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Vol. 67, No. 6 (2018)

2018年03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 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 综述
综述
气体、等离子体和放电物理
总论
基于标架场理论的完整系统Boltzmann-Hamel方程简化方法研究
张素侠, 陈纬庭
2018, 67 (6): 060201. doi: 10.7498/aps.67.20172235
摘要 +
研究选取合适的准坐标简化完整系统Boltzmann-Hamel方程的问题.基于流形上的标架场理论,指出了定常构形空间中的准速度与标架场的联系,并从几何不变性的角度上导出了完整系统的Boltzmann-Hamel方程.证明了对于任意广义力为零的均匀构形空间、广义力不为零的零曲率构形空间,Boltzmann-Hamel方程均可以化简为可积分的形式,同时给出具体的简化方法并举例说明本方法的适用性.本文方法为寻找运动方程的解析解提供了一条新途径.
贝叶斯频率估计中频率的先验分布对有色噪声作用的影响
杨棣, 王元美, 李军刚
2018, 67 (6): 060301. doi: 10.7498/aps.67.20171911
摘要 +
在贝叶斯参数估计理论框架下,研究了被测参数的先验分布对有色噪声的抑制作用.选择一个受1/fα型谱密度有色噪声影响的自旋1/2量子比特作为量子探测系统来估计一个磁场强度的大小,利用贝叶斯代价函数的动力学演化来评判估计的精度,重点研究先验概率分布对噪声非高斯性的限制作用.研究发现:当先验概率的不确定度比较大时,有色噪声的非高斯性对频率估计精度的影响比较小;当先验概率的不确定度比较小时,有色噪声的非高斯性对频率估计精度的影响比较大.
基于自发参量下转换源二阶激发过程产生四光子超纠缠态
何英秋, 丁东, 彭涛, 闫凤利, 高亭
2018, 67 (6): 060302. doi: 10.7498/aps.67.20172230
摘要 +
目前,多光子纠缠态的制备大多通过线性光学器件演化自发参量下转换一阶激发过程产生的纠缠光子对得到.本文考虑由自发参量下转换源二阶激发产生四个不可区分的纠缠光子制备四光子超纠缠态的情况.通过几组分束器、半波片和偏振分束器等线性光学器件设计量子线路演化四光子系统,结合四模符合探测,可得到同时具有偏振纠缠和空间纠缠的四光子超纠缠态.
共振线极化光实现原子矢量磁力仪的理论研究
张军海, 王平稳, 韩煜, 康崇, 孙伟民
2018, 67 (6): 060701. doi: 10.7498/aps.67.20172108
摘要 +
共振线偏振光激发原子张量磁矩,本文理论研究在矢量磁场和射频场的共同作用下,张量磁矩进动的模型,求解刘维尔方程获得透射光时域完整解析解,包括直流、一次和二次谐波分量.研究发现:当进动的拉比频率Ω > 1/(2√2)时,两谐波间的干涉效应使直流分量和一次谐波对称成分的单吸收峰劈裂成双峰,裂距√3√Ω2+Ω4-Ω2-1,一次谐波反对称成分在共振处产生干涉条纹.研究结果显示,谐波间的干涉也可导致直流分量和二次谐波线宽仅为一次谐波线宽的38%,且存在磁场取向临界点,在不同的取向区间分别利用直流及两谐波共振信号辨析磁场变化,可获得最佳测磁灵敏度;同时还可通过共振时直流分量及两谐波对称成分振幅来确定磁场与激光极化方向的夹角,利用两谐波反对称成分相移的差值来确定待测磁场在垂直光极化方向投影与射频场方向的夹角,进而实现结构简单的张量磁矩进动型矢量磁力仪.这种磁力仪适合构成磁力仪阵列,可用于磁定位、水下磁异常源的检测和地磁导航等领域.
引力彩虹时空中Kerr黑洞的熵谱和面积谱
刘成周, 邓岳君, 骆叶成
2018, 67 (6): 060401. doi: 10.7498/aps.67.20172374
摘要 +
利用黑洞的绝热不变性,研究了引力彩虹时空中Kerr黑洞的熵谱和面积谱.首先,在引力彩虹时空背景下,计算了Kerr黑洞的绝热不变作用量,并将其与玻尔-索末菲量子化条件相结合,给出了黑洞的熵谱.得到的熵谱没有引力彩虹时空本身具有的粒子能量依赖性,且是与经典Kerr黑洞中原始贝肯斯坦熵谱相同的等间距熵谱.然后,根据黑洞热力学第一定律和黑洞熵谱,给出了与原始贝肯斯坦谱不同的面积谱.该面积谱是非等间距的,而且有对黑洞面积的依赖性,但不依赖于探测粒子的能量.面积谱表明,随着黑洞面积的减少,面积间隔逐步变小;当黑洞达到普朗克尺度时,面积量子可降为零.这表示黑洞面积不再减少,黑洞出现辐射剩余.而在忽略色散关系的修正效应或在大黑洞极限下,面积谱的修正项可以忽略,引力彩虹Kerr黑洞面积谱可以回归到原始贝肯斯坦谱.此外,对引力彩虹时空Kerr黑洞的熵进行了讨论,得到了带有面积倒数修正项的黑洞熵,分析了黑洞熵的量子修正与面积谱量子修正的一致性.
混沌信号自适应协同滤波去噪
王梦蛟, 周泽权, 李志军, 曾以成
2018, 67 (6): 060501. doi: 10.7498/aps.67.20172470
摘要 +
混沌信号协同滤波去噪算法充分利用了混沌信号的自相似结构特征,具有良好的信噪比提升性能.针对该算法的滤波参数优化问题,考虑到最优滤波参数的选取受到信号特征、采样频率和噪声水平的影响,为提高该算法的自适应性使其更符合实际应用需求,基于排列熵提出一种滤波参数自动优化准则.依据不同噪声水平的混沌信号排列熵的不同,首先选取不同滤波参数对含噪混沌信号进行去噪,然后计算各滤波参数对应重构信号的排列熵,最后通过比较各重构信号的排列熵,选取排列熵最小的重构信号对应的滤波参数为最优滤波参数,实现滤波参数的优化.分析了不同信号特征、采样频率和噪声水平情况下滤波参数的选取规律.仿真结果表明,该参数优化准则能在不同条件下对滤波参数进行有效的自动最优化,提高了混沌信号协同滤波去噪算法的自适应性.
中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪的设计与分析
王洪亮, 吕金光, 梁静秋, 梁中翥, 秦余欣, 王维彪
2018, 67 (6): 060702. doi: 10.7498/aps.67.20172599
摘要 +
提出一种基于微光学元件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪,通过引入红外微结构衍射光学元件、多级微反射镜和微透镜阵列,实现仪器的微型化.介绍了微型傅里叶变换红外光谱仪的结构及基本原理,分析了微型准直系统和聚焦耦合光学系统的设计理论,研究了单片折衍混合准直透镜的残存像差、衍射面的衍射效率、多级微反射镜的衍射、微透镜阵列的孔径衍射和中继系统的轴向装配误差对光谱复原的影响.最后,对中波红外微型傅里叶变换光谱仪进行了建模仿真,得到的复原光谱与理想的光谱曲线比较符合,实际的光谱复原误差为2.89%.该中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪无可动部件,且采用了微光学元件取代了传统的红外镜头,不仅稳定性良好,而且体积小、重量轻,有利于在线监测应用.
原子和分子物理学

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过渡金属元素X(X=Mn,Fe,Co,Ni)掺杂对ZnO基阻变存储器性能的影响
郭家俊, 董静雨, 康鑫, 陈伟, 赵旭
2018, 67 (6): 063101. doi: 10.7498/aps.67.20172459
摘要 +
实验表明掺杂是一种改善阻变存储器性能的有效手段,但其物理机理鲜有研究.本文采用第一性原理方法系统研究了过渡金属元素X(X=Mn,Fe,Co,Ni)掺杂对ZnO基阻变存储器中氧空位迁移势垒和形成能的影响.计算结果表明Ni掺杂可同时有效降低+1和+2价氧空位在掺杂原子附近的迁移势垒,X掺杂均减小了氧空位的形成能,特别是掺杂Ni时氧空位的形成能减小最为显著(比未掺杂时减少了64%).基于该结果制备了未掺杂和Ni掺杂ZnO阻变存储器,研究表明通过掺杂控制体系中氧空位的迁移势垒和形成能,可以有效改善器件的初始化过程、操作电压、保持性等阻变性能.研究结果有助于理解探究影响阻变的微观机制,并可为掺杂提高阻变存储器性能提供一定的理论指导.
基于密度泛函理论的C24H38O4分子外场效应研究
杜建宾, 张倩, 李奇峰, 唐延林
2018, 67 (6): 063102. doi: 10.7498/aps.67.20172022
摘要 +
各种环境毒物危害着人类的健康,塑化剂更是破坏了食品安全.为研究外电场对塑化剂主要成分之一C24H38O4(邻苯二甲酸二辛酯,dioctyl phthalate,DOP)的影响,采用密度泛函理论B3LYP方法在6-311G(d,p)基组水平上优化了不同静电场0–0.0125 a.u.(0–6.4278×109 V/m)作用下DOP分子的基态几何结构,在此基础上利用同样的方法计算了DOP分子的电偶极矩和分子总能量,最后利用含时密度泛函理论在同一基组下研究了不同外电场对DOP分子紫外-可见(UV-vis)吸收光谱产生的影响,并与实验测得的光谱图进行了比较.结果表明:分子几何构型与电场大小呈现强烈的依赖关系,分子偶极矩随着外电场的增强先减小后增加,而分子总能量随着外电场的增强先增加而后急剧减小;DOP分子激发态的振子强度随着外电场的增强而减小,UV-vis吸收峰显著红移.
icMRCI+Q理论研究BF+离子电子态的光谱性质和预解离机理
邢伟, 孙金锋, 施德恒, 朱遵略
2018, 67 (6): 063301. doi: 10.7498/aps.67.20172114
摘要 +
采用考虑Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用(icMRCI+Q)方法,结合相关一致基组aug-cc-pV5Z和aug-cc-pV6Z,计算了BF+离子前两个离解极限B+(1Sg)+F(2Pu)和B+(3Pu)+F(2Pu)对应的14个Λ-S态(X2Σ+,12Π,22Π,22Σ+,14Σ+,14Δ,14Σ1,12Δ,12Σ1,32Σ+,14Π,24Π,24Σ+和32Π)和30个Ω态的势能曲线.在势能曲线的计算中,考虑了旋轨耦合效应、核价相关和标量相对论修正以及将参考能和相关能分别外推至完全基组极限.基于得到的势能曲线,获得了束缚和准束缚的12个Λ-S态和28个Ω态的光谱常数,并且X2Σ+态的光谱常数与已有的实验结果符合.此外,计算了BF分子X1Σ+态到BF+离子X2Σ+,12Π和22Σ+态的垂直电离势和绝热电离势,并且BF+(X2Σ+)←BF(X1Σ+)的垂直电离势和绝热电离势与相应的实验结果非常符合.由X2Σ+,22Π,14Σ+,32Σ+和32Π态和其他的激发Λ-S态势能曲线的交叉现象,借助于计算的旋轨耦合矩阵元,首次分析了X2Σ+和32Π态的预解离机理以及22Π(υ'≥9),14Σ+(υ'≥4)和32Σ+(υ'≥4)的振动能级受到其他电子态的微扰.计算了30个Ω态离解极限处的相对能量,并且与实验结果十分符合.最后计算了22Π(υ'=0–9)–X2Σ+,22Σ+(υ'=0–2)–X2Σ+,(3)1/2–(1)1/2势阱一和(2)3/2(υ'=0–9)–(1)1/2势阱一跃迁的Franck-Condon因子、爱因斯坦自发辐射系数和辐射寿命.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于合金介电常数的可控特性增强光子自旋霍尔效应
万婷, 罗朝明, 闵力, 陈敏, 肖磊
2018, 67 (6): 064201. doi: 10.7498/aps.67.20171824
摘要 +
基于平面角谱理论,系统研究了BK7玻璃-合金薄膜-空气结构中合金介电常数的变化对反射光自旋霍尔效应的调控规律.数值仿真结果表明,该结构发生表面等离激元共振的共振角主要受合金介电常数实部的影响,随介电常数实部的增加而增大,而虚部对共振角变化的影响相对较小.不同介电常数合金在其共振角处得到的较大光子自旋霍尔效应横移呈集中的带状分布,选取介电常数-2.8+1.6i的Ag-Ni合金时,光子自旋霍尔效应横移能达到1.2×105 nm.研究还发现将入射角固定为44.1°时,光子自旋霍尔效应横移随合金介电常数的变化呈轴对称分布,并以最大值为中心呈球面状辐射,离中心点越远光子自旋霍尔效应横移越小.选取介电常数-10.6+1.2i的Ag-Au合金时,光子自旋霍尔效应横移最大能达到8000 nm,相比于以往纯金属纳米结构BK7玻璃-金-空气中得到的最大光子自旋霍尔效应横移3000 nm有了较大的提高.该研究不仅能够有效增强光子自旋霍尔效应,还能为设计等离激元共振传感器等纳米光子器件提供理论依据.
单光子激光测距的漂移误差理论模型及补偿方法
黄科, 李松, 马跃, 田昕, 周辉, 张智宇
2018, 67 (6): 064205. doi: 10.7498/aps.67.20172228
摘要 +
单光子激光测距系统采用高灵敏度的单光子探测器作为接收器件,更易实现高密度、高覆盖率的目标采样,是未来激光测距系统的发展方向.漂移误差作为限制单光子激光测距精度提高的瓶颈问题,其主要由平均回波信号光子数的变化引起.以激光雷达方程、单光子探测器的概率与统计理论为基础,建立了漂移误差的理论模型,给出了漂移误差与平均信号光子数、均方根脉宽等系统参数之间的理论关系式.同时,结合单光子探测概率模型给出了一种漂移误差的修正方法,并搭建实验系统对漂移误差模型和修正方法进行了验证.在回波信号均方根脉宽为3.2 ns、平均回波信号光子数为0.03到4.3个情况下,未经修正的漂移误差最大达到46 cm,经修正后的均方根误差为1.16 cm,平均绝对误差为0.99 cm,达到1 cm量级,漂移误差对测距精度的影响基本可以忽略.该方法可以解决漂移误差制约单光子激光测距精度提高的瓶颈问题.
静-动加载相结合的材料状态方程实验平台的研制
舒桦, 涂昱淳, 王寯越, 贾果, 叶君建, 邓文, 束海云, 杨艳平, 杜雪艳, 谢志勇, 贺芝宇, 方智恒, 华能, 黄秀光, 裴文兵, 傅思祖
2018, 67 (6): 064101. doi: 10.7498/aps.67.20172502
摘要 +
根据神光-Ⅱ第九路高功率激光加载的特点,对传统静高压金刚石压砧装置进行了改进和优化设计,研制出了适合高功率激光加载条件下材料宽域状态方程研究的新型静高压靶.在神光-Ⅱ高功率激光装置上建立了基于静高压金刚石压砧和动高压激光相结合的材料宽域状态方程研究平台.利用这一平台开展了超纯水的宽域状态方程实验探索,获得了较好的实验结果.
基于空间光调制器的非相干数字全息单次曝光研究
白云鹤, 臧瑞环, 汪盼, 荣腾达, 马凤英, 杜艳丽, 段智勇, 弓巧侠
2018, 67 (6): 064202. doi: 10.7498/aps.67.20172127
摘要 +
菲涅耳非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)利用在空间光调制器(spatial light modulator,SLM)上加载双透镜模式对同一物点光分束自相干,并通过改变加载的相位因子得到不同的相移全息图.本系统利用SLM可分区编码调制特性,将FINCH成像中SLM上分三次加载的0°,120°,240°相位双透镜掩模各提取1/3组成一幅复合相移模式加载,并研究了三种相位分布方式对FINCH成像质量的影响.结果表明:三个相位在SLM上分布间隔越大,再现像越清晰.在此基础上,提出了一种新的掩模加载方式,在SLM加载透镜阵列,每一个相位因子对应一个双透镜,具有一个光轴.实验表明,通过这种加载方式,通过SLM后形成的三个相移图能够一次在电荷耦合器上记录,并且三个相移图不重叠,然后通过MATLAB编程计算将不同相移角度的全息图分别提取出来,通过三步相移计算合成一幅包含有物光波的复值全息图,最后通过数值再现算法重建待测样品.此系统可用于对光源相干性较低的实时成像系统,也为微小形变测量、动态物体的观测提供了新方法,为非相干数字全息术的发展提供了新思路.
相位调制激光多普勒频移测量方法的改进
杜军, 杨娜, 李峻灵, 曲彦臣, 李世明, 丁云鸿, 李锐
2018, 67 (6): 064204. doi: 10.7498/aps.67.20172049
摘要 +
本文对现有相位调制激光多普勒频移测量方法进行了改进,通过定义新的鉴频参量来同时利用相位调制信号直流和交流分量中的有用信息进行多普勒频移测量.由于相位调制信号直流分量中包含着调制信号光的Fabry-Perot干涉仪光强透过率,所以这一改进本质上是将基于Fabry-Perot干涉仪的边缘技术激光多普勒频移测量方法的优势引入到相位调制测量方法中,以提高其自身的性能.理论上证明改进后的相位调制激光多普勒频移测量方法无需对信号光的光强进行测量,所以可以进一步简化探测系统的结构和较少噪声混入的通道.另外,通过对改进前后鉴频和测量灵敏度曲线进行对比,还证明了其具有更高的测量灵敏度和动态范围.实验上对硬目标反射的频移可控信号光进行测量,不但证明了理论的正确性,而且证明了改进后的相位调制激光多普勒频移测量方法,测量动态范围提高约1倍,测量标准偏差降低约35%.
2.0 μm附近模拟呼吸气体中13CO2/12CO2同位素丰度的高精度实时在线测量
孙明国, 马宏亮, 刘强, 曹振松, 王贵师, 刘锟, 黄印博, 高晓明, 饶瑞中
2018, 67 (6): 064206. doi: 10.7498/aps.67.20171861
摘要 +
采用可调谐二极管激光吸收光谱技术,结合一新型多通池搭建了一套模拟呼吸气体中CO2同位素丰度的测量装置.气体的压强、温度和流速被很好地控制且均能保持长期的稳定性;采用三次多项式拟合光谱基线,对光谱进行归一化,很好地消除了功率变化对测量结果的影响;利用移窗-回归技术消除频率漂移对同位素丰度测量的影响.实验结果表明:移窗-回归法的引入不仅延长了系统的稳定时间,还提高了系统的测量精度;小波去噪的应用获得了比多光谱平均法高2倍的信噪比;系统的稳定时间为100 s;Kalman滤波后系统测量精度为0.067‰.
电磁诱导透明暗孤子的耗散变分束缚分析
谭康伯, 路宏敏, 官乔, 张光硕, 陈冲冲
2018, 67 (6): 064207. doi: 10.7498/aps.67.20172567
摘要 +
基于电磁精确控制的考虑,对半导体固态系统中电磁诱导透明所形成的暗孤子态进行了动力学研究.在此涉及多物理场的复杂系统中,通过变分技术对耗散与非线性相干作用下相应的同态暗孤子动力学特征进行分析.结果表明,耗散削弱作用与相干耦合作用之间所形成的系统性平衡约束对暗孤子时空演化的精密控制具有重要意义.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

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蓝相液晶指向有序的定域化及微结构制备
周康, 袁从龙, 李萧, 王骁乾, 沈冬, 郑致刚
2018, 67 (6): 066101. doi: 10.7498/aps.67.20172517
摘要 +
蓝相液晶晶格指向有序性的体系构建对先进光子学应用乃至软物质三维可控生长具有重要的科学与技术意义.对指向有序性的蓝相液晶进行定域化的高分子稳定,进而形成蓝相区域的微结构图案化,有望实现全新的光子调控器件.本文使用稳定性好、操作简易、普遍的摩擦取向方法,达到蓝相晶格指向一致化目的,同时结合掩膜曝光的手段进行区域可控的光聚合,即定域光聚合,达到对蓝相晶格的定域化高分子稳定,实现了晶格指向有序、稳定性强的蓝相区域微结构图案化分布.最后基于这样的特殊结构,研究了潜在的光子学等方面的应用.

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通过光致还原调制氧化石墨烯寿命并用于微纳图形制备
乔志星, 秦成兵, 贺文君, 弓亚妮, 张晓荣, 张国峰, 陈瑞云, 高岩, 肖连团, 贾锁堂
2018, 67 (6): 066802. doi: 10.7498/aps.67.20172331
摘要 +
氧化石墨烯因其宽带可调谐的荧光发射特性已被广泛应用于荧光成像、金属离子高灵敏检测和光电器件的制备.相比于荧光强度,氧化石墨烯荧光寿命不受材料厚度和激发功率的影响,具有更为稳定和均一的特性.本文研究了在激光还原过程中氧化石墨烯荧光寿命逐渐减小的变化行为,发现了长寿命sp3杂化结构向短寿命sp2杂化结构的转变.通过精确控制还原时间,结合激光直写技术,在单层氧化石墨烯薄膜上实现了二维码、条形码、图形和数字等微纳图形的制备,还在多层氧化石墨烯薄膜结构上获得了多寿命多层微纳图形.这种微纳图形的制备具有灵活无掩膜、高对比和多模式的特点,可用于高密度光学存储、信息显示和光电器件制备等诸多领域.
具有氧空位BixWO6(1.81≤ x≤ 2.01)的第一性原理计算和光催化性能研究
何金云, 彭代江, 王燕舞, 龙飞, 邹正光
2018, 67 (6): 066801. doi: 10.7498/aps.67.20172287
摘要 +
为了探索影响Bi2WO6光催化性能的内在机制,采用密度泛函理论(DFT)计算和实验研究了非化学计量和氧空位对Bi2WO6晶体结构、电子结构和显微结构的影响.采用溶剂热法合成了具有氧空位的非化学计量BixWO6(x=1.81,1.87,1.89,1.92,2.01)光催化剂.DFT计算结果表明,氧空位的存在可显著减小Bi2WO6的带隙,有利于光生电子的生成.实验结果表明,当Bi元素的含量小于化学计量比时,Bi2WO6的晶体结构发生了微小变形,Bi元素含量对Bi2WO6的显微结构影响不大,但会影响产品氧空位的含量和光吸收性能,并有效抑制电子空穴的复合.Bi1.89WO6产品的光催化性能最佳,可见光照射180 min后,可降解98%的罗丹明B.采用适当方法,使产品具有氧空位和非化学计量是获得高光催化活性材料的一种有效方法.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
第一性原理研究Mn和Cu掺杂六钛酸钾(K2Ti6O13)的电子结构和光学性质
戚玉敏, 陈恒利, 金朋, 路洪艳, 崔春翔
2018, 67 (6): 067101. doi: 10.7498/aps.67.20172356
摘要 +
六钛酸钾(K2Ti6O13)是宽带隙半导体光催化材料,只能响应波长较短的紫外光.为了使K2Ti6O13对可见光响应,本文采用第一性原理方法,研究过渡金属Mn和Cu掺杂改性后K2Ti6O13的电子结构和光学性质.计算结果表明:Mn,Cu掺杂后K2Ti6O13禁带中出现了杂质能级,这些杂质能级由O 2p和Ti 3d与Mn 3d或Cu 3d态杂化而成.对于Mn掺杂的K2Ti6O13,其带隙值变小,位于能带中间的杂质能级可作为电子跃迁的桥梁,从而实现了对可见光的吸收.对于Cu掺杂的K2Ti6O13,其带隙值虽略有增大,但是若考虑将与价带相连的杂质能级,带隙值将大大减小,且此杂质能级可抑制光生载流子的复合,使得掺杂后K2Ti6O13吸收带边红移至可见光区并在可见光范围内吸收强度明显增强.总的而言,Mn,Cu的掺杂实现了钛酸钾对可见光的吸收,同时Cu掺杂的效果要优于Mn掺杂的效果.研究结果对K2Ti6O13在光催化领域上的应用具有重要的意义.
Ca2+掺杂对SmFeO3的介电、铁磁特性及磁相变温度的影响
李德铭, 方松科, 童金山, 苏健, 张娜, 宋桂林
2018, 67 (6): 067501. doi: 10.7498/aps.67.20172433
摘要 +
采用固相反应法制备Sm1-xCaxFeO3(x=0,0.1,0.2,0.3)样品,研究Ca2+掺杂对SmFeO3介电性能、铁磁性及磁相变温度的影响.X射线衍射图谱分析表明:所有样品的主衍射峰与SmFeO3相符合且具有良好的晶体结构.随着x的增加,SmFeO3样品的晶粒尺寸由原来的0.5 μm逐渐增大到2 μm.当f=1 kHz时,Sm1-xCaxFeO3(x=0.1,0.2,0.3)样品的εr分别是SmFeO3的5倍、3倍和2.6倍,而tg σ增大一个数量级.在3 T磁场作用下,SmFeO3样品的M-H呈线性,随着x的增加,M-H逐渐趋向饱和,Sm1-xCaxFeO3(x=0.1,0.2,0.3)样品的Mr分别是SmFeO3的20倍、31倍和68倍.X射线光电子能谱分析表明:Fe2+和Fe3+共存于Sm1-xCaxFeO3样品中,Fe2+/Fe3+比例随着x的增加而增大,证明Ca2+掺杂增加了Fe2+的含量,形成Fe2+–O2-–Fe3+超交换作用,增强SmFeO3的铁磁特性.测量了Sm1-xCaxFeO3样品在外加磁场为1000 Oe(1 Oe=79.5775 A/m)的M-T变化关系,观测到其自旋重组温度(TSR)和尼尔温度(TN)分别为438 K和687 K,发现SmFeO3样品的TSR和TN均随着x的增加向低温方向移动,当x=0.3时,自旋重组现象消失.这主要是SmFeO3样品磁结构的稳定性和Fe3+–O2-–Fe3+及Sm3+–O2-–Fe3+超交换三者共同作用的结果.
利用Pr70Cu30晶界扩散改善烧结钕铁硼废料矫顽力的研究
肖俊儒, 刘仲武, 楼华山, 詹慧雄
2018, 67 (6): 067502. doi: 10.7498/aps.67.20172551
摘要 +
钕铁硼磁体制备过程中出现的部分块体废料由于矫顽力较低,性能难以满足使用要求.本文主要通过晶界扩散技术来提高废料磁体的矫顽力.采用Pr70Cu30合金作为扩散介质,对烧结钕铁硼废料磁体进行了晶界扩散处理,研究了扩散温度、扩散时间和回火时间对扩散后的磁体性能的影响.结果显示,800℃下扩散3 h,磁体的矫顽力从原来的7.88 kOe(1 Oe=79.5775 A/m)提升至11.55 kOe,提升幅度为46.6%,同时剩磁没有明显降低.扩散后回火对矫顽力的提升有一定的作用.800℃下扩散4 h后的磁体在500℃回火3 h后,最高矫顽力可达11.97 kOe,比原磁体废料提高了51.9%,接近成品磁体的水平.显微组织分析证实了晶界扩散的作用.扩散处理后的磁体中,主相晶粒间形成了连续晶间相,起到有效的磁隔离作用,有利于矫顽力的提高.研究还发现,Pr70Cu30晶界扩散虽然可以使磁体腐蚀电位上升,但也会增加腐蚀电流密度,不利于磁体抗腐蚀性的改善.本文工作对于提高材料的成品率具有重要意义.
近800 nm波长张应变GaAsP/AlGaAs量子阱激光器有源区的设计
李建军
2018, 67 (6): 067801. doi: 10.7498/aps.67.20171816
摘要 +
张应变GaAs1-xPx量子阱是高性能大功率半导体激光器的核心有源区,基于能带结构分析优化其结构参数具有重要的应用指导意义.首先,基于6×6 Luttinger-Kohn模型,采用有限差分法计算了张应变GaAs1-xPx量子阱的能带结构,得到了第一子带间跃迁波长固定为近800 nm时的阱宽-阱组分关系,即随着阱组分x的增加,需同时增大阱宽,且阱宽较大时靠近价带顶的是轻空穴第一子带lh1,阱宽较小时靠近价带顶的是重空穴第一子带hh1.计算并分析了导带第一子带c1到价带子带lh1和hh1的跃迁动量矩阵元.针对808 nm量子阱激光器,模拟计算了阈值增益与阱宽的关系,得到大阱宽有利于横磁模激射,小阱宽有利于横电模激射.进一步考虑了自发辐射和俄歇复合之后,模拟计算了808 nm量子阱激光器的阱宽与阈值电流密度的关系,阱宽较大时载流子对高能级子带的填充使得阈值电流密度增加,而阱宽较小时则是低的有源区光限制因子导致阈值电流密度升高,因此存在一最佳的阱宽-阱组分组合,可使阈值电流密度达到最小.本文的模拟结果可对张应变GaAs1-xPx量子阱激光器的理论分析和结构设计提供理论指导.
基于Al2O3/MoO3复合阳极缓冲层的倒置聚合物太阳能电池的研究
李琦, 章勇
2018, 67 (6): 067201. doi: 10.7498/aps.67.20172311
摘要 +
采用旋涂Al2O3前驱体溶液和低温退火的方法在活性层上形成Al2O3薄膜,并与MoO3结合形成Al2O3/MoO3复合阳极缓冲层,制备了以聚3-己基噻吩:[6.6]-苯基-C61-丁酸甲酯(P3HT:PC61BM)为活性层的倒置聚合物太阳能电池,并通过改变Al2O3前驱体溶液的浓度来分析复合阳极缓冲层对器件性能的影响.结果发现,Al2O3/MoO3复合阳极缓冲层能有效调控倒置聚合物太阳能电池的光电性能及其稳定性.当Al2O3前驱体溶液的浓度为0.15%时,器件光伏性能达到最优值,与MoO3单缓冲层的器件相比,光电转换效率(PCE)由3.85%提高到4.64%;经过80天老化测试后,具有复合阳极缓冲层的器件PCE保留为初始值的76%,而单缓冲层的器件PCE已经下降到50%以下.器件性能得到改善的原因是Al2O3/MoO3复合阳极缓冲层增强了倒置太阳能电池器件阳极对空穴的收集能力,同时钝化了器件活性层,从而提升了太阳能电池器件的光伏性能及其稳定性.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
高跨导氢终端多晶金刚石长沟道场效应晶体管特性研究
张金风, 杨鹏志, 任泽阳, 张进成, 许晟瑞, 张春福, 徐雷, 郝跃
2018, 67 (6): 068101. doi: 10.7498/aps.67.20171965
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基于多晶金刚石制作了栅长为4 μm的铝栅氢终端金刚石场效应晶体管.器件的饱和漏源电流为160 mA/mm,导通电阻低达37.85 Ω ·mm,最大跨导达到32 mS/mm,且跨导高于最大值的90%的栅压(VGS)范围达到3 V(-2 V ≤ VGS ≤-5 V).通过传输线电阻分析以及器件的导通电阻和电容-电压特性分析,发现氢终端多晶金刚石栅下沟道中的空穴面浓度达到了1.56×1013 cm-2,有效迁移率在前述高跨导栅压范围保持在约170 cm2/(V·s).分析认为,较低的栅源和栅漏串联电阻、沟道中高密度的载流子和在大范围栅压内的高水平迁移率是引起高而宽阔的跨导峰和低导通电阻的原因.
国产MOCVD-YBCO带材高温超导线圈研制与磁场温度特性研究
丁发柱, 张京业, 谭运飞, 陈治友, 董泽斌, 张慧亮, 商红静, 许文娟, 张贺, 屈飞, 高召顺, 周微微, 古宏伟
2018, 67 (6): 068401. doi: 10.7498/aps.67.20171491
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超导磁体的场强与超导材料的载流能力、磁体口径和低温环境有密切关系.为了在中高温区域实现高磁场强度的超导磁体,采用国产第二代高温超导带材,成功绕制出内直径为100 mm的高温超导线圈.该超导线圈在77,65,55和46 K不同温区下进行了性能测试,其最大运行电流分别为65,147,257和338 A,对应的中心磁场强度分别为0.78,1.77,3.1和4.08 T.所研制的超导线圈的中平面上磁场基本一致.
小尺寸单轴应变Si PMOS沟道晶面/晶向选择实验新发现
陈航宇, 宋建军, 张洁, 胡辉勇, 张鹤鸣
2018, 67 (6): 068501. doi: 10.7498/aps.67.20172138
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小尺寸单轴应变Si p型金属氧化物半导体(PMOS)沟道反型层迁移率与晶面/晶向密切相关,应变PMOS优化设计时应合理选择沟道的晶面/晶向.目前,文献已有1.5 GPa应力强度下单轴应变Si PMOS沟道反型层迁移率按晶面/晶向排序的理论模型.然而,在器件实际制造过程中,覆盖SiN应力膜工艺是固定的,由于沟道弹性劲度系数具有各向异性,这样,不同晶面/晶向应变PMOS沟道所受应力强度不同,进而导致在实际工艺下沟道反型层迁移率晶面/晶向排序理论模型“失效”.针对该问题,本文采用中国科学院微电子研究所40 nm工艺流程制备了不同晶面/晶向40 nm沟道小尺寸单轴应变Si PMOS与未应变Si PMOS,并通过器件转移特性测试,获得了小尺寸单轴应变Si PMOS反型层迁移率晶面/晶向排序结论.此有关小尺寸单轴应变Si PMOS沟道反型层迁移率晶面/晶向排序的相关结论,由于考虑了工艺实现因素,与文献理论预测排序结果相比,更适于指导实际器件制造;相关分析方法也可为其他应变材料沟道MOS相关问题的解决提供重要技术参考.
综述
基于飞秒激光直写的单向单模耦合微腔
魏伟华, 李木天, 刘墨南
2018, 67 (6): 064203. doi: 10.7498/aps.67.20172395
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对具有高Q值的回音壁模式微腔进行调制来获得单向单模输出,对研究腔光力学和开发高质量的微激光具有重要意义.本文对利用飞秒激光直写加工的耦合回音壁模式微腔的研究进行了简要回顾,具体介绍了微腔结构设计、加工过程、激射和耦合机制研究等.利用飞秒激光直写加工的强大三维图案化能力,灵活地设计实现了具有集成功能的单个微腔和具有不同空间组合位置的多个耦合微腔.基于耦合微腔的微激光具有低阈值,同时显示出良好的单模特性和单向性.结合理论模拟可以证实,微腔与微腔/光栅之间的耦合,一方面支持游标效应和集成滤波两种选模方式,另一方面能够破坏微腔的旋转对称性从而获得单向输出,从而实现了对微腔输出的有效调控.
气体、等离子体和放电物理
平行轨道加速器等离子体动力学特性研究
刘帅, 黄易之, 郭海山, 张永鹏, 杨兰均
2018, 67 (6): 065201. doi: 10.7498/aps.67.20172403
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等离子体电磁加速器可产生高速度、高密度等离子体射流而广泛应用于核物理、天体物理等领域.本文通过光电二极管、磁探头研究了不同放电电流和初始气压条件下等离子体在平行轨道加速器内的轴向运动特性.通过电流截断的方法,采用冲击摆测量了首次等离子体射流的动量.平行轨道加速器驱动电源由14级脉冲形成网络组成,每级电容为1.5 μF,每级电感约为300 nH,得到振荡衰减型方波的电流波形.实验发现,电流过零时,轨道起始处一般会发生二次击穿,并形成二次轴向运动的等离子体.放电电流为10–55 kA、初始气压为200–1000 Pa时,等离子体的轴向速度为8–25 km/s.实验获得的等离子体的运动速度为雪犁模型理论结果的60%–80%,这主要是理论模型忽略了电极表面对电弧的黏滞阻力以及电极烧蚀引起的质量增加.等离子体动量与电流的平方随时间的积分成正比.放电电流为21–51.6 kA时,首次等离子体射流的动量为1.49–9.88 g·m/s.等离子体运动过程中除了受到洛伦兹力外,还会受到电极表面的黏滞阻力,造成等离子体动量约为理论结果的75%.