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Vol. 68, No. 20 (2019)

2019年10月20日

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微纳尺度体点导热的拓扑优化
体点导热问题是电子器件散热优化方面的基础问题之一, 已有研究大多建立在傅里叶导热定律的基础上, 但随着电子器件的特征尺度降低到微纳米量级, 导热优化需要考虑非傅里叶效应. 本文结合声子玻尔兹曼方程的数值解和对声子平均自由程进行插值的固体各向同性材料惩罚方法, 发展了微纳米尺度下弹道-扩散导热的拓扑优化方法. 在弹道-扩散导热机制下, 体点导热的拓扑优化得到的材料分布明显不同于扩散导热下的树状分布, 且会随努森数的变化而变化, 与拓扑优化的插值方式和声子弹道输运有关. 随着弹道效应的增强, 尺寸效应使得材料分布中微小结构的等效热导率低于粗壮结构, 因而拓扑优化结果朝着增多粗壮结构、减少微小结构的方向发展. 弹道效应足够强时, 填充材料聚集在低温边界附近, 主干和枝合并, 呈团状分布. 李含灵, 曹炳阳 物理学报.2019, 68(20): 200201.
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 综述
综述
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

封面文章

微纳尺度体点导热的拓扑优化
李含灵, 曹炳阳
2019, 68 (20): 200201. doi: 10.7498/aps.68.20190923
摘要 +
体点导热问题是电子器件散热优化方面的基础问题之一, 已有研究大多建立在傅里叶导热定律的基础上, 但随着电子器件的特征尺度降低到微纳米量级, 导热优化需要考虑非傅里叶效应. 本文结合声子玻尔兹曼方程的数值解和对声子平均自由程进行插值的固体各向同性材料惩罚方法, 发展了微纳米尺度下弹道-扩散导热的拓扑优化方法. 在弹道-扩散导热机制下, 体点导热的拓扑优化得到的材料分布明显不同于扩散导热下的树状分布, 且会随努森数的变化而变化, 与拓扑优化的插值方式和声子弹道输运有关. 随着弹道效应的增强, 尺寸效应使得材料分布中微小结构的等效热导率低于粗壮结构, 因而拓扑优化结果朝着增多粗壮结构、减少微小结构的方向发展. 弹道效应足够强时, 填充材料聚集在低温边界附近, 主干和枝合并, 呈团状分布.
非对易施瓦西黑洞的热力学及其量子修正
沈珏, 刘成周, 朱宁宁, 童一诺, 严晨成, 薛珂磊
2019, 68 (20): 200401. doi: 10.7498/aps.68.20191054
摘要 +
为了探讨量子引力效应对黑洞量子性质的影响, 本文研究了非对易黑洞的热力学及其量子修正. 首先, 利用修正的黑洞热力学第一定律, 对非对易施瓦西黑洞的热力学量进行了计算. 结果表明, 利用修正的热力学第一定律得到的非对易黑洞温度与利用表面引力和隧穿方法得到的温度相同, 而且黑洞熵符合贝肯斯坦-霍金面积定律. 对得到的黑洞热容进行分析, 发现在视界半径与非对易参数满足一定条件时, 热容可以为正值, 非对易黑洞可以具有热力学稳定性. 其次, 讨论了广义不确定原理对非对易施瓦西黑洞热力学的影响, 给出了广义不确定原理修正的黑洞温度、熵和热容表达式, 其中得到的黑洞熵包含面积对数项. 在忽略广义不确定原理效应的情况下, 修正的黑洞熵可以回到贝肯斯坦-霍金面积定律的情况. 同样, 修正的黑洞温度和热容也可以在忽略量子引力效应时回到通常施瓦西黑洞的情况.
一种基于压缩感知和多维混沌系统的多过程图像加密方案
石航, 王丽丹
2019, 68 (20): 200501. doi: 10.7498/aps.68.20190553
摘要 +
随着计算机科学的快速发展, 信息的存储和传播常常在各类计算机硬件以及多种网络之间进行, 传统的信息加密方案已逐渐不再适用. 因此, 基于计算机的信息加密算法近年来逐步成为研究热点. 通过结合小波包变换、压缩感知、混沌系统等理论, 一种基于压缩感知和多维混沌系统的多过程图像加密方案被提出. 该加密方案实现了针对灰度图像的压缩和加密及对应的解压、解密过程. 小波包变换理论被应用到图像的预处理阶段对原始图像进行小波包分解, 同时结合阈值处理方法对分解后所得的图像信号分量进行分类, 并在之后的处理过程中根据图像信号分量的特性对其有区分地进行压缩、加密或者保留. 在图像压缩阶段, 引入压缩感知算法克服传统采样定理采样成本高及重构质量偏低等弊端. 在图像加密阶段, 结合多类、多维度混沌系统对相关图像信号分量进行置乱. 最后, 应用压缩、加密以及小波包变换的逆过程实现对原始图像的完整重构. 仿真结果表明, 该图像加密方案在抵抗外界干扰时凭借算法鲁棒性有效地保护了密文图像的基本信息, 且在应对明文攻击等破解手段时不泄露任何有用信息. 此外, 经该加密方案加密后的密文图像的信息熵及相关系数等指标相比于参考文献中加密算法更加接近于理想值, 其加密性能有明显的提升.
基于基频放大的紫外皮秒355 nm输出效率提升系统
张旭东, 储玉喜, 贾威, 胡明列
2019, 68 (20): 200601. doi: 10.7498/aps.68.20190876
摘要 +
在腔外和频获得紫外355 nm皮秒激光输出的过程中, 和频晶体的长度是影响转换效率的重要因素. 和频过程的激光输入参数和晶体吸收系数都会影响和频晶体的最适长度选取. 目前缺乏对于腔外和频产生紫外355 nm激光过程中输入激光光子数配比以及晶体吸收对于和频晶体最适长度影响的研究. 本文基于三波耦合方程进行了理论推导和数值模拟, 讨论了不同入射条件下最高和频效率的稳态解, 分析了不同光子数配比以及LiB3O5晶体吸收对于最适和频晶体长度的影响, 提出了放大基频光同时缩短晶体长度并提高转换效率的方案. 在该方案中, 将1064 nm皮秒基频光在倍频产生532 nm二次谐波后进行分离放大, 再与532 nm倍频光在LiB3O5晶体内进行和频, 从而产生紫外355 nm皮秒激光输出. 模拟结果表明, 通过基频放大改变和频过程中的光子数配比, 可以缩短取得最高转换效率的和频晶体最适长度, 同时减少和频晶体对于355 nm激光的吸收和走离影响, 输出功率较传统方案提升40%以上, 从而获得了高效率紫外355 nm皮秒激光输出.
利用神经网络识别高分子链在表面的吸附相变
孙立望, 李洪, 汪鹏君, 高和蓓, 罗孟波
2019, 68 (20): 200701. doi: 10.7498/aps.68.20190643
摘要 +
采用深度神经网络和Monte Carlo (MC)模拟方法研究了线性高分子链在均质表面以及条纹表面的临界吸附现象. 通过MC模拟退火算法构建高分子链的构象样本集, 采用状态标记法和温度标记法对模拟产生的样本集进行标记并采用神经网络对标记后的样本进行训练, 发现神经网络可以很好地识别高分子链在均质表面的脱附态和吸附态以及在条纹表面的脱附、多条纹吸附和单条纹吸附的三个不同状态, 且发现神经网络对这两种样本标记法得到一致的临界吸附温度. 通过对训练集大小与神经网络的识别率之间的关系进行研究, 发现神经网络可以在每个温度抽取较少的训练样本集上学习得到较高的高分子链构象状态的识别率. 神经网络结合传统MC方法可以为高分子模拟计算研究提供一种新的方法.
原子和分子物理学
随机波动率费曼路径积分股指期权定价
冯玲, 纪婉妮
2019, 68 (20): 203101. doi: 10.7498/aps.68.20190714
摘要 +
采用量子力学中的费曼路径积分方法, 推导出了更符合市场一般化情形的随机波动率股指期权定价模型. 在此基础上, 以恒指期权为例进行实证研究预测30天的期权价格, 同时将Heston模型作为对照组, 并进行稳健性检验. 研究结果表明, 本文构建的股指期权定价模型通过求解费曼定价核的数值解, 进而在线性算法上直接实现股指期权价格的预测, 相比于Heston模型利用特征函数的方法, 不论是在相同到期日不同执行价格下还是在相同执行价格不同到期日下, 定价精度显著提高. 费曼路径积分作为量子金融的主要方法, 本文的研究将为其进一步应用于金融衍生品定价提供参考.
TM@Cu12N12团簇磁性第一性原理研究
阴敏, 张敏, 吕瑾, 武海顺
2019, 68 (20): 203102. doi: 10.7498/aps.68.20190737
摘要 +
采用密度泛函理论下的广义梯度近似方法对团簇TM@Cu12N12 (TM = Mn,, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ir, Pt)的结构稳定性、磁性及磁各向异性能进行了系统的理论研究. 发现由于TM—Cu 和 Cu—N键的出现, 不同过渡金属原子(TM)掺杂二十面体Cu13N12 (ICO)团簇的中心原子可以有效提高TM@Cu12N12的稳定性; N原子的加入使Cu团簇的磁性显著提高, 且不同的TM掺杂有效改善了Cu团簇内部的磁性环境; 3d原子的掺杂使团簇的磁性得到进一步提升, 4d, 5d原子的掺杂虽对提高团簇轨道磁矩无明显效果, 但Rh和Pt原子的掺入使其磁各向异性能显著增大, 提高了团簇的磁稳定性. 结果表明对TM@Cu12N12的掺杂改性基本可以达到磁性调控目的.
面心立方Ce同构相变的分子动力学模拟
第伍旻杰, 胡晓棉
2019, 68 (20): 203401. doi: 10.7498/aps.68.20190884
摘要 +
基于嵌入原子法, 本文给出了一个金属Ce原子间的相互作用势. 利用该势分别计算了γ-Ce和α-Ce的晶格常数、结合能、弹性常数, 计算结果与实验或第一性原理研究中得出的数值符合得较好. 给出了两相Ce中如点缺陷形成能、表面能、层错能以及孪晶能等晶体缺陷形成能. 通过分析两相Ce的声子谱, 得出了不同温度下两相的晶格振动熵差, 其中在室温条件下约为0.67kB/atom. 还利用分子动力学模拟得出了该相变的等温线, 并且利用径向分布函数分析了相变前后两相的晶体结构, 确认了该相变为面心立方同构相变, 即Ce的α-γ相变. 由此表明, 本文的嵌入原子法势, 不仅可以分别合理地描述γ-Ce和α-Ce, 还可以反映γ-Ce和α-Ce两相之间的相变.

编辑推荐

利用Kapitza-Dirac脉冲操控简谐势阱中冷原子测量重力加速度
何天琛, 李吉
2019, 68 (20): 203701. doi: 10.7498/aps.68.20190749
摘要 +
利用Feynman路径积分研究了简谐势阱中冷原子受到两次Kapitza-Dirac脉冲的干涉机制. 理论研究表明: 当初始态为简谐势阱的基态时, 外场使不同模式的演化路径相对于没有外场情况下的路径发生偏离; 同时外场强度和测量时刻相邻模式的相位差成线性关系; 当外场为重力场时, 测量重力加速度的精度可达10–9; 当初始态为简谐势阱和外场作用下的共同基态时, 测量精度会下降, 同时原子间排斥和吸引相互作用的增强也会导致测量精度提高.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
反馈型TM01主模同轴虚阴极振荡器
张运俭, 丁恩燕
2019, 68 (20): 204101. doi: 10.7498/aps.68.20190696
摘要 +
作为一种空间电荷高功率微波器件, 同轴虚阴极振荡器微波输出模式一般为TM01与TE11模式的混合模式. 本文通过数值模拟及实验分析, 对同轴虚阴极振荡器进行了结构调整, 提出了一种同轴反馈式虚阴极振荡器. 通过对阳极网的结构设计, 器件内阳极网的反馈结构改变了阳极网内虚阴极反射电子束的分布, 实现了同轴虚阴极振荡器以TM01模式为主要模式输出的高功率微波. 同轴虚阴极振荡器在工作电压400 kV下微波输出850 MW, 微波脉宽半高宽约30 ns, 频率为4.1 GHz.
扫频光学相干层析角膜图像轮廓自动提取算法
汪毅, 刘珊珊, 张玮茜, 蔡怀宇, 陈晓冬
2019, 68 (20): 204201. doi: 10.7498/aps.68.20190731
摘要 +
在扫频光学相干层析系统中, 远心扫描模式造成角膜图像中存在伪影、部分结构缺失及低信噪比区域, 影响了角膜轮廓提取的精度. 针对该问题, 本文提出了一种针对低质量角膜图像的轮廓自动提取算法. 该算法首先依据图像标准差分布将图像划分为高、低信噪比区域; 针对高信噪比区域, 通过峰值点定位法获取角膜轮廓; 针对低信噪比区域, 通过连续帧图像间配准叠加实现图像增强, 为低信噪比区域提供参考轮廓点, 再通过权衡参考轮廓点与局部直线拟合结果的优劣, 实现角膜轮廓定位; 最后, 通过全局多项式拟合实现对全区域的角膜整体轮廓信息. 对光学眼模型进行实验, 结果表明, 与已有算法相比, 本文算法对角膜轮廓的提取精度平均提高了4.9%.
光场重聚焦成像的散焦机理及聚焦评价函数
刘宾, 潘毅华, 闫文敏
2019, 68 (20): 204202. doi: 10.7498/aps.68.20190725
摘要 +
光场成像技术可以通过场景的光场信息实现场景全聚焦图像合成和背景目标的去遮挡重聚焦等应用, 其中如何有效评价图像中的聚焦区域是进行上述应用的前提. 但是, 传统成像系统离焦物体的点扩散特性与光场重聚焦图像中离焦特性存在本质差异, 因此基于离焦物点扩散特性的评价标准无法适用光场重聚焦图像的聚焦度评价. 针对上述问题, 本文从光场成像重聚焦的原理出发, 分析离焦目标图像的虚化特征, 设计光场重聚焦图像的聚焦度评价函数, 在此基础上研究了聚焦区域的精细化分割方法. 光场重聚焦实验和去前景遮挡重聚焦实验表明了本文方法在光场重聚焦图像聚焦度评价中的有效性.
垂直腔面发射激光器与异质结双极型晶体管集成结构的设计和模拟
周广正, 李颖, 兰天, 代京京, 王聪聪, 王智勇
2019, 68 (20): 204203. doi: 10.7498/aps.68.20190529
摘要 +
垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs)和异质结双极型晶体管(heterojunction bipolar transistor, HBT)都是纵向电流器件, 可以集成在同一外延片上, 通过HBT基极电流调制VCSELs的输出光功率. 本文设计了一种VCSELs与HBT集成结构, 该结构包括VCSELs和PNP InGaP/GaAs HBT, 为直接串联结构, 并利用PICS3D软件模拟了该集成结构的电光特性. 为了模拟能够顺利进行, 在模型中加入了过渡集电极. 首先将HBT导通, 电流由发射极流向过渡集电极, 然后增大过渡集电极与N型电极之间的电压, 使VCSELs导通且把过渡集电极的电流降为零. 由于过渡集电极的电流为零, 在实际结构中可以将其移除. 模拟结果表明, 当电流增益系数为400时, 基极电流对输出光功率的最大调制率达到280 mW/mA. 本文所设计的集成结构及其模拟方法对光电集成器件(opto-electronic integrated circuit, OEIC)具有一定的指导作用.

编辑推荐

基于傅里叶变换的波长扫描腔衰荡光谱
王振, 杜艳君, 丁艳军, 彭志敏
2019, 68 (20): 204204. doi: 10.7498/aps.68.20191062
摘要 +
连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)采用腔长扫描方式, 光谱间隔可任意长, 适合弱吸收条件下气体参数或谱线参数的精确测量. CW-CRDS腔长扫描可使任意波长激光耦合进腔, 此时激光波长波动会降低光谱的信噪比. 为此, 本文提出了一种基于傅里叶变换的、快速波长扫描的CRDS方法(FTS-CRDS), 该方法在高速扫腔的同时连续扫描激光波长, 得到周期性的蕴含气体吸收信息的衰荡时间, 然后对其进行傅里叶变换, 提取其特征频率以精确复现气体吸收光谱. FTS-CRDS能有效消除激光波长波动等导致的光谱噪声, 提升复杂线型中谱线参数的测量精度, 且无需采用波长计实时测量激光绝对波长, 可使测量系统更紧凑、经济. 实验采用低压下CO分子的6371.299 cm–1和6374.406 cm–1谱线对该方法进行了验证, 相比CW-CRDS, 该方法有效消除了激光波长波动导致的谱线两翼处噪声, 光谱信噪比提高了4倍以上; 测得的谱线参数与CW-CRDS一致, 但具有更小的测量不确定度.
铁镁共掺钽酸锂晶体的第一性原理研究
梁金铃, 张耘, 邱晓燕, 吴圣钰, 罗娅
2019, 68 (20): 204205. doi: 10.7498/aps.68.20190575
摘要 +
利用第一性原理对LiTaO3晶体以及不同Mg浓度的Fe:Mg:LiTaO3晶体的电子结构和吸收光谱进行了研究. 结果显示: 掺铁钽酸锂晶体的杂质能级主要由Fe的3d态轨道贡献, 禁带宽度为3.05 eV. 掺入镁后, 在禁带中没有新的能级产生, 掺Mg浓度小于或超过阈值(略小于6 mol%)时, 禁带宽度分别为2.72 eV和 2.45 eV. Fe:LiTaO3晶体分别在417 nm和745 nm处呈现两个吸收峰, 这两峰归结于Fe 3d分裂轨道电子的跃迁; Mg:Fe:LiTaO3晶体吸收峰强度较单掺Fe的LiTaO3晶体下降, 并略有偏移, 当掺镁浓度超过阈值时, 短波段峰移至457 nm吸收峰, 而长波段745 nm处的吸收峰消失. 研究表明: Fe离子的分裂轨道T2g, Eg跃迁所对应的吸收峰与铁离子的占位有关, Mg离子浓度达到阈值, 使Fe离子占Ta位, Eg对应的吸收峰消失. 在利用457 nm波段为功能性吸收时, 采用较高掺Mg不会对吸收产生不利影响; 在利用745 nm波段时, Fe占Li位比Fe占Ta位在存储应用中更具优势, 不宜采用高掺镁.
柱状双层声电效应测井界面电磁波
王伟豪, 崔志文
2019, 68 (20): 204301. doi: 10.7498/aps.68.20190891
摘要 +
声波在含流体孔隙介质内传播的过程当中, 会产生耦合电磁波, 根据这一现象前人提出了声电效应测井的方法. 本文探究了井外为柱状双层孔隙地层声电效应测井耦合声电场的产生机理和传播规律. 通过计算电场支点的垂直割线积分, 得到以地层电磁波速度传播的界面转换电磁波. 对比不同夹层孔隙介质层厚的界面转换电磁波时域波形, 可以发现每一次地层纵、横波传播至界面发生折反射时, 都会产生界面转换电磁波, 这些成分构成了界面转换电磁波的总响应. 考察了孔隙介质流体矿化度对界面转换电磁波的影响, 发现当介质分界面两侧孔隙介质流体矿化度差异越大时, 界面转换电磁波的幅度越大, 且两个界面所产生的电磁波互不影响. 同时考察了仅存在矿化度界面的情况, 发现声波传播至矿化度界面处也会产生界面转换电磁波, 可以利用这一特性来探测井外介质电化学界面的位置. 研究界面转换电磁波对于认识柱状双层孔隙地层声电效应测井的界面响应规律具有重要意义.
孤子内波环境下三维声传播建模
张泽众, 骆文于, 庞哲, 周益清
2019, 68 (20): 204302. doi: 10.7498/aps.68.20190478
摘要 +
提出了一种适用于存在孤子内波水平变化波导的高效三维水下声场计算模型. 该模型忽略反向散射, 一般情况下由于孤子内波的反向散射非常弱, 所以该模型能够提供精确的三维声场结果. 同时, 相对于双向三维耦合简正波模型, 该模型在计算效率上能够至少提高一个数量级. 除了孤子内波环境之外, 本模型还适用于存在小尺度海脊等反向散射比较弱的一般水平变化波导环境. 本文用该模型计算由KdV方程得到的孤子内波问题, 并用双向三维耦合简正波模型作为标准模型来验证本模型的计算精度. 计算结果表明本模型在反向散射比较弱的波导环境中具有非常高的计算精度.
热传导系数跳跃的三维非Fourier温度场分布的奇摄动双参数解
包立平, 李文彦, 吴立群
2019, 68 (20): 204401. doi: 10.7498/aps.68.20190144
摘要 +
应用非Fourier热传导定律构建了温度场模型, 即一类在无界域上的三维奇摄动双曲抛物方程的初边值问题. 随着温度急剧变化, 热传导系数发生跳跃, 相应可以用非线性的具有间断系数的奇摄动双参数双曲方程表示. 通过奇摄动双参数展开方法, 得到了该问题的渐近解. 首先应用奇摄动方法得到该问题的展开式, 通过对解做出估计以及古典解的存在唯一性定理给出了内解和外解的存在性、唯一性. 其次, 由奇摄动理论, 得到该类奇摄动双曲方程进行了初始层矫正, 得到了解关于时间的导数的估计. 并且通过用Fourier 变换确定了热传导系数跳跃的位置表达式, 从而得到了解的形式渐近展开式. 最后通过余项估计, 得到了渐近解的一致有效性, 从而得到了热传导系数间断的温度场的分布.
平衡分布正值性对格子Boltzmann方法数值表现影响分析
叶欢锋, 金頔, 匡波, 杨燕华
2019, 68 (20): 204701. doi: 10.7498/aps.68.20190624
摘要 +
在传统中, 格子Boltzmann离散模型的数值表现影响因素分析主要关注于平衡分布的矩精度, 而模型的正值性(作为粒子分布描述, 分布函数需恒为正)则仅作为模型的附属属性, 用于计算时工况约束. 随着部分高斯-厄米特求积公式离散方案的提出, 模型正值性被发现是独立于矩精度的模型属性, 可以通过格子速度调整. 研究人员推测平衡分布正值性对格子Boltzmann方法的数值表现存在显著影响, 可以通过改善平衡分布正值性改善模型数值表现. 相比提升模型矩精度方案, 正值性改善方案具有计算量优势. 然而鉴于高阶模型边界处理的缺失, 相关推测并未得到具体数值计算证实. 本文采用周期边界的Taylor-Green涡算例, 回避了边界处理问题, 详细分析了正值性对数值表现的影响, 包括平衡分布正值区域内计算精度稳定性以及模型平衡分布正值区域大小对计算影响, 并与矩精度影响进行对比. 计算结果显示, 模型正值区域内计算精度并不恒定, 随着工况靠近正值区域上界, 计算精度下降, 但总体上均具备较好的精算精度. 模型数值表现同时受到矩精度与模型正值性影响, 矩精度影响主要体现在模型是否满足Galilean不变性上, 对于满足Galilean不变性模型, 其数值表现则取决于模型正值性. 基于此, 本文认为通过改善模型正值性提升格子Boltzmann方法数值表现是切实可行的方案, 并推荐基于满足Galilean不变性条件下选择具有最宽正值区域的模型, 而不必执着于模型矩精度. 另外从本文的数值结果来看, 高阶模型模型的数值表现均好于经典D2Q9模型, 特别是D2H3-2模型, 是文中涉及模型的最优者, 值得进一步深入研究. 总体而言, 通过数值分析首次系统性梳理了模型正值性对计算影响, 并与矩精度进行对比分析. 本文证实了正值性对计算的影响, 为离散模型选择和改进提供了新的方向.
基于混合雷诺平均/高精度隐式大涡模拟方法的高升力体气动噪声模拟
葛明明, 王圣业, 王光学, 邓小刚
2019, 68 (20): 204702. doi: 10.7498/aps.68.20190777
摘要 +
$ Re_{d} = 4.3\times10^4$的单圆柱绕流算例开展验证, 并与传统的延迟分离涡模拟(DDES) 模型进行对比. 结果表明HRILES模型具有对亚临界态尾迹区转捩流动的模拟能力, 平均阻力系数与阻力均方根值和实验结果符合更好, 结合FWH 声比拟方法得到了合理的远场声压级(SPL)的功率谱密度(PSD)分布. 然后将其应用于30P30N 高升力体气动噪声算例模拟, 结果表明HRILES模型准确预测缝翼凹腔剪切层各站位的平均速度、涡量和湍动能分布, 壁面脉动压力谱分布与实验符合较好, 近、远场噪声频谱准确预测了缝翼低频窄带噪声, 并得到了合理的噪声辐射指向性分布.">发展了基于七阶精度混合型耗散紧致格式(HDCS)的混合雷诺平均(RANS)/高精度隐式大涡模拟(HILES)模型(HRILES), 并结合Ffowcs Williams-Hawkings (FWH)声比拟方法对30P30N 高升力体气动噪声问题进行了模拟. 首先对雷诺数$ Re_{d} = 4.3\times10^4$的单圆柱绕流算例开展验证, 并与传统的延迟分离涡模拟(DDES) 模型进行对比. 结果表明HRILES模型具有对亚临界态尾迹区转捩流动的模拟能力, 平均阻力系数与阻力均方根值和实验结果符合更好, 结合FWH 声比拟方法得到了合理的远场声压级(SPL)的功率谱密度(PSD)分布. 然后将其应用于30P30N 高升力体气动噪声算例模拟, 结果表明HRILES模型准确预测缝翼凹腔剪切层各站位的平均速度、涡量和湍动能分布, 壁面脉动压力谱分布与实验符合较好, 近、远场噪声频谱准确预测了缝翼低频窄带噪声, 并得到了合理的噪声辐射指向性分布.
椭圆形变微小水滴撞击深水液池运动大型气泡夹带机理
裴传康, 魏炳乾, 左娟莉, 杨泓
2019, 68 (20): 204703. doi: 10.7498/aps.68.20190541
摘要 +
在微小水滴撞击深水液池运动中, 水滴在下降过程中产生的外形振荡对后续空腔产生及气泡夹带有极大影响. 因此, 本文假定5种不同宽高比(AR)的微小变形水滴, 采用自适应网格技术和体积函数方法对其运动过程进行数值模拟, 并详细探究不同撞击速度和水滴形变对撞击后空腔变形坍缩过程、涡环的发展以及气泡夹带的影响. 研究结果表明, 在较高撞击速度下(Fr = 112.5, We = 145, Re = 1740, Vi = 6 m/s), AR = 1.33下的长椭圆形变水滴与液池聚合并产生大型气泡夹带. 大型气泡截留过程主要由水滴撞击时颈部自由面下产生的涡环控制, 涡环裹挟自由界面形成滚动射流, 最终射流接触夹带大型气泡. 在气泡截留后期, 腔内气旋推动侧壁向外拓展, 有效增大了气泡体积. 在撞击初期阶段, 液滴形状越扁, 水滴与液池颈部射流曲率越大, 生成涡环强度越大. 但扁椭圆水滴生成涡环距离自由面过近, 界面的早期拉动破坏了涡环强度, 因此涡环衰减也相对较快.
动量比及其调节方式对针栓喷注器喷雾特性的影响
陈慧源, 李清廉, 成鹏, 林文浩, 李晨阳
2019, 68 (20): 204704. doi: 10.7498/aps.68.20190671
摘要 +
对不同动量比下针栓喷注器的喷雾特性开展了试验研究. 以水为模拟介质, 分别通过增大氧化剂流量与减小燃料流量, 在0.16—0.99范围内增大局部动量比, 其中前者对应的总动量更高. 通过高速摄影结合激光相位多普勒技术(PDA)研究了不同工况下的喷雾边界、粒径分布及速度场. 结果表明, 工况变化直接影响喷雾形态, 并进一步影响其他喷雾特性. 对于同一局部动量比, 喷雾锥角一致, 但高总动量对应的喷雾下游范围更大. 随着外喷嘴流量增加, 喷雾上游出现空心区, 且其范围随局部动量比增大而增大. Sauter平均直径 (SMD)随局部动量比增加而增大, 变化范围则随总动量增高而扩大. 有空心区的喷雾SMD沿径向呈N形变化趋势, 喷雾外缘粒径最大; 实心喷雾SMD沿径向略有下降. 喷雾合速度取决于总动量, 合速度、轴向速度、径向速度均沿径向呈倒V形变化, 但轴向速度以下降趋势为主, 径向速度增加后缓慢减小或直接趋平. 局部动量比越高, 径向速度越高, 轴向速度越低. 此外, 空心区下方喷雾速度场由液膜主导.
综述
硅基光电子器件的辐射效应研究进展
周悦, 胡志远, 毕大炜, 武爱民
2019, 68 (20): 204206. doi: 10.7498/aps.68.20190543
摘要 +
硅基光电子器件与芯片技术是通信领域的下一代关键技术, 在光通信、高性能计算、数据中心等领域有广阔的市场, 在生物传感领域也有广泛应用. 根据硅光器件高集成度、重量小等特性, 可以预见硅基光电子芯片在空间通信、核电站、高能粒子实验等辐射环境中也极具应用前景. 本文综述了硅基光电子器件在高能粒子环境下的辐射效应研究工作, 阐述了电离和非电离辐射效应; 针对无源器件和有源器件分别介绍了辐射效应和响应机理, 包括波导、环形谐振器、调制器、探测器、激光器、光纤等. 高能辐射对无源器件的影响主要包括结构加速氧化、晶格缺陷、非晶结构致密化等. 对于光电探测器和激光器, 辐射引起的位移损伤占主导地位, 其中点缺陷引入的深能级会影响载流子响应导致器件性能变化, 而电光调制器在辐射环境下的主要损伤机制是电离损伤, 产生的缺陷电荷会影响载流子浓度从而改变有效折射率. 本文最后展望了硅基光电集成器件的辐射加固思路和在空间环境中的应用前景.
气体、等离子体和放电物理
螺旋波等离子体原型实验装置中天线的优化设计与功率沉积
平兰兰, 张新军, 杨桦, 徐国盛, 苌磊, 吴东升, 吕虹, 郑长勇, 彭金花, 金海红, 何超, 甘桂华
2019, 68 (20): 205201. doi: 10.7498/aps.68.20182107
摘要 +
近年来, 螺旋波等离子体源在核聚变条件下等离子体与材料的相互作用方面具有十分重要的研究意义. 本文对高密度螺旋波等离子体原型实验装置(helicon physics prototype experiment, HPPX)中的螺旋波系统发射天线进行了优化设计, 利用HELIC程序, 对螺旋波的耦合和功率沉积与天线的类型、天线长度、运行频率等关键参数的相互关系作了数值模拟计算, 进而给出了天线的最佳天线结构和物理尺寸. 同时还分析了静磁场强度和轴心等离子体密度对功率沉积及其分布的影响, 发现等离子体对螺旋波的吸收功率在多个静磁场和轴心密度处有不同的峰值功率点, 且整体的耦合趋势随静磁场增大呈上升的趋势, 而随轴心密度增大是下降的趋势; 并根据这些仿真结果深入探讨了螺旋波等离子体的电离机制. 为了进一步研究HPPX装置中螺旋波与等离子体耦合的问题, 还给出了等离子体放电时的感生电磁场与电流密度的分布情况. 本文工作可为HPPX装置上螺旋波天线设计和相关物理实验提供理论依据.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
n型GaN过渡族难熔金属欧姆电极对比
何天立, 魏鸿源, 李成明, 李庚伟
2019, 68 (20): 206101. doi: 10.7498/aps.68.20190717
摘要 +
研究了过渡族难熔金属Hf体系Hf/Al电极在不同退火条件下与n型GaN的欧姆接触特性, 并与Ti基Ti/Al电极进行了对比. 采用圆点型传输线模型测量了Hf/Al和Ti/Al电极的比接触电阻率. 结果表明, 同等退火条件下的Hf/Al电极, 相比于传统Ti/Al电极, 展现出了更加优越的欧姆接触性能. 在N2氛围中低温650 ℃条件下退火60 s的Hf/Al电极得到了最低的比接触电阻率为4.28×10–5 Ω·cm2. 本文还利用深度剖析的俄歇电子能谱仪对电极的结构特性进行了分析, 经历退火的Hf/Al电极样品中金属与金属, 金属与GaN之间发生了相互扩散. 对Hf/Al, Ti/Al电极表面进行了扫描电子显微镜表征, 两种电极均表现出颗粒状的粗糙表面.
高压下金红石相TiO2的晶界电学性质
王春杰, 王月, 高春晓
2019, 68 (20): 206401. doi: 10.7498/aps.68.20190630
摘要 +
应用电化学阻抗谱法研究了高压下金红石相TiO2的晶粒和晶界电学性质. 随着压力的升高, TiO2的电阻降低, 在相变区域内(11.5 GPa附近), 表现出了无规则的变化. 通过对阻抗谱的测量发现, 在较低的压力下(常压到11.5 GPa范围内), TiO2的晶界特性不明显. 但是随着压力(大于11.5 GPa)的升高, 相变后TiO2的晶界特性变得显著. 这说明压力作用下晶粒和晶界的行为与TiO2相结构的转变有着密切的联系. 通过计算得到, 当压力高于25.2 GPa时, TiO2的晶粒边界空间电荷势稳定存在, 其值约为30 mV. 分析表明高压下TiO2晶界空间电荷势来源于静电相互作用和弹性相互作用两部分共同作用的影响.
[Ca24Al28O64]4+(4e)电子化合物的直接合成及热发射性能
李凡, 张忻, 张久兴
2019, 68 (20): 206801. doi: 10.7498/aps.68.20190070
摘要 +
[Ca24Al28O64]4+(4e)电子化合物是一种具有高载流子密度、低逸出功的透明导电氧化物, 但是繁琐的制备步骤、苛刻的工艺条件极大地限制了其实际应用. 本文以特定化学计量比的Ca12Al14O33+CaAl2O4两相为前驱体, 在放电等离子烧结系统里通过原位钙热反应成功制备了多晶C12A7:e. 在烧结温度为1100 ℃, 保温时间为10 min的条件下, 其电子浓度基本达到理论最大值~2.3×1021 cm–3, 在2.5 eV处出现明显的紫外吸收峰, 致密度可达99%以上. 同时用顺磁共振谱仪分析了其电子结构, 结果呈Dyson特性, 这些结果充分证明了电子有效地注入到笼腔结构中. 热电子发射测试结果显示: 在阴极温度为1373 K, 外加电场为35000 V/cm的条件下, C12A7:e的热发射电流密度为1.75 A/cm2, 有效逸出功为2.07 eV. 该工艺提供了一种新型的电子注入方法, 大幅度缩短了制备周期使大规模生产成为可能.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
三端磁隧道结的稳定性分析
王日兴, 李雪, 李连, 肖运昌, 许思维
2019, 68 (20): 207201. doi: 10.7498/aps.68.20190927
摘要 +
在理论上研究了磁隧道结/重金属层组成的三端磁隧道结中磁性状态的稳定性. 以包含自旋转移矩和自旋轨道矩的Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)方程为基础, 通过对平衡点进行线性稳定性分析, 得到了以钉扎层磁化向量方向和自旋轨道矩电流密度为控制参数的相图. 相图中包括平面内的进动态和稳定态以及伸出膜面的进动态和稳定态. 当钉扎层磁化向量在垂直薄膜平面内旋转时, 通过调节钉扎层磁化向量方向, 可以实现自由层磁化向量从稳定态到进动态的转化. 当钉扎层磁化向量在薄膜平面内旋转时, 在钉扎层磁化向量方向与自由层易磁化轴方向平行或者反平行的结构中, 失稳电流最小, 当钉扎层磁化向量方向逐渐偏离这两个方向时, 失稳电流不断增加. 调节自旋转移矩电流密度, 可以实现磁化翻转, 在自旋轨道矩的辅助下, 可以减小翻转时间. 相图的正确性通过画不同磁性状态磁化向量随时间的演化轨迹得到了验证.
Ti3O5弹性、电子和光学性质的第一性原理研究
付现凯, 陈万骐, 姜钟生, 杨波, 赵骧, 左良
2019, 68 (20): 207301. doi: 10.7498/aps.68.20190664
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了λβ相Ti3O5的电子结构、弹性性质和光学性质. 这两相间的相变可以被光、热、压力、电流等多种方式驱动, 在光学存储以及热能存储领域都有广泛的应用前景. 本文报道了这两相一系列的弹性常数. 计算发现, 两相间的光吸收及光反射性质具有很大差异. 同时提出了两相间的光致相变机制是由受激辐射效应决定的构想.
Al原子在Si表面扩散动力学的第一性原理研究
张恒, 黄燕, 石旺舟, 周孝好, 陈效双
2019, 68 (20): 207302. doi: 10.7498/aps.68.20190783
摘要 +
为了更好地在Si衬底上外延生长GaN薄膜, 需要先生长缓冲层(如AlN), 其中能否对起始的金属Al层实现可控生长, 将决定最终外延层的材料质量. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 理论上模拟计算了金属Al原子分别在清洁的、H原子和Cl原子钝化的Si(100)及Si(111)表面的吸附及扩散动力学行为. 研究结果显示, 在清洁的Si(100)表面上, Al原子易于吸附在沟槽中Tr位点, 沿沟槽呈曲折状扩散; 在H钝化、Cl钝化的Si(100)表面上, Al原子易于吸附在二聚体列顶部的H位置, 在二聚体列顶部沿直线扩散. 在不同方式处理的Si(111)表面, Al原子的最稳定吸附位置相同, 均易吸附于第二层Si原子的Top位(T4位点), 扩散路径类似, 均沿T4H3 (空心位点)的路径扩散. 无论是Si(100)还是Si(111)表面, H钝化、Cl钝化处理Si表面均有效降低Al原子的扩散能垒, 使Al原子更容易在二维表面上扩散, 并通过吸附能的比较以及差分电荷密度图分析, 讨论了不同Si表面状态对金属Al原子吸附和扩散行为调制的物理机制.
基于向日葵型圆形光子晶体的高灵敏度太赫兹折射率传感器
严德贤, 李九生, 王怡
2019, 68 (20): 207801. doi: 10.7498/aps.68.20191024
摘要 +
在基于太赫兹技术的生物化学传感应用中, 折射率传感逐步引起了广泛的研究兴趣. 为了提升太赫兹传感器的性能, 本文提出了基于向日葵型的圆形光子晶体折射率传感器. 所设计的传感器包括两个在光子晶体谐振腔中心对称分布的样品池. 研究了传感器性能与结构参数之间的依赖关系, 并讨论了这些参数的选择从而优化了传感器的性能. 最后, 所设计的折射率传感器在不同参数下获得的最大灵敏度为10.4 μm/RIU, 最大的Q因子为62.21, 最大的品质因数为1.46. 该项工作将圆形光子晶体传感器扩展到太赫兹波段, 实现了高性能太赫兹波折射率传感器.
顺磁性磁光材料维尔德常数解算模型的讨论
蔡伟, 许友安, 杨志勇, 苗丽瑶, 赵钟浩
2019, 68 (20): 207802. doi: 10.7498/aps.68.20190845
摘要 +
对顺磁性材料磁光特性和维尔德常数的研究通常采用量子理论, 但传统的量子理论仅考虑了电子跃迁偶极矩的影响, 难以对维尔德常数进行全面系统的描述. 本文在考虑跃迁偶极矩影响的基础上, 以受迫振动对电偶极矩修正的方式计入外磁场与光电场对电子运动的影响. 首先从微观层面分析了顺磁性材料磁光效应及维尔德常数的内在机理, 而后通过经典电子动力学理论和量子理论分别分析了电子的能级跃迁和外场作用下非跃迁位移对电偶极矩的贡献, 进而推导得到顺磁性材料的极化率, 构建了维尔德常数的解算模型. 以典型顺磁性磁光材料铽镓石榴石为例, 量子计算了Tb3+离子在自旋-轨道耦合、晶场及有效场作用下的能级及波函数, 最终分别定量求解得到传统量子理论和本文方法下的维尔德常数. 对比分析发现: 相比传统量子理论, 利用本文方法计算得到的结果与实验数据更为吻合, 具有一定的优越性.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
钛圆盘阵列增强微测辐射热计太赫兹波吸收特性
牛青辰, 苟君, 王军, 蒋亚东
2019, 68 (20): 208501. doi: 10.7498/aps.68.20190902
摘要 +
提出一种集成在微桥结构中的二维亚波长周期钛(Ti)金属圆盘阵列结构, 以增强太赫兹微测辐射热计的吸收率. 基于严格耦合波分析方法, 建立吸收结构模型, 研究了不同结构的Ti圆盘阵列及其在微桥阵列结构中的太赫兹波吸收特性. 周期Ti圆盘阵列结构降低了金属的表面等离子体频率, 在太赫兹波段激发伪表面等离子体激元并实现共振增强吸收. 共振吸收频率由周期、直径等Ti圆盘阵列的结构参数决定, 圆盘厚度则对太赫兹波吸收率有重要影响, 微桥结构中的谐振腔结构可降低共振频率并增强耦合效率. 设计的微桥探测结构以较小的Ti圆盘阵列周期(37 μm)实现突破衍射极限的太赫兹波约束, 在3.5 THz (波长85.7 μm)实现接近90%的太赫兹波吸收率, 满足太赫兹微测辐射热计小尺寸、高吸收及工艺兼容的要求.
Fe3GeTe2纳米带的结构稳定性、磁电子性质及调控效应
韩佳凝, 范志强, 张振华
2019, 68 (20): 208502. doi: 10.7498/aps.68.20191103
摘要 +
Fe3GeTe2是目前发现的少数几种二维铁磁材料之一. 基于密度泛函理论的第一性原理方法, 我们对二维Fe3GeTe2剪裁而成的纳米带NR(n)的结构稳定性和磁电子学特性进行了详细研究. 计算的结合能及分子动力学模拟表明纳米带的结构是非常稳定的. 纳米带呈现较大的磁矩及磁化能, 这说明它们具有较高的磁稳定性. 特别是在费米能级上, 纳米带具有较高的自旋极化率(SPF), 如NR(5)的SPF可达100%. 同时发现SPF随纳米带宽度变化有明显的奇偶振荡效应, 且纳米带的SPF比2维单层的情况有明显优势. 此外, 拉伸效应的计算结果表明, 应变可以灵活地调节纳米带的SPF使其在接近零值和85.6%之间变化, 这意味着可设计一个机械开关来控制低偏压下的自旋输运, 使其可逆地工作在高自旋极化与无自旋极化之间.
三点、四点法机械性能测试建模及其在太阳电池中的应用
何仁, 李英叶, 陈敬欣, 赵学玲, 汤欢, 张丽娜, 沈艳娇, 李锋, 杨琳, 韦德远
2019, 68 (20): 208801. doi: 10.7498/aps.68.20190597
摘要 +
用三点弯曲和四点弯曲测试方法分别测试了单晶硅片和双面电池两种不同样片的机械性能, 通过建立模型, 探讨了不同的弯曲测试方法对样片的最大弯曲位移、最大载荷和断裂强度的影响. 研究表明: 三点弯曲和四点弯曲测试测量的最大弯曲位移相差不大, 但对单晶硅片而言, 三点弯曲测试方法测量结果离散度较大, 四点弯曲测试方法测量结果离散度较小. 然而不论是单晶硅片还是双面电池, 四点弯曲测试方法均能通过分散载荷的方式而增加样片的承载能力, 四点弯曲测试方法计算得出的断裂强度较小于三点弯曲测试的结果.