电流的减少,导致各种后除极化的产生,因此增大钠电流可有效抑制后除极化的发生.
基于变分模态分解-相干分析的肌间耦合特性
杜义浩, 齐文靖, 邹策, 张晋铭, 谢博多, 谢平
2017, 66 (6): 068701. doi: 10.7498/aps.66.068701
摘要 +
肌间耦合是肢体运动过程中不同肌肉间的相互关联与相互协调作用.通过研究肌电信号(sEMG)间特征频段的耦合特性可以获得肌肉间的功能联系及中枢神经系统支配肢体运动的执行与协调方式机理.本文将变分模态分解与相干分析相结合,构建变分模态分解-相干分析模型,定量描述肢体运动中相关肌肉sEMG在特征频段的耦合特性.在20%最大自主收缩力静态负荷强度下,采集20名健康被试的sEMG,基于变分模态分解方法将sEMG时频尺度化,进而分析不同sEMG在特征频段的相干性,并计算显著相干面积指标,定量分析肌间特征频段的功能耦合特性.结果表明:低负荷静态握力维持过程中,指浅屈肌与尺侧腕曲肌、指浅屈肌与指伸肌的beta与gamma频段耦合强度随时间推进而增强;相较于指浅屈肌与指伸肌,疲劳状态下指浅屈肌与尺侧腕曲肌beta与gamma频段耦合强度变化更显著,且瞬时频率特征变化相似,揭示运动致疲劳过程中协同肌受中枢神经系统控制以更加同步的方式活动.
微重力条件下Cu-Zr共晶合金的液固相变研究
陈克萍, 吕鹏, 王海鹏
2017, 66 (6): 068101. doi: 10.7498/aps.66.068101
摘要 +
采用落管方法实现了液态Cu-10 wt.% Zr亚共晶、Cu-12.27 wt.% Zr共晶和Cu-15 wt.% Zr过共晶合金在微重力无容器条件下的快速共晶与枝晶生长.Cu-12.27 wt.% Zr共晶合金的凝固组织随液滴直径减小由层片规则共晶向不规则共晶转变,且层片间距减小;Cu-10 wt.% Zr亚共晶合金的初生(Cu)相随液滴直径减小由粗大树枝晶向棒状晶转变,且所占体积分数增加,部分区域形成花状凝固组织,(Cu)相枝晶辐射向外生长;Cu-15 wt.% Zr过共晶合金初生相则为金属间化合物Cu9Zr2相,呈条状生长,随液滴直径减小冷却速率增大,凝固组织由宏观弯曲生长向球状晶胞转变.理论计算表明,三个合金液固相变枝晶与共晶的生长均由溶质扩散控制.测定Cu-10 wt.% Zr亚共晶合金初生(Cu)相显微硬度随液滴直径减小而增大,三个合金的共晶相随合金初始成分增大而增大.
InGaAs/AlGaAs量子阱红外探测器中势垒生长温度的研究
霍大云, 石震武, 张伟, 唐沈立, 彭长四
2017, 66 (6): 068501. doi: 10.7498/aps.66.068501
摘要 +
InGaAs/AlGaAs量子阱是中波量子阱红外探测器件最常用的材料体系,本文以结构为2.4 nm In0.35Ga0.65As/40 nm Al0.34Ga0.66As的多量子阱材料为研究对象,利用分子束外延生长,固定InGaAs势阱的生长温度(465℃),然后依次升高分别选取465,500,545,580℃生长AlGaAs势垒层,从而获得四个不同的多量子阱样品.通过荧光光谱以及X射线衍射测试系统分析了势垒层生长温度对InGaAs量子阱发光和质量的影响,并较准确地给出了量子阱大致的温致弛豫轨迹:465500℃,开始出现相分离,但缺陷水平较低,属弹性弛豫阶段;500545℃,相分离加剧并伴随缺陷水平的上升,属弹性弛豫向塑性弛豫过渡阶段;545580℃,相分离以及缺陷水平急剧上升,迅速进入塑性弛豫阶段,尤其是580℃时,量子阱的材料质量被严重破坏.
地球物理学、天文学和天体物理学
用于透明平板平行度和均匀性测量的单元件干涉仪
兰斌, 冯国英, 张涛, 梁井川, 周寿桓
2017, 66 (6): 069501. doi: 10.7498/aps.66.069501
摘要 +
提出了一种基于单元件干涉的用于检测透明介质平整度和均匀性的干涉仪.该干涉仪的核心元件是一个菱形分光棱镜.激光光源的平面波光束的一半光束透过待测样品,另一半光束直接透过空气,然后分别入射到菱形分光棱镜的两垂直面并在分光面相遇、相干.通过旋转待测样品改变相干的两束光光程差,从而使干涉条纹发生移动.形成的相干光被分光板分成两束,一束进入光电探测器用于探测干涉条纹移动数的整数部分,另一束则进入电荷耦合探测器用于采集干涉条纹图来计算干涉条纹移动数的小数部分.通过计算条纹移动数反推出光程差的变化量,再结合折射率或样品厚度信息则可以计算出样品厚度或折射率的分布,从而检测出透明介质的平行度和均匀性.模拟仿真和光学实验均证明了本方法的可行性、准确性和稳定性.
液态Ag薄膜在修饰的石墨烯表面的形态演变及其界面性质
赵珍阳, 李涛, 李肖音, 李雄鹰, 李辉
2017, 66 (6): 069601. doi: 10.7498/aps.66.069601
摘要 +
利用分子动力学方法模拟了纳米尺度下液态Ag在表面修饰的石墨烯表面的界面现象.研究表明:Ag液滴在石墨烯表面发生反润湿现象,势函数参数、基体表面结构、Ag液膜厚度以及液膜形状对液膜的润湿性及形态变化均有显著影响,这些条件的改变都将会影响液滴的反润湿性,使液滴的脱离时间和脱离速度发生改变.此外,通过设置双液膜体系,研究了两液膜的桥接、断裂或融合、脱离过程.该研究对深入认识超疏水表面以及如何控制液滴的收缩和融合具有重要意义.