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Vol. 68, No. 24 (2019)

2019年12月20日

特邀综述

  

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基于聚焦离子束纳米剪纸/折纸形变的三维微纳制造技术及其光学应用
高精度的三维微纳制造技术是现代光电子学和微纳光子学发展的重要基础之一, 是实现下一代微纳光子集成器件的重要前提. 纳米尺度的剪纸和折纸技术由于能够实现丰富的三维形变, 正发展成为一门新兴的研究领域. 本文系统地介绍了一种新型的片上三维微纳加工方法—基于聚焦离子束的纳米剪纸/折纸技术. 该技术利用聚焦离子束辐照具有不同拓扑形貌的自支撑膜片, 可实现优于50 nm精度、前所未见的三维形状变换, 包括片上、实时的多向折叠、弯曲、扭曲等形变. 提出了“树型”纳米剪纸和“闭环”纳米剪纸两种类型的加工方法, 并针对不同类型的工艺特性和优缺点进行分析对比. 利用全局扫描纳米剪纸技术制备的闭环纳米结构实现了独特的光学效应, 包括超光学手性、超构表面衍射、相位和偏振调控以及光子自旋霍尔效应等. 研究结果表明, 纳米剪纸/折纸形变技术在保持结构复杂性和功能性的同时, 可实现高精度、原位、片上、一步成型的三维微纳加工, 可望为三维微纳光子器件的设计、制备和应用提供一类新的设计方法和技术途径, 乃至为相关微纳光学、微电子、微机电系统、生物医学等领域的发展提供新颖的加工平台. 陈珊珊, 刘幸, 刘之光, 李家方 物理学报.2019, 68(24): 248101.
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 综述
综述
特邀综述
特邀综述
物理学交叉学科及有关科学技术领域
总论
钨空位捕获氢及其解离过程的分子动力学
付宝勤, 侯氢, 汪俊, 丘明杰, 崔节超
2019, 68 (24): 240201. doi: 10.7498/aps.68.20190701
摘要 +
氢(H)同位素滞留问题是聚变堆第一壁材料设计的关键, 而深入理解H在缺陷(如空位)处的非均匀形核长大过程有助于揭示H起泡及滞留的机制. 针对第一壁材料钨(W)中空位捕获H及其解离的动力学过程开展研究, 通过耦合捕获和解离两过程, 构建新物理模型, 避免了原单一过程的物理模型需准确记录相应事件首次发生时间的不足, 另外新模型可同时提取解离系数和有效捕获半径等动力学参数. 通过分子动力学模拟发现新模型能较好地描述W中空位-H复合体对H捕获和解离的动力学过程, 根据空位-H复合体随时间的演化曲线, 提取了有效捕获半径和解离系数等动力学参数. 一方面能为动力学蒙特卡罗和速率理论等长时空尺度方法提供输入参数, 另一方面促进了分子动力学的发展, 进而实现了以较低计算资源获得更可靠的计算结果.
参考系波动下的参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议
谷文苑, 赵尚弘, 东晨, 王星宇, 杨鼎
2019, 68 (24): 240301. doi: 10.7498/aps.68.20191364
摘要 +
参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议是解决实际系统中参考系对准问题的有效途径, 但其安全性的前提是参考系偏移速度缓慢. 考虑到现实参考系波动和信号长度有限的情况, 重点讨论了参考系偏移和波动下的有偏基参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议性能的有效性. 仿真结果表明协议密钥率是关于偏移角的周期函数, 同时也是波动角的递减函数, 为下一步参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议实用化打下了理论基础.
粗糙势中耦合布朗粒子的定向输运性能
刘晨昊, 刘天宇, 黄仁忠, 高天附, 舒咬根
2019, 68 (24): 240501. doi: 10.7498/aps.68.20191203
摘要 +
研究了粗糙棘轮中耦合粒子的定向输运行为, 并进一步讨论了阻尼条件下粗糙棘轮的扰动振幅、扰动波数、粒子间的耦合强度及自由长度等因素对耦合布朗粒子质心平均速度及斯托克斯效率的影响. 研究发现, 合适的粗糙棘轮扰动振幅和扰动波数能促进耦合布朗粒子的定向输运, 同时还能增强其斯托克斯效率. 此外, 合适的耦合强度和自由长度还能使粗糙棘轮的输运性能达到最强. 还发现小扰动振幅条件下, 通过改变耦合强度和自由长度能够诱导粗糙棘轮的流反转. 通过研究更具实际意义的粗糙棘轮, 本文所得结论能为实验上理解分子马达的运动行为提供理论指导, 还可为纳米量级分子机器的设计及粒子分离技术的实现提供实验启发.
Shimizu-Morioka系统与Finance系统生成Lorenz混沌的微分几何策略
张端, 施佳琴, 孙莹, 杨旭华, 叶蕾
2019, 68 (24): 240502. doi: 10.7498/aps.68.20190919
摘要 +
从一种受控混沌系统生成另一混沌系统可增强保密通信的安全性, 具备潜在应用前景. 研究了如何通过状态变换以及单输入反馈, 驱使受控Shimizu-Morioka系统与受控Finance系统生成Lorenz混沌动态. 主要方法是运用微分几何理论, 将上述三种系统等价转换为下三角形式, 并尽量简化和一致化其方程形式, 使得上述三种不同的3阶系统的前两个方程形式相同, 然后对受控Shimizu-Morioka系统与受控Finance系统设计单输入反馈控制第三个方程的形式, 以便达到生成Lorenz混沌的目的. 运用该方法, 设计了受控Shimizu-Morioka系统通过状态变换和单输入状态反馈, 混沌反控制生成Lorenz混沌的控制策略; 也设计了受控Finance系统通过状态变换和单输入状态反馈, 广义同步到Lorenz混沌的控制策略. 最后, 借助数值仿真验证了上述混沌反控制和广义同步的有效性.
基于空间角度复用和双随机相位的多图像光学加密方法
王雪光, 李明, 于娜娜, 席思星, 王晓雷, 郎利影
2019, 68 (24): 240503. doi: 10.7498/aps.68.20191362
摘要 +
提出了基于空间角度复用和双随机相位的多图像光学加密新方法. 加密过程中, 首先将原始图像进行随机相位调制和不同距离的菲涅耳衍射; 其次, 将携带调制后图像的参考光与携带随机相位且具有不同立体角的参考光相干叠加, 产生干涉条纹; 最后, 将不同方向的干涉条纹叠加形成复合加密图像. 解密为加密的逆过程, 将复合加密图像置于空间滤波和菲涅耳衍射系统中, 经过不同相位密钥解调和正确距离的菲涅耳衍射完成解密, 得到多幅解密图像. 该方法可以同时对多幅图像进行高效的加密, 计算简单、安全可靠、抗噪声能力强. 利用相关系数评估了该方法的加密效果, 并通过仿真实验验证了该方法的有效性和安全性.
考虑在能见度受限下行人跟随行为特性的建模与模拟
杨灿, 陈群, 陈璐
2019, 68 (24): 240504. doi: 10.7498/aps.68.20190707
摘要 +
研究了行人在能见度受限情况下的疏散行为, 考虑行人对环境的熟悉程度, 将行人分为熟悉环境人群和不熟悉环境人群. 对于房间内熟悉环境的行人, 改进势函数元胞自动机模型来模拟其疏散行为. 对于不熟悉环境人群, 分析其在视野范围内的跟随行为, 并制定了不同跟随行为策略, 来研究其跟随行为特性. 仿真模拟了房间内熟悉环境人群的人数占比、房间内的视野半径大小以及行人密度等参数, 研究其对行人疏散的影响, 比较不熟悉环境人群采取的跟随策略的优劣. 发现疏散时间的大小与房间内视野半径的大小和房间内熟悉环境者密度的大小有关. 其次, 跟随策略的有效性与视野半径的大小和熟悉环境者密度有关. 而且在单一策略环境下, 有着同样的规律. 这些发现能对大型公共场所如超市、体育馆的应急疏散情况提供一些启示, 有助于在视野受限情况下制定一些有效的指导策略.
基于精细微观交通流模型的信号交叉口人-车相互干扰研究
陶亦舟, 韦艳芳, 高庆飞, 董力耘
2019, 68 (24): 240505. doi: 10.7498/aps.68.20191306
摘要 +
采用微观离散模型研究信号交叉口的人-车相互干扰机理, 其中车辆运动描述基于细化NaSch模型并考虑了司机对交通灯信号切换的预期效应; 行人运动描述则基于多步格子气模型并考虑了过街绿灯周期内行人过街速度逐渐增加的特征. 机动车与行人之间相互干扰表现为交通灯信号切换时由于车辆(行人)滞留冲突区而造成行人(车辆)运动的延误. 通过数值模拟得到了车辆运动的基本图、行人等待时间以及相应的相图, 并给出行人(车辆)滞留冲突区内造成车辆(行人)延迟的定量特征. 模拟结果发现存在一个临界绿信比. 当绿信比小于临界值时, 随着密度的增大, 车流出现自由流相、饱和流相和拥堵流相; 而当绿信比大于临界值, 则出现自由流相、共存相、饱和流相和拥堵流相. 由人-车相互干扰所导致的延误与车流和行人流的运行状态密切相关. 当行人到达率和绿信比都比较大时, 等待区内的行人无法在行人绿灯周期内一次清空. 文中详细地讨论了人-车相互干扰的定性和定量特征. 发现通过合理设置绿信比, 可以在保证车流运行效率的同时, 减少行人过街的等待时间.
多格点相互作用对横向磁场作用下XY型自旋链中非平衡态热力学性质的影响
贺志, 余敏, 王琼
2019, 68 (24): 240506. doi: 10.7498/aps.68.20190525
摘要 +
近年来, 封闭系统中非平衡热力学性质, 特别是自旋链中经过一个淬火过程后的平衡热力学性质已经成为了量子热力学研究中的一个热点之一. 研究了横向磁场作用下含XZX+YZY型三体相互作用的XY自旋链中的非平衡态热力学性质. 具体考虑了当XY型链中横向外磁场发生一个突变(淬火)时链中XZX+YZY三格点相互作用分别对淬火过程中产生的平均功、功涨落和不可逆熵产生等热力学量的影响. 研究显示: XZX+YZY三格点相互作用可能对平均功的增加起正面作用和负面作用, 关键取决于初始外磁场强度的取值. 接着, 还发现: 通过调节XZX+YZY三格点相互作用强度可以很有效地抑制功涨落. 最后, 考虑了不可逆熵产生在不同XZX+YZY三格点相互作用下随外磁场强度的变化关系, 结果发现: 不可逆熵产生在临界磁场附近会出现特殊的尖峰特征, 并且尖峰值随XZX+YZY三格点相互作用的增加有不断减少的趋势, 同时给出了相应的物理解释.
一种毛细管聚焦的微束X射线衍射仪
姜其立, 段泽明, 帅麒麟, 李融武, 潘秋丽, 程琳
2019, 68 (24): 240701. doi: 10.7498/aps.68.20190497
摘要 +
微区X射线衍射(micro-X-ray diffraction)分析在测量小样品或样品微区结构方面有着独特的优势. 介绍了实验室自行研发的台式毛细管聚焦的微束X射线衍射仪(μ-Hawk), 其主要由微焦斑X射线管、毛细管X光透镜、接收狭缝、SDD X射线探测器、θ-θ测角仪、三维样品台, 以及在LabVIEW语言环境下开发的计算机控制程序等部分组成. 控制程序的主界面具备微区X射线衍射分析和微区能量色散X射线荧光分析两种分析模式. 为了验证设备的可行性, 分别对一枚人民币五角硬币上“角”字第一划中央处的微区和直径为140 μm的铜质导线进行微区点分析; 对苹果手机主板焊锡接触点上1.0 mm × 0.6 mm区域内的物相分布进行二维扫描分析, 具体方式为在二维待测区域内逐点自动执行θ-θ角度扫描, 由程序控制的4个电机来实现此过程. 分析结果表明, μ-Hawk所具备的微区能量色散X射线荧光分析模式, 为物相结构的识别提供了元素种类的参考信息; 与常规的X射线衍射仪相比较, μ-Hawk所采集的衍射图整体本底较低, 并且所测得的衍射峰位置基本一致; μ-Hawk能适应小样品或样品微区物相结构的分析和物相分布的二维扫描分析, 在材料科学、地球科学和文物保护等领域有着广泛的应用前景.
原子和分子物理学
TiAl电子态结构的ab initio计算
张树东, 王传航, 唐伟, 孙阳, 孙宁泽, 孙召玉, 徐慧
2019, 68 (24): 243101. doi: 10.7498/aps.68.20191341
摘要 +
应用完全活动基自洽场方法, 结合N电子价态微扰近似(NEVPT2), 对TiAl金属二聚体的基态和若干最低电子激发态的势能曲线进行了计算. 完全活动空间由Al的3个价电子(3s23p1)轨道和Ti的4个价电子(3d24s2)轨道构成, 计算基组选用Karlsruhe group的价分裂全电子基组def2-nZVPP(n = T, Q). 在确认TiAl的基态为四重态的基础上, 在核间距R = 0.200—0.500 nm范围内, 扫描获得了TiAl基态和最低二个激发态的完整势能曲线, 并对电子态进行了标识, 发现在0.255 nm附近存在电子态结构的“突变”. 在R > 0.255 nm区域, 基态和两个激发态分别为X4Δ, A4Π和B4Γ; 在R < 0.255 nm区域, 基态仍为X4Δ, 但两个激发态变为A'4Φ和B'4Π, 且存在激发态简并解除的现象. 基于NEVPT2修正后的势能曲线, 获得了TiAl电子态的平衡核间距、束缚能、激发能、跃迁偶极矩等特征参数, 并解释了实验上观测不到TiAl电子跃迁光谱的原因. 电子激发态存在“突变”的结构特征, 可为分析理解TiAl合金在室温下的脆性问题提供参考.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
含石墨烯分界面有耗分层介质的传播矩阵
王飞, 魏兵
2019, 68 (24): 244101. doi: 10.7498/aps.68.20190823
摘要 +
给出一种适用于含导电界面的有耗分层介质的传播矩阵方法. 利用相位匹配原理给出斜入射时有耗介质波矢量的实部和虚部, 二者方向不同使得在介质中传播非均匀平面波. 根据边界条件, 推导了跨越石墨烯界面的传播矩阵, 以及“无限薄”石墨烯层的反透射系数解析式. 最终将传播矩阵方法推广应用于含石墨烯界面的有耗分层介质情形, 可用于快速解析分析分层介质与导电界面复合结构的反透射和电波传播特性.
基于分形谐振器的远场超分辨率扫描成像
高强, 李小秋, 周志鹏, 孙磊
2019, 68 (24): 244102. doi: 10.7498/aps.68.20190620
摘要 +
为突破传统衍射极限实现远场超分辨率扫描成像, 提出一种基于分形谐振器的微结构阵列用于目标远场超分辨率扫描成像. 该阵列基于局域模谐振原理, 将目标的超分辨率信息包含在频谱中传播到远场, 可在远场通过频谱信息判断目标所在位置, 从而不借助于格林函数实现超分辨率实时成像, 成像过程简单方便. 基于分形谐振器的设计使阵列具有多频点工作的特点, 最终实现了λ/10的超分辨率成像. 结合分形谐振器一阶谐振和三阶谐振的特点, 提出一种可有效提升成像效率的新型的扫描成像方法.
连续波腔衰荡光谱技术中模式筛选的数值方法
王金舵, 余锦, 貊泽强, 何建国, 代守军, 孟晶晶, 王晓东, 刘洋
2019, 68 (24): 244201. doi: 10.7498/aps.68.20190844
摘要 +
连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)测量中多模衰荡的产生是严重影响痕量气体测量灵敏度的重要因素. 本文针对衰荡腔内无光阑或光阑滤模不彻底的CRDS装置, 通过分析腔误调时的能量耦合规律以及受关断时间影响的衰荡过程, 提出阈值选择和拟合度判定两种非光阑模式筛选方法, 利用数值方法达到抑制多模衰荡及筛选基模衰荡(优衰荡)的目的. 首先对CW-CRDS实验中平均采样和单次采样模式下出现的多种衰荡类型进行了归纳分析, 发现可以通过单次采样数据预测多次采样的测量结果, 实验结果与预期一致. 解决了CRDS实验“平均”和“拟合”的先后顺序问题. 在此基础上, 利用优衰荡出现概率满足二项分布模型的特性, 建立了优衰荡出现频率随触发阈值变化的概率模型, 用于选择合适的触发阈值. 实验表明提升触发阈值可以有效地抑制多模衰荡, 使测量灵敏度提升约一个数量级. 随着触发阈值的提升, 通过优衰荡得到的Allan方差将趋于一个定值, 但是衰荡过程获取时间将逐渐延长. 因此, 在CW-CRDS检测中触发阈值应设置在保证全部衰荡过程均为优衰荡的最小阈值处. 之后, 采用拟合度判定法对实验数据进行了筛选. 最后给出了两种方法的适用范围, 拟合度判定法虽然简单但局限性较大, 阈值选择法可适用于腔误调程度不严重的情况.
基于含时分步积分算法反演单体MgO:APLN多光参量振荡能量场
刘航, 于永吉, 王宇恒, 刘贺言, 李渌洁, 金光勇
2019, 68 (24): 244202. doi: 10.7498/aps.68.20190843
摘要 +
针对脉冲抽运机制下多光参量振荡器内1.57 μm和3.84 μm跨周期参量光的能量耦合过程, 利用含时波动方程建立起关于时间的能量转换模型, 并运用分步积分法对模型进行求解, 获得参量光转换效率. 模拟多光参量放大器输出参量光波形, 证实逆转换和模式竞争是影响多光参量振荡的重要因素. 进一步, 模拟外腔多光参量振荡器1.57 μm和3.84 μm跨周期参量光的输出情况. 分别对比不同输出透过率、晶体长度和谐振腔长度下转换效率的模拟值, 证实了输出镜透过率影响1.57 μm和3.84 μm跨周期参量光的转换效率, 同时表明外腔多光参量振荡器存在最佳晶体长度和谐振腔长度. 基于仿真结果, 开展外腔多光参量振荡器实验. 1.57 μm和3.84 μm参量光转换效率实验值与理论值相吻合, 证实此方法能精准地反演多光参量振荡器的能量转换过程, 为优化多光参量振荡器、提高参量光转换效率提供了理论依据.

编辑推荐

热压法制备的碲酸盐玻璃微盘
胡博, 吴越豪, 郑雨璐, 戴世勋
2019, 68 (24): 244203. doi: 10.7498/aps.68.20191051
摘要 +
提出一种热压法制备微盘激光器的工艺, 仅使用实验室常用电阻加热炉具即可制备出不同直径/厚度的微盘激光器. 选用TeO2-ZnO-Na2O碲酸盐玻璃为基质材料, 制备出直径分布在100—400 μm范围内、最小厚度可达8 μm、典型品质因数(Q值)约为105的微盘激光器. 对碲酸盐玻璃基质材料掺入稀土离子Nd3+和Tm3+, 通过光纤锥耦合法开展微盘的抽运耦合实验, 即可在耦合系统的输出光谱中获得明显的荧光回廊模式和激光模式. 以一颗直径为105.74 μm、厚度为10.4 μm的Nd3+掺杂微盘为例, 当抽运光功率提升至1.364 mW以上时, 即可在1.06 μm附近获得激光峰. 同样实验表明, 对Tm3+掺杂的微盘进行抽运耦合实验可获得1.9 μm附近的激光峰.
对称熔融拉锥型光纤光栅温度和应力传感特性
涂兴华, 赵宜超
2019, 68 (24): 244204. doi: 10.7498/aps.68.20191034
摘要 +
锥形结构的光纤光栅具有对应力敏感而对温度不敏感的特性, 这可以有效抑制温度与应力的交叉敏感问题. 提出一种利用熔融拉锥技术实现对称双锥形结构的光纤光栅, 结合传输矩阵法建立其传感特性理论模型并加以分析. 首先研究影响啁啾系数变化的因素, 得到啁啾系数与光栅长度变化量的关系; 其次对对称熔融拉锥型光纤光栅的光谱特性进行分析, 讨论光谱短波长处出现密集调制现象的成因; 然后仿真研究温度和应力对对称熔融拉锥型光纤光栅的反射谱影响, 得到对应的中心波长和光谱宽度的变化关系. 并针对应力灵敏度较低问题, 提出聚合物涂覆锥区增大传感锥区光纤半径差而进行增敏的方案, 利用熔融拉锥法制备对称熔融型光纤光栅, 通过实验验证理论仿真的正确性, 对称熔融拉锥型光纤光栅应力灵敏度为0.11391 nm/N. 研究表明, 对称熔融拉锥型光纤光栅的啁啾系数与光栅长度变化量满足线性关系. 对称熔融拉锥型光纤光栅端处光栅周期较小, 且反射率小于1, 左边透射光与右边反射光会产生干涉, 因此光谱短波长处会出现密集调制现象. 随着轴向应力的增大, 光栅反射中心波长向长波方向移动, 光谱宽度变大, 且两者与轴向应力均满足线性关系; 随着温度升高, 反射谱峰中心波长向长波方向移动, 满足线性关系, 而温度对光谱宽度的影响可忽略不计. 通过增大传感锥区光纤光栅半径差, 光纤光栅的应力灵敏度较之前提高了数百倍, 并且增大光栅长度变化量有助于进一步提高应力灵敏度. 对称熔融拉锥型光纤光栅的光谱宽度只对应力敏感而对温度不敏感, 这一特性可用于实现温度与应力双参量测量.
超声场中空化泡对弹性粒子微流的影响
冯康艺, 王成会
2019, 68 (24): 244301. doi: 10.7498/aps.68.20191253
摘要 +
从声散射基本理论出发, 考虑弹性粒子与空化泡之间耦合作用, 结合边界条件, 推导了弹性粒子外部声流分布, 得到了声微流的n = 0和n = 1模式近似表达式和粒子表面应力分布函数. 数值分析结果表明: 气泡和弹性粒子之间的耦合作用增加了粒子周围的微流分布与剪应力场分布, 特别是微流速度的切向分量. 随着两者间距与相对位置的距离增大, 粒子与气泡之间相互作用减弱, 粒子周围微流幅值减小; 当气泡处于共振状态时, 粒子周围的微流分布显著增强. 粒子表面剪应力场受粒子半径与声场频率影响, 当粒子半径与声场频率越大, 外部散射声强越强, 粒子表面剪应力幅值越大.
液氮滴撞击壁面相变行为的数值研究
赵可, 佘阳梓, 蒋彦龙, 秦静, 张振豪
2019, 68 (24): 244401. doi: 10.7498/aps.68.20190945
摘要 +
采用Level Set-VOF方法建立单液氮滴撞击壁面的数值模型, 探索壁面润湿性(30°—150°)、撞击速度(0.1和1.6 m/s)及壁面温度(300—500 K)对液滴撞壁演化过程中相变行为的影响, 并理论推导了气膜生长数学模型. 结果表明: 增强壁面润湿性、提高撞击速度有利于液滴沿径向铺展, 从而增大了换热面积并降低热阻, 使换热性能得到显著提升; 提高壁面温度增大了换热温差, 热流密度随之上升; 三相接触线处热阻较小导致边缘处热流密度高于中心处, 不同润湿壁面上热流分布的差异性因初始速度的增大而缩小, 呈现明显的速度效应; 在膜沸腾区, 传热过程主要集中在撞击初期, 气膜是主要换热热阻; 基于质量守恒和能量守恒建立气膜生长数值模型, 模型预测结果与本文模拟结果和其他研究结果非常吻合.
镁颗粒-空气混合物一维稳态爆震波特性数值模拟
刘龙, 夏智勋, 黄利亚, 马立坤, 那旭东
2019, 68 (24): 244701. doi: 10.7498/aps.68.20190974
摘要 +
镁颗粒因其能量密度高、点火特性和燃烧效率好的优势, 作为燃料或添加剂应用于爆震燃烧动力系统具有广阔的应用前景. 本文建立了镁颗粒-空气混合物的一维稳态爆震波模型, 数值模拟爆震波稳态传播过程及其内部流场分布. 结果表明, 镁颗粒-空气混合物爆震波仅能以特征值速度稳定自维持传播, 特征值爆震速度的高低并不仅仅取决于反应放热多少, 两相间的相互作用也会影响热能向气相动能的转化效率. 当爆震波末端氧化镁处于熔化过程时, 满足一定的来流速度和镁颗粒密度条件, 爆震波仍能够稳定自维持传播. 气相吸收反应放热膨胀加速至声速的过程主要发生在镁颗粒纯蒸发反应阶段, 但在氧化镁熔化阶段由于熔化过程吸热量大, 使气相吸热膨胀过程近乎停止. 颗粒粒径变化主要影响爆震波尺寸, 而对特征值爆震速度以及波后声速面参数影响甚微. 在常温常压的初始条件下, 爆震波稳定自维持传播过程中波内不涉及氧化镁的汽化离解过程.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
蒸发冷凝法制备超细CeB6和SmB6纳米粉末及可见光穿透特性
程大伟, 包黎红, 张红艳, 潘晓剑, 那仁格日乐, 赵凤岐, 特古斯, 朝洛濛
2019, 68 (24): 246101. doi: 10.7498/aps.68.20191312
摘要 +
采用蒸发冷凝法成功制备出了纳米稀土六硼化物CeB6和SmB6超细粉末. 对所制备粉末物相、晶粒形貌、微观结构及光吸收性能进行了系统研究. 结果表明, 纳米CeB6和SmB6粉末主相为CaB6-型立方晶体结构, 球型形貌, 平均晶粒尺度为50 nm. 高分辨透射电镜观察结果表明, 在冷凝(结晶)过程中由于稀土元素Sm具有易挥发特性导致纳米SmB6结晶过程中存在大量的晶体缺陷. 光吸收结果表明, 纳米CeB6透射光波长为599 nm, 纳米SmB6透射光波长为632 nm, 均表现出了可见光穿透的特点. 为进一步定性解释光吸收机理, 采用第一性原理计算了能带、态密度及等离子共振频率能量.
高应变率下温度对单晶铁中孔洞成核与生长影响的分子动力学研究
王云天, 曾祥国, 杨鑫
2019, 68 (24): 246102. doi: 10.7498/aps.68.20190920
摘要 +
采用嵌入原子势的分子动力学模拟方法, 研究了5 × 109 s–1应变率下, 温度效应对单晶铁中孔洞成核与生长的影响, 并对NAG (nucleation and growth)模型在单晶铁中的适用性进行了探讨. 结果表明: 随着温度的升高, 单晶铁的抗拉强度峰值降低, 1100 K温度下单晶铁抗拉强度峰值比100 K温度下降低了35.9%. 在100—700 K温度下, 拉应力时程曲线表现出双峰值特点, 分析表明, 第一峰值是由于拉应力升高引起内部结构发生相变而产生, 第二峰值则是因发生孔洞成核与生长而产生; 900—1100 K温度下, 拉应力时程曲线表现为单峰值, 孔洞成核与生长是拉应力下降的主要原因. 分析发现, 孔洞在高温下更容易成核, 高应变率下单晶铁中孔洞成核与生长和NAG模型有较好的符合度, 单晶铁中孔洞成核阈值与生长阈值都远高于低碳钢, 并且孔洞成核阈值与生长阈值随着温度的升高而逐渐降低. 研究结果可为建立高应变率下金属材料动态损伤演化模型提供借鉴.

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空位及氮掺杂二维ZnO单层材料性质:第一性原理计算与分子轨道分析
黄炳铨, 周铁戈, 吴道雄, 张召富, 李百奎
2019, 68 (24): 246301. doi: 10.7498/aps.68.20191258
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 系统地研究了带缺陷的二维类石墨烯结构的ZnO (graphene like-ZnO, g-ZnO)的几何结构、电子结构、磁性性质和吸收光谱性质. 研究的缺陷类型包括锌原子空位(VZn_g-ZnO)、氧原子空位(VO_g-ZnO)、氮原子取代氧原子(NO_g-ZnO)和表面吸附氮原子(N@g-ZnO). 研究发现: NO_g-ZnO体系和N@g-ZnO体系形变较小, 而空位体系会引入较大的形变; g-ZnO本身无磁矩, 引入Zn空位后, VZn_g-ZnO体系总磁矩为2.00 μB; VO_g-ZnO体系无磁矩, 但N掺杂后的NO_g-ZnO体系和氮吸附的N@g-ZnO体系的总磁矩分别为1.00 μB和3.00 μB. 利用掺杂体系的局域对称性和分子轨道理论分析了杂质能级和磁矩的产生原因, 并且通过分析光吸收曲线得知, 引入空位缺陷或者N原子掺杂, 可以有效增强g-ZnO单层材料的光吸收性能. 研究结果对系统地理解g-ZnO及其缺陷模型的性质有重要意义, 可以为发展基于g-ZnO的纳米电子器件和光催化应用提供理论参考.
基于超强耦合量子点-纳米机械振子系统的全光学质量传感
杨建勇, 陈华俊
2019, 68 (24): 246302. doi: 10.7498/aps.68.20190607
摘要 +
提出一种复合量子点-纳米机械振子系统, 该系统以半导体芯片为基底, 量子点嵌入倒置半导体圆锥纳米线的底端, 通过光学抽运-探测技术来驱动量子点-纳米机械振子系统, 研究该系统中的相干光学特性. 通过探测吸收谱给出确定机械振子频率和量子点-纳米机械振子耦合强度的全光学方法. 此外, 基于该系统理论上提出一种在室温下的全光学质量传感方案. 通过测量吸收谱中附着在机械振子上纳米颗粒的质量引起的共振频移, 可间接测出额外纳米颗粒的质量. 与先前的复合纳米机械振子系统相比, 系统中的激子-声子耦合强度的数值可与振子频率比拟, 可实现超强耦合, 有利于相干光学特性的观测, 在超高精度及高分辨率质量传感器件方面有着潜在应用.

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混合型碘系钙钛矿薄膜变温光致发光特性的研究
蒋泵, 陈思良, 崔晓磊, 胡紫婷, 李跃, 张笑铮, 吴康敬, 王文贞, 蒋最敏, 洪峰, 马忠权, 赵磊, 徐飞, 徐闰, 詹义强
2019, 68 (24): 246801. doi: 10.7498/aps.68.20191238
摘要 +
$ {\rm{C}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{NH}}_3^ + $)随着半径较小的Br离子的比例增加(x = 0—0.1), 薄膜择优取向生长更明显, 其光学带隙从1.43 eV到1.48 eV线性增加. 在光抽运下, 随着工作温度从10 K升高到125 K, 纯碘系钙钛矿(MAPbI3, 即x = 0)可见区光致发光(PL)的峰位轻微的红移; 之后至350 K, 发生蓝移. 而Br阴离子混合型钙钛矿薄膜的PL峰位只随温度升高持续蓝移. 并且在不同工作温度下, Br阴离子比例x与PL峰位呈现线性关系. 对于纯碘系钙钛矿, 其高温段激子结合能是37.5 meV; 随着Br的比例的增加, 高温段激子结合能会先增大后减小. 当x = 0.0333, 其薄膜PL半高宽随温度升高展宽幅度最小, 具有更好的温度稳定性. 通过进一步三重阳离子混合和阴离子调节, 获得更加优良的混合型碘系钙钛矿((Cs0.05(FA0.85MA0.15)0.95)Pb(Br0.15I0.85)3, FA+ = $ {\rm{HC}}({\rm{N}}{{\rm{H}}_2})_2^ +$)薄膜, 为进一步研制太阳能电池和发光器件奠定了实验基础.">研究了阴离子和阳离子混合型碘系钙钛矿薄膜材料的结构、光学性质及光致发光温度特性. 研究发现, 阴离子混合型碘系钙钛矿(MAPb(BrxI1–x)3, MA+ = $ {\rm{C}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{NH}}_3^ + $)随着半径较小的Br离子的比例增加(x = 0—0.1), 薄膜择优取向生长更明显, 其光学带隙从1.43 eV到1.48 eV线性增加. 在光抽运下, 随着工作温度从10 K升高到125 K, 纯碘系钙钛矿(MAPbI3, 即x = 0)可见区光致发光(PL)的峰位轻微的红移; 之后至350 K, 发生蓝移. 而Br阴离子混合型钙钛矿薄膜的PL峰位只随温度升高持续蓝移. 并且在不同工作温度下, Br阴离子比例x与PL峰位呈现线性关系. 对于纯碘系钙钛矿, 其高温段激子结合能是37.5 meV; 随着Br的比例的增加, 高温段激子结合能会先增大后减小. 当x = 0.0333, 其薄膜PL半高宽随温度升高展宽幅度最小, 具有更好的温度稳定性. 通过进一步三重阳离子混合和阴离子调节, 获得更加优良的混合型碘系钙钛矿((Cs0.05(FA0.85MA0.15)0.95)Pb(Br0.15I0.85)3, FA+ = $ {\rm{HC}}({\rm{N}}{{\rm{H}}_2})_2^ +$)薄膜, 为进一步研制太阳能电池和发光器件奠定了实验基础.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
层状铁磁体Fe0.26TaS2的Andreev反射谱
于晓洋, 冯红磊, 辜刚旭, 刘永河, 李治林, 徐同帅, 李永庆
2019, 68 (24): 247201. doi: 10.7498/aps.68.20191221
摘要 +
如何避免界面反应、可靠地提取材料的自旋极化率是自旋电子学的一个基本问题. 本文选取了一种独特的铁磁性层状过渡族金属硫化物Fe0.26TaS2, 研究了单晶材料的磁性、电子输运和Andreev反射谱. 磁性和输运结果表明, 低温下Fe0.26TaS2单晶存在强磁各向异性、双峰磁电阻和反常霍尔效应. 通过干法转移方案制备的干净界面的Fe0.26TaS2超导异质结的Andreev反射谱, 发现该材料的自旋极化率为47% ± 7%. 本文展示的干法转移制备超导/磁性异质结的方法可广泛用于测量各种二维磁性材料的自旋极化率.

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多晶石墨烯纳米带热电性能的理论研究
许易, 许小言, 张薇, 欧阳滔, 唐超
2019, 68 (24): 247202. doi: 10.7498/aps.68.20191276
摘要 +
热电材料能够将废热能直接转换成电能, 近年来受到了科技工作者们的广泛关注. 本文采用非平衡格林函数方法系统地研究了晶界对石墨烯纳米带热电性能的调控作用. 研究结果表明: 晶界能有效地提高石墨烯纳米带的塞贝克系数, 同时可以极大地抑制其热导(包含电子和声子部分). 基于这两个积极的效应, 多晶石墨烯纳米带的热电转换性能得到了显著的增强. 在室温下, 多晶石墨烯纳米带的热电品质因子约为0.3, 较完美石墨烯纳米带(约为0.05)提升了6倍左右. 并且发现晶界的数量和系统的长度还能进一步提升多晶石墨烯纳米带的热电性能, 但系统的宽度对其影响有限. 这些结果表明, 多晶结构可以显著提升石墨烯纳米带的热电转换效率. 这将为设计和制备基于石墨烯纳米带的热电器件提供新的途径.
结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响
刘燕丽, 王伟, 董燕, 陈敦军, 张荣, 郑有炓
2019, 68 (24): 247203. doi: 10.7498/aps.68.20191153
摘要 +
基于漂移-扩散传输模型、费米狄拉克统计模型以及Shockley-Read-Hall复合模型等, 通过自洽求解薛定谔方程、泊松方程以及载流子连续性方程, 模拟研究了材料结构参数对N极性面GaN/InAlN 高电子迁移率晶体管性能的影响及其物理机制. 结果表明, 增加GaN沟道层的厚度(5—15 nm)与InAlN背势垒层的厚度(10—40 nm), 均使得器件的饱和输出电流增大, 阈值电压发生负向漂移. 器件的跨导峰值随GaN沟道层厚度的增加与InAlN背势垒层厚度的减小而减小. 模拟中, 各种性能参数的变化趋势均随GaN沟道层与InAlN背势垒层厚度的增加而逐渐变缓, 当GaN沟道层厚度超过15 nm、InAlN背势垒层厚度超过40 nm后, 器件的饱和输出电流、阈值电压等参数基本趋于稳定. 材料结构参数对器件性能影响的主要原因可归于器件内部极化效应、能带结构以及沟道中二维电子气的变化.
氧化石墨烯的结构稳定性及硝酸催化作用的第一性原理研究
林启民, 张霞, 芦启超, 罗彦彬, 崔建功, 颜鑫, 任晓敏, 黄雪
2019, 68 (24): 247302. doi: 10.7498/aps.68.20191304
摘要 +
${{C_{66}} > 0,\;{C_{11}} > 0,\;{C_{11}}{C_{22}} > C_{12}^2}$, 处于力学稳定状态. 通过分析熏蒸前后的反应物和生成物, 表明硝酸起催化作用; 且硝酸氧化石墨烯为吸热过程, 反应发生需要外界热源. 通过分析结构的电子特性, 得出氧化石墨烯为直接带隙本征半导体, 带隙值为1.12 eV, 功函数为5.28 eV. 研究结果为硝酸氧化石墨烯的制备及其在光电子器件领域的应用提供了理论依据.">利用第一性原理方法, 采用超软赝势库系统研究了硝酸熏蒸石墨烯得到的氧化石墨烯结构的稳定性及电子结构. 基于石墨烯正交元胞的2 × 2超胞模型建立相应的正交晶系硝酸熏蒸氧化石墨烯模型, 包含15个碳原子和2个氧原子. 结果表明熏蒸后包含碳氧双键的氧化石墨烯结构为能量较低的稳定结构, 与实验报道一致. 力学稳定性分析表明该结构的${{C_{66}} > 0,\;{C_{11}} > 0,\;{C_{11}}{C_{22}} > C_{12}^2}$, 处于力学稳定状态. 通过分析熏蒸前后的反应物和生成物, 表明硝酸起催化作用; 且硝酸氧化石墨烯为吸热过程, 反应发生需要外界热源. 通过分析结构的电子特性, 得出氧化石墨烯为直接带隙本征半导体, 带隙值为1.12 eV, 功函数为5.28 eV. 研究结果为硝酸氧化石墨烯的制备及其在光电子器件领域的应用提供了理论依据.
具有石墨烯/铟锑氧化物复合透明电极的GaN发光二极管
郭伟玲, 邓杰, 王嘉露, 王乐, 邰建鹏
2019, 68 (24): 247303. doi: 10.7498/aps.68.20190983
摘要 +
$ \Omega/\Box $, 石墨烯/ITO复合透明电极的方块电阻为70.1 $ \Omega/\Box $; 石墨烯透明电极与p-GaN层的比接触电阻率为1.92 × 10–2 Ω·cm2, ITO插入之后, 其比接触电阻率降低为1.01 × 10–4 Ω·cm2; 基于石墨烯透明电极的发光二极管(light emitting diode, LED), 在20 mA注入电流下, 正向电压为4.84 V, 而石墨烯/ITO复合透明电极LED正向电压降低至2.80 V, 且光输出功率得到提高. 这归因于石墨烯/ITO复合透明电极与p-GaN界面处势垒高度的降低, 进而改善了欧姆接触; 另外, 方块电阻的降低, 使得电流扩展均匀性也得到了提高. 所采用的复合透明电极减少了ITO的用量, 得到了良好的欧姆接触, 为LED透明电极提供了一种可行方案.">近年来, 石墨烯材料由于优异的光电性能获得了广泛关注, 并应用于发光二极管的透明电极以取代昂贵的铟锑氧化物(indium tin oxide, ITO)透明电极, 但由于石墨烯与p-GaN功函数不匹配, 二者很难形成好的欧姆接触, 因而造成器件电流扩展差和电压高等问题. 本文将ITO薄层作为石墨烯透明电极与p-GaN间的插入层, 以改善石墨烯与p-GaN层的欧姆接触. 所制备的石墨烯透明电极的方块电阻为252.6 $ \Omega/\Box $, 石墨烯/ITO复合透明电极的方块电阻为70.1 $ \Omega/\Box $; 石墨烯透明电极与p-GaN层的比接触电阻率为1.92 × 10–2 Ω·cm2, ITO插入之后, 其比接触电阻率降低为1.01 × 10–4 Ω·cm2; 基于石墨烯透明电极的发光二极管(light emitting diode, LED), 在20 mA注入电流下, 正向电压为4.84 V, 而石墨烯/ITO复合透明电极LED正向电压降低至2.80 V, 且光输出功率得到提高. 这归因于石墨烯/ITO复合透明电极与p-GaN界面处势垒高度的降低, 进而改善了欧姆接触; 另外, 方块电阻的降低, 使得电流扩展均匀性也得到了提高. 所采用的复合透明电极减少了ITO的用量, 得到了良好的欧姆接触, 为LED透明电极提供了一种可行方案.
基于多角度投影激光吸收光谱技术的两段式速度分布流场测试方法
王传位, 李宁, 黄孝龙, 翁春生
2019, 68 (24): 247801. doi: 10.7498/aps.68.20191223
摘要 +
针对具有明显速度梯度的非均匀流场速度分布在线测试难题, 提出了基于多角度投影的激光吸收光谱多普勒速度分布测试方法, 利用多角度投影吸收光谱信息低频能量相对变化对两段式速度分布区间长度与对应速度值进行耦合求解. 建立不同投影角度下吸收光谱平均频偏值与不同速度区间频偏差值之间的函数关系, 提出了基于傅里叶变换的光谱信号低频能量变化分析方法, 解决了不同速度梯度条件下光谱信号微弱变化检测难题. 采用7185.6 cm–1波段H2O特征谱线结合三条投影光路实现了对于两段式速度分布模型的快速重建, 研究了投影角度以及不同幅值噪音对速度分布计算的影响. 分析表明该方法对于具有明显速度梯度的流场中高速区速度值重建结果最佳, 相对误差0.9%, 同时测量噪音对高速区速度值重建结果影响最小. 投影角度增大有利于增强重建方程中不同速度区间光谱频偏差值对速度区间长度比值的灵敏度, 提高测量精度. 考虑到系统测量空间分辨率限制, 0°, 30°, 60°是较为理想的光路分布角度. 研究结果对于推动激光吸收光谱技术在发动机诊断及气体动力学研究中的应用具有重要意义.
基于超材料的可调谐的太赫兹波宽频吸收器
陈俊, 杨茂生, 李亚迪, 程登科, 郭耿亮, 蒋林, 张海婷, 宋效先, 叶云霞, 任云鹏, 任旭东, 张雅婷, 姚建铨
2019, 68 (24): 247802. doi: 10.7498/aps.68.20191216
摘要 +
随着频谱资源的日益稀缺, 太赫兹波技术在近十几年的时间里得到了越来越多的关注, 并取得了巨大的进展. 由于高吸收、超薄厚度、频率选择性和设计灵活性等优势, 超材料吸收器在太赫兹波段备受关注. 本文设计了一种“T”型结构的超材料太赫兹吸收器, 同时获得了太赫兹多频吸收器和太赫兹波宽频可调谐吸收器. 它们结构参数一致, 唯一的区别是在太赫兹波宽频可调谐吸收器的顶端超材料层上添加了一块方形光敏硅. 这种吸收器都是三层结构, 均由金属基板、匹配电介质层以及顶端超材料层组成. 仿真结果表明, 太赫兹波多频吸收器拥有6个吸收率超过90%的吸收峰, 其平均吸收率高达96.34%. 而太赫兹波宽频可调谐吸收器通过改变硅电导率, 可以控制吸收频带的存在与否, 同时可以调整吸收峰的频率位置, 使吸收峰频率在一个频带宽度大约为30 GHz的范围内调整. 当硅的电导率为1600 S/m时, 吸收率超过90%的频带宽度达到240 GHz, 而且其峰值吸收率达到99.998%.
色散和杂质对双参量非对称高斯势量子点量子比特的影响
乌云其木格, 韩超, 额尔敦朝鲁
2019, 68 (24): 247803. doi: 10.7498/aps.68.20190960
摘要 +
选取双参量非对称高斯势描写量子点中电子的受限效应, 采用LLP-Pekar变换变分法研究了色散和杂质对量子点量子比特性质的影响. 结果表明, 量子点量子比特中电子的概率密度随非对称高斯势阱宽的减小而呈现显著振荡, 并随介电常数比的增加而减小; 量子比特振动周期随高斯势阱深的增加或介电常数比的增加而减小; 退相干时间随介电常数比的增加或色散系数的增加而增大; 相位旋转品质因子随介电常数比的增加或色散系数的增加而增大.
综述
金属表面等离激元耦合理论研究进展
朱旭鹏, 张轼, 石惠民, 陈智全, 全军, 薛书文, 张军, 段辉高
2019, 68 (24): 247301. doi: 10.7498/aps.68.20191369
摘要 +
金属表面等离激元作为一种微纳米结构中自由电子在光场作用下的集体振荡效应, 由于其振荡电场被强烈地束缚在亚波长尺度范围内, 可以作为未来微纳米光子回路及器件的信息载体, 同时也可以在微纳米尺度上增强光与物质的相互作用. 本文首先系统地从理论上总结金属与入射电磁波相互作用时的光学行为及性质, 然后简述激发金属中不同等离激元模式的物理本质、金属表面等离激元振荡动力学过程及当前表面等离激元耦合理论的最新进展.
特邀综述

封面文章

基于聚焦离子束纳米剪纸/折纸形变的三维微纳制造技术及其光学应用
陈珊珊, 刘幸, 刘之光, 李家方
2019, 68 (24): 248101. doi: 10.7498/aps.68.20191494
摘要 +
高精度的三维微纳制造技术是现代光电子学和微纳光子学发展的重要基础之一, 是实现下一代微纳光子集成器件的重要前提. 纳米尺度的剪纸和折纸技术由于能够实现丰富的三维形变, 正发展成为一门新兴的研究领域. 本文系统地介绍了一种新型的片上三维微纳加工方法—基于聚焦离子束的纳米剪纸/折纸技术. 该技术利用聚焦离子束辐照具有不同拓扑形貌的自支撑膜片, 可实现优于50 nm精度、前所未见的三维形状变换, 包括片上、实时的多向折叠、弯曲、扭曲等形变. 提出了“树型”纳米剪纸和“闭环”纳米剪纸两种类型的加工方法, 并针对不同类型的工艺特性和优缺点进行分析对比. 利用全局扫描纳米剪纸技术制备的闭环纳米结构实现了独特的光学效应, 包括超光学手性、超构表面衍射、相位和偏振调控以及光子自旋霍尔效应等. 研究结果表明, 纳米剪纸/折纸形变技术在保持结构复杂性和功能性的同时, 可实现高精度、原位、片上、一步成型的三维微纳加工, 可望为三维微纳光子器件的设计、制备和应用提供一类新的设计方法和技术途径, 乃至为相关微纳光学、微电子、微机电系统、生物医学等领域的发展提供新颖的加工平台.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
W波段带状注扩展互作用速调管放大器的理论研究与数值模拟
曾造金, 马乔生, 胡林林, 蒋艺, 胡鹏, 雷文强, 马国武, 陈洪斌
2019, 68 (24): 248401. doi: 10.7498/aps.68.20190907
摘要 +
带状注扩展互作用速调管具有高峰值功率和高平均功率的特点, 是一种具有广泛应用前景的电真空器件. 基于电子流振荡理论, 在小信号条件下推导了纵向模式为2π模的三间隙谐振腔的电子负载电导和电子负载电纳的表达式, 分析了等离子体频率、间隙宽度和相邻间隙中心之间的距离等参数对电子负载电导和电子负载电纳的影响. 根据理论分析结果, 结合三维电磁仿真软件完成了一款工作于W波段的带状注扩展互作用速调管放大器的模拟设计. 电子注横截面尺寸为4 mm × 0.32 mm时, 在工作电压为19.5 kV, 电流为3.5 A, 输入功率为1 W, 轴向引导磁场为0.85 T的条件下, 频率94.47 GHz处得到输出功率为5773 W, 增益为37.6 dB, 电子效率为8.46%, 3 dB带宽约140 MHz.
基于凹槽结构抑制AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应
刘静, 王琳倩, 黄忠孝
2019, 68 (24): 248501. doi: 10.7498/aps.68.20191311
摘要 +
基于双脉冲技术, 研究了GaN缓冲层陷阱对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应的影响. 结果表明, 栅边缘漏侧的电场峰值使得沟道电子跃迁至缓冲层, 并被缓冲层中的陷阱俘获是造成电流崩塌的主要原因之一. 提出了势垒层局部凹槽结构, 降低了栅边缘漏侧的电场峰值, 使电场分布更加均匀, 改善了器件的电流崩塌效应. 与传统AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管结构相比, 新器件结构对电流崩塌效应的抑制作用至少提升了22.30%.