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Vol. 68, No. 5 (2019)

2019年03月05日

  

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实验优化设计Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+的合成及长余辉特性
为了得到最长有效余辉时间的Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+荧光粉, 应用二次通用旋转组合设计对实验进行全程优化, 建立了稀土离子掺杂浓度Eu2+, Dy3+和有效余辉时间的二元二次回归方程模型, 应用遗传算法计算得到有效余辉时间的理论最大值. 采用高温固相法合成了最优掺杂浓度Sr2MgSi2O7:0.5 mol%Eu2+, 1.0 mol%Dy3+的荧光粉, 在370 nm激发下观察到了465 nm的特征发射, 这归因于Eu2+的4f65d1—4f7跃迁. 测量了最优荧光粉的热释发光特性, 计算得到了陷阱深度为0.688 eV, 讨论了长余辉发光的特性. 刘盛意, 张金苏, 孙佳石, 陈宝玖, 李香萍, 徐赛, 程丽红 物理学报.2019, 68(5): 053301.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 特邀综述
特邀综述
2019-05ML目录
2019, 68 (5): 1-5.
摘要 +
初态对线型分子体系量子速度极限度量的影响
冯海冉, 李鹏, 岳现房
2019, 68 (5): 050201. doi: 10.7498/aps.68.20181942
摘要 +
量子速度极限(QSL)的实用性研究关系到更高效量子技术的实现, 研究不同分子体系中QSL问题可为基于分子体系的量子信息技术提供理论支持. 采用代数方法讨论了不同的初始态对QSL度量方式的影响, 研究发现初始态和分子参数均会影响QSL的度量方式, 对分子体系无论Fock态还是相干态, 量子Fisher信息度量方式优于Wigner-Yanase信息度量方式. 广义几何QSL度量更适合描述强相干态下的分子动力学演化.
二维随机蜂巢网格熔断动力学过程和熔断面标度性质的数值模拟
李瑞涛, 唐刚, 夏辉, 寻之朋, 李嘉翔, 朱磊
2019, 68 (5): 050301. doi: 10.7498/aps.68.20181774
摘要 +
$\alpha = 0.911 \pm 0.005$${\alpha _{{\rm{loc}}}} = 0.808 \pm 0.003$, 这两者之间的明显差异表明熔断面具有奇异标度性. 通过对熔断面极值高度的分析发现, 熔断面高度的极值统计分布能很好地满足Asym2sig型分布, 而不是最常见的三种极值统计分布. 本文的研究表明, 随机电阻丝模型在模拟非均匀材料的电流熔断过程和熔断表面标度性的分析中同样适用和有效.">石墨烯等材料具有典型的二维蜂巢结构, 而随机电阻丝模型则是研究非均匀材料断裂十分有效的统计物理学模型. 本文尝试对二维蜂巢结构随机电阻丝网络熔断的动力学过程及熔断面性质进行数值模拟分析, 以此来研究二维非均质蜂窝材料熔断的动力学性质和熔断面的动力学标度性质. 模拟研究表明, 二维随机蜂窝网格的熔断动力学过程和熔断面具有明显的标度性质, 得到的熔断面整体和局域粗糙度指数分别为 $\alpha = 0.911 \pm 0.005$${\alpha _{{\rm{loc}}}} = 0.808 \pm 0.003$, 这两者之间的明显差异表明熔断面具有奇异标度性. 通过对熔断面极值高度的分析发现, 熔断面高度的极值统计分布能很好地满足Asym2sig型分布, 而不是最常见的三种极值统计分布. 本文的研究表明, 随机电阻丝模型在模拟非均匀材料的电流熔断过程和熔断表面标度性的分析中同样适用和有效.
非局域颗粒复合介质的相干完美吸收效应
陈志鹏, 於文静, 高雷
2019, 68 (5): 051101. doi: 10.7498/aps.68.20182108
摘要 +
研究了两束相干光以相同的入射角从左、右两侧分别入射到Au-SiO2复合介质板时, 在不同的体系参数下该复合材料体系发生相干完美吸收的情形. 运用有效媒质理论推导出了复合介质的有效介电常数以及有效磁导率; 在得到有效电磁参数的基础上进一步推导得到平面波入射复合介质板时的反/透射系数. 通过比较分析非局域和局域情况下颗粒复合介质的相干完美吸收现象, 发现当颗粒尺寸很小时非局域效应的影响会导致复合介质产生相干完美吸收的入射光的频率范围显著变宽. 在进一步的解析计算中, 通过调节复合介质板的厚度、入射光波长、金属颗粒体积分数等参数得到了不同情况下产生的相干完美吸收现象, 并由此分析非局域情形下对于相干完美吸收现象的调控.
中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估
王勋, 张凤祁, 陈伟, 郭晓强, 丁李利, 罗尹虹
2019, 68 (5): 052901. doi: 10.7498/aps.68.20181843
摘要 +
由于缺少可用的散裂中子源, 多年来我国在大气中子单粒子效应方面主要依靠模拟仿真和单能中子试验的方式开展研究. 随着中国散裂中子源(CSNS)通过国家验收, 基于CSNS开展大气中子单粒子效应研究成为可能. 本文利用CSNS反角白光中子源开展多款静态随机存取存储器器件的中子单粒子效应试验, 并与早期开展的高原大气试验结果进行对比, 对CSNS在大气中子单粒子效应研究中的应用进行评估. 结果表明, 相同器件在CSNS反角白光中子源测得的单粒子翻转截面小于大气试验的结果, 且不同器件的翻转截面与特征尺寸没有明显的单调关系. 分析得到前者由于CSNS反角白光中子谱偏软; 后者由于特征尺寸降低导致的临界电荷变小和灵敏体积变小对截面的贡献是竞争关系. 针对截面偏小的问题, 根据能谱差异分析了中子能量阈值对器件翻转截面的影响, 发现能量阈值取12 MeV进行计算时, 器件在CSNS反角白光中子源和高原大气中子环境中能够得到较一致的截面. 研究结果表明CSNS反角白光中子源能够用于加速大气中子单粒子效应试验. 考虑到CSNS的运行功率正在逐步提高, 且多条规划中的白光中子束线与大气中子能谱更为接近, 预期未来CSNS将能更好地应用于大气中子单粒子效应研究.
B2-和B19'-NiTi表面原子弛豫、表面能、电子结构及性能的理论研究
陈璐, 李烨飞, 郑巧玲, 刘庆坤, 高义民, 李博, 周长猛
2019, 68 (5): 053101. doi: 10.7498/aps.68.20181944
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理系统研究了B2-和B19'-NiTi合金所有低指数表面的表面能、表面结构稳定性、表面电子结构等性质. 计算结果表明两种NiTi合金所有低指数表面的原子弛豫主要集中在表面2—3个原子层, 且以Ti原子为终止原子表面构型的原子振荡最为剧烈, Ni和Ti原子共同终止表面构型的原子振荡最小; 价电荷密度沿着表面构型向真空层方向快速衰减; 表面能计算结果显示其与配位数成反相关. B2-和B19'-NiTi合金的非密排且非化学计量比表面的表面能取决于Ti的化学势, 表面能数值较高; 而密排面的表面构型符合化学计量比, 其表面能较低, 表现出卓越的化学稳定性; 其中以B2-NiTi(101)密排面的表面稳定性最优.
BeC分子基态和低激发态光谱性质和解析势能函数
张计才, 孙金锋, 施德恒, 朱遵略
2019, 68 (5): 053102. doi: 10.7498/aps.68.20181695
摘要 +
$ {{\rm{X}}^3} {{\text{Σ}} ^ - } $, ${\rm{A}}^3 {\text{Π}}$, $ {{\rm{b}}^1} {{\text{Δ}} } $, ${{\rm{c}}^1} {\text{Π}}$$ {{\rm{d}}^1}{{\text{Σ}} ^ + } $共5个电子态的势能曲线. 为了获得精确的光谱结果, 在计算中考虑了标量相对论效应修正, 并把相互作用能外推至完全基组极限. 在此基础上获得了这些态的光谱常数和偶极距, 以及一些允许跃迁的跃迁偶极距、弗兰克-康登因子和辐射寿命. 最后, 通过扩展的Rydberg函数拟合获得了基态势能曲线精确的解析表达式.">BeC是一个具有丰富低激发电子态的分子, 本文基于动态权重完全活性空间自冾场方法获得的参考波函数, 采用多参考组态相互作用方法对BeC分子进行高精度的从头计算, 获得了BeC分子$ {{\rm{X}}^3} {{\text{Σ}} ^ - } $, ${\rm{A}}^3 {\text{Π}}$, $ {{\rm{b}}^1} {{\text{Δ}} } $, ${{\rm{c}}^1} {\text{Π}}$$ {{\rm{d}}^1}{{\text{Σ}} ^ + } $共5个电子态的势能曲线. 为了获得精确的光谱结果, 在计算中考虑了标量相对论效应修正, 并把相互作用能外推至完全基组极限. 在此基础上获得了这些态的光谱常数和偶极距, 以及一些允许跃迁的跃迁偶极距、弗兰克-康登因子和辐射寿命. 最后, 通过扩展的Rydberg函数拟合获得了基态势能曲线精确的解析表达式.
三明治结构graphene-2Li-graphene的储氢性能
周晓锋, 方浩宇, 唐春梅
2019, 68 (5): 053601. doi: 10.7498/aps.68.20181497
摘要 +
本文使用密度泛函理论中的广义梯度近似对扩展三明治结构graphene-2Li-graphene的几何结构、电子性质和储氢性能进行计算研究. 计算得知: 位于单层石墨烯中六元环面心位上方的单个Li原子与基底之间的结合能最大(1.19 eV), 但小于固体Li的实验内聚能(1.63 eV), 然而, 在双层石墨烯之间的单个Li原子与基底的结合能增加到3.41 eV, 远大于固体Li的实验内聚能, 因此位于双层石墨烯之间的多个Li原子不会成簇, 有利于进一步储氢. 扩展三明治结构graphene-2Li-graphene中每个Li原子最多可以吸附3个H2分子, 储氢密度高达10.20 wt.%, 超过美国能源部制定的5.5 wt.%的目标. 该体系对1—3 个H2分子的平均吸附能分别为0.37, 0.17和0.12 eV, 介于物理吸附和化学吸附(0.1—0.8 eV)之间, 因此该体系可以实现常温常压下对H2的可逆吸附. 通过对态密度分析可知, 每个Li原子主要通过电场极化作用吸附多个H2分子. 动力学和巨配分函数计算表明graphene-2Li-graphene结构对H2分子具有良好的可逆吸附性能. 该研究可以为开发良好的储氢材料提供一个好的研究思路, 为实验工作提供理论依据.

编辑推荐

平板式螺旋相位板的设计与应用
吴文兵, 圣宗强, 吴宏伟
2019, 68 (5): 054102. doi: 10.7498/aps.68.20181677
摘要 +
传统的螺旋相位板是一种利用沿方位角方向介质材料高度递增实现对光束相位调控产生涡旋光束的光学器件, 由于这种特殊的几何结构特征使其不能通过相位板的叠加而调控出射光束所携带的角量子数. 本文基于坐标变换方法将介质材料沿方位角方向折射率不变而高度递增的传统螺旋相位板变换为一种介质材料沿方位角方向高度不变而折射率递增的平板式螺旋相位板. 通过理论分析与数值模拟, 发现本文所设计的平板式螺旋相位板不仅与传统螺旋相位板一样能够产生高质量的涡旋光束, 而且平板式螺旋相位板的高度和涡旋光束携带的角量子数可以根据介质材料的折射率选取而任意调节. 为了实际应用的需要, 可以通过叠加多层平板式螺旋相位板以获得不同角量子数的涡旋光束. 这种平板式螺旋相位板在光传输、光通信等领域具有广阔的潜在应用价值.
过模返波管的正反馈机制
李正红, 谢鸿全
2019, 68 (5): 054103. doi: 10.7498/aps.68.20181897
摘要 +
作为一个典型的高功率微波振荡器, 过模返波管(backward wave oscillator, BWO)的束波互作用过程复杂, 束流负载效应影响明显, 但是作为振荡器本身, 其本质就是一个正反馈电路, 电子从阴极发射后, 穿过谐振反射腔和慢波结构(slow-wave structure, SWS), 在SWS区电子动能转化为微波能, 其中的一部分微波反馈到谐振反射腔, 实现对电子束的调制, 其他微波通过后面输出端口向外辐射. 本文根据这种正反馈机制, 建立器件工作模式等效电路和束波互作用的自洽过程, 从理论上给出正反馈机制对器件模式控制、起振电流等参数的影响, 并模拟研究了这种反馈机制对模式控制的影响, 由此设计了一个能够在(1 MV, 20 kA)电子束条件下克服模式竞争的过模BWO, 其微波输出功率为7.9 GW, 频率为8.68 GHz, 相应的效率为39.5%.
100 MeV质子双环双散射体扩束方案设计
韩金华, 郭刚, 刘建成, 隋丽, 孔福全, 肖舒颜, 覃英参, 张艳文
2019, 68 (5): 054104. doi: 10.7498/aps.68.20181787
摘要 +
为满足质子单粒子效应实验对大面积、均匀化质子束流的需求, 针对中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器提供的100 MeV质子进行了双环双散射体扩束方案设计. Geant4模拟表明该方案可在2.4 m位置产生一个均匀性为 ±1.89%、半径为8 cm的照射野, 在5 m位置产生一个均匀性为 ±5.32%、半径为20 cm的照射野. 此外, 利用Geant4对双环双散射体扩束方法的基本原理进行了进一步探索, 并对第二散射体后加速器管道、初始束斑尺寸、照射野形成距离、改变入射质子能量等实际中各种可能因素对该方案扩束效果的影响进行了讨论.
原子辅助光力系统中快慢光的量子调控
谷开慧, 严冬, 张孟龙, 殷景志, 付长宝
2019, 68 (5): 054201. doi: 10.7498/aps.68.20181424
摘要 +
随着纳米科技以及半导体技术的迅猛发展, 光力诱导透明、快慢光和光存储以及其他在光力系统中发现的量子光学和非线性光学效应成为人们目前研究的热点. 本文将薄膜腔光力系统同被束缚在腔中的二能级冷原子系综相耦合, 通过直接在薄膜振子上引入弱辅助驱动场来研究该原子辅助光力系统中原子和相位对量子相干性质及其快慢光的调控. 经过分析发现, 通过改变辅助驱动场的强度可直接实现对光力诱导透明窗口深度的调控, 通过改变辅助场与探测场之间的相位差, 可实现输出的探测场在“吸收”、“透明”和“增益”之间相互转换, 进而对弱探测场进行动态调控实现光开关. 与此同时, 还发现系统的群延迟时间随相位差的改变呈周期性变化. 通过调节相位差及原子数, 不但可以改变群延迟时间, 还可实现快慢光之间的相互转换.
双波长二极管合束端面抽运掺镨氟化钇锂单纵模360 nm紫外激光器
窦微, 浦双双, 牛娜, 曲大鹏, 孟祥峻, 赵岭, 郑权
2019, 68 (5): 054202. doi: 10.7498/aps.68.20182018
摘要 +
报道了一种双波长半导体激光二极管(LD)合束端面抽运掺镨氟化钇锂晶体(Pr3+:LiYF4)全固态、单纵模360 nm紫外激光器. 该激光器采用V形折叠腔结构, 利用反射式体布拉格光栅作为波长选择反射镜来压缩光谱线宽, 与法布里-珀罗(F-P)标准具组合构成窄带滤波器进行单纵模的有效选取, 通过I 类位相匹配切割的倍频晶体三硼酸锂对腔内720 nm基频光进行倍频. 在444 nm LD输出功率为1200 mW和469 nm LD输出功率为1400 mW时, 合束抽运获得了功率为112 mW的连续单纵模360 nm紫外激光稳定输出, 光-光转换效率为4.3%. 测量结果表明, 边摸抑制比大于60 dB, 4 h功率均方根值稳定性优于0.5%, 1 h频率漂移小于220 MHz, 激光振幅噪声小于0.5%.
聚二甲基硅氧烷微流道中光流控荧光共振能量转移激光
李东阳, 张远宪, 欧永雄, 普小云
2019, 68 (5): 054203. doi: 10.7498/aps.68.20181696
摘要 +
${\text{μ}}{\rm J}$/mm2)的受体LDS821激光辐射.">将单一折射率的石英裸光纤植入由聚二甲基硅氧烷构成的基片微流道中, 以低折射率的罗丹明B (RhB)和吡啶821 (LDS821)乙醇溶液构成的供体和受体对作为激光增益介质. 采用沿光纤轴向消逝波抽运方式, 首先以波长为532 nm的连续波激光器作为激励光, 对荧光共振能量转移特性参数进行了研究. 然后以波长为532 nm的脉冲激光器作为抽运光, 通过直接激励供体分子RhB, 并将其能量转移给临近的受体分子LDS821, 在不改变抽运光波长的条件下, 实现了较低阈值(1.26 ${\text{μ}}{\rm J}$/mm2)的受体LDS821激光辐射.
基于少模长周期光纤叠栅的模式转换器
薛艳茹, 田朋飞, 金娃, 赵能, 靳云, 毕卫红
2019, 68 (5): 054204. doi: 10.7498/aps.68.20181674
摘要 +
${\varLambda _1}$${\varLambda _2}$的长周期光纤光栅构成叠栅的方法, 实现了纤芯基模LP01向高阶纤芯模LP11模式转换的宽带宽的新型的全光纤模式转换器. 利用有限元法和耦合模理论建立了模式转换器的理论分析模型. 数值仿真分析了叠栅中两个子光栅周期间隔、光栅长度、耦合系数等光栅参数对模式转换器的影响. 仿真分析和实验结果表明, 通过改变两个子光栅的周期间隔来改变两个损耗峰的位置, 形成一个损耗峰, 从而可以实现宽带宽的模式转换器, 其10 dB带宽约是单栅的2倍. 与传统的模式转换器相比, 该转换器带宽宽、转换效率高, 尺寸小、抗干扰能力强, 可以在模分复用系统和光通信中得到广泛的应用.">本文提出一种在同一段少模光纤上写入两个不同周期${\varLambda _1}$${\varLambda _2}$的长周期光纤光栅构成叠栅的方法, 实现了纤芯基模LP01向高阶纤芯模LP11模式转换的宽带宽的新型的全光纤模式转换器. 利用有限元法和耦合模理论建立了模式转换器的理论分析模型. 数值仿真分析了叠栅中两个子光栅周期间隔、光栅长度、耦合系数等光栅参数对模式转换器的影响. 仿真分析和实验结果表明, 通过改变两个子光栅的周期间隔来改变两个损耗峰的位置, 形成一个损耗峰, 从而可以实现宽带宽的模式转换器, 其10 dB带宽约是单栅的2倍. 与传统的模式转换器相比, 该转换器带宽宽、转换效率高, 尺寸小、抗干扰能力强, 可以在模分复用系统和光通信中得到广泛的应用.
光纤1/f 热噪声的实验研究
黄军超, 汪凌珂, 段怡菲, 黄亚峰, 刘亮, 李唐
2019, 68 (5): 054205. doi: 10.7498/aps.68.20181838
摘要 +
光纤热噪声是限制光纤传感、测量系统性能的最终因素. 但是低频区域呈1/f谱特性的光纤热噪声的形成机制迄今仍然存在争论. 实验研究了光纤1/f热噪声水平与光纤内杂质离子浓度和光纤施加张力的关系, 验证了这类热噪声来源于光纤内部的机械耗散引起的长度自发抖动, 符合热机械噪声的理论假设.
激光相干场成像散斑噪声复合去噪方法
程志远, 李治国, 折文集, 夏爱利
2019, 68 (5): 054206. doi: 10.7498/aps.68.20181578
摘要 +
噪声是影响激光相干场高分辨成像系统像质的重要因素, 激光相干场成像系统既受背景光加性噪声影响, 又受激光乘性散斑噪声影响. 为解决激光相干场成像系统受激光乘性散斑噪声和背景光加性噪声叠加引起的成像像质退化效应问题, 从噪声抑制角度提高激光相干场系统高分辨成像像质, 研究建立了激光散斑乘性噪声和背景光加性噪声对大气下行链路激光回波场信号影响干扰模型, 并基于该模型提出了一种基于同态滤波和稀疏基追踪级联复合去噪算法. 首先基于同态滤波理论将激光乘性散斑噪声转化为加性噪声, 再由高通滤波器滤除散斑噪声, 最后采用基追踪稀疏理论方法抑制背景光等加性噪声对像质的影响. 研究表明, 较现有单一去噪方法, 该级联复合去噪方法可一次性消除激光乘性散斑噪声和背景加性噪声两种不同性质的噪声, 有效改善了激光相干场成像质量.
纳米颗粒聚集形态对纳米流体导热系数的影响
张智奇, 钱胜, 王瑞金, 朱泽飞
2019, 68 (5): 054401. doi: 10.7498/aps.68.20181740
摘要 +
纳米流体中悬浮的纳米颗粒可以增强其导热性能已经得到广泛认可, 然而纳米流体颗粒增强传热的机理目前尚不清楚. 研究表明, 纳米颗粒的聚集是纳米流体导热系数增大的重要机制, 而且纳米颗粒聚集的形态对纳米流体的导热系数有重要影响, 但是目前的导热系数模型大多是建立在Maxwell有效介质理论的“静态”和“均匀分散”假设基础上. 本文用平衡分子动力学模拟Cu-Ar纳米流体, 采用Green-Kubo公式计算导热系数, 采用Schmidt-Ott关系式计算不同聚集形态下的分形维数. 对比导热系数与分形维数可以发现: 在相同体积分数下, 较低的分形维数会有更高的导热系数, 分析了分形维数与导热系数的定量关系. 此外, 通过径向分布函数可以看出纳米颗粒紧密聚集与松散聚集的差异, 基液分子在纳米颗粒附近的纳米薄层中处于动态平衡状态. 研究结果有助于理解纳米颗粒聚集形态对导热系数的影响机理.
Y型微通道内双重乳液流动破裂机理
俞炜, 邓梓龙, 吴苏晨, 于程, 王超
2019, 68 (5): 054701. doi: 10.7498/aps.68.20181877
摘要 +
${l^*} = \beta C{a^b}$进行预测, 隧道破裂和阻塞破裂工况临界线可以采用线性关系${l^*} = \alpha $描述; 与单乳液运动相图相比, 双重乳液运动相图各工况的分界线关系式系数$\alpha $$\beta $均相应增大.">基于体积分数法建立了Y型微通道中双重乳液流动非稳态理论模型, 数值模拟研究了Y型微通道内双重乳液破裂情况, 详细分析了双重乳液流经Y型微通道时的流场信息以及双重乳液形变参数演化特性, 定量地给出了双重乳液流动破裂的驱动以及阻碍作用, 揭示了双重乳液破裂流型的内在机理. 研究结果表明: 流经Y型微通道时, 双重乳液受上游压力驱动产生形变, 形变过程中乳液两端界面张力差阻碍双重乳液形变破裂, 两者正相关; 隧道的出现将减缓双重乳液外液滴颈部收缩速率以及沿流向拉伸的速率, 并减缓了内液滴沿流向拉伸的速率, 其对于内液滴颈部收缩速率影响不大; 隧道破裂和不破裂工况临界线可以采用幂律关系式${l^*} = \beta C{a^b}$进行预测, 隧道破裂和阻塞破裂工况临界线可以采用线性关系${l^*} = \alpha $描述; 与单乳液运动相图相比, 双重乳液运动相图各工况的分界线关系式系数$\alpha $$\beta $均相应增大.
层状氧化钼的电子结构、磁和光学性质第一原理研究
李琳, 孙宇璇, 孙伟峰
2019, 68 (5): 057101. doi: 10.7498/aps.68.20181962
摘要 +
按照基于自旋密度泛函理论的赝势平面波第一原理计算方法, 理论研究了两种层堆叠结构氧化钼(正交和单斜MoO3)的电子结构、磁性和光学特性, 探讨其作为电致变色材料或电磁材料在光电子器件中的技术应用. 采用先进的半局域GGA-PW91和非局域HSE06交换相关泛函精确计算晶体结构和带隙宽度. 计算得出较低密排面解离能, 表明两种层状氧化钼的单片层很容易从体材料上剥落. 能带结构和投影态密度分析表明: 导带底和价带顶电子态主要来自于层平面方向成键的原子轨道, 呈现典型的二维电子结构特征. 无缺陷的MoO3块体材料具有明显的磁矩, O空位会导致磁矩增加; 由Mo原子和顶点氧原子产生的亚铁磁耦合磁矩是MoO3层状材料磁性的主要来源; 层状氧化钼在可见光区具有明显的光吸收响应, 光吸收谱表现出显著的各向异性并在带电时发生明显的蓝移或形成新的低频可见光吸收峰. 计算结果证明层状氧化钼具有明显的电致变色和磁控性能, 为设计高性能电磁或光电子功能材料提供了理论依据和技术数据.
氮化硼纳米带功能化碳纳米管的热自旋输运性质
肖佳勇, 谭兴毅, 杨贝贝, 任达华, 左安友, 傅华华
2019, 68 (5): 057301. doi: 10.7498/aps.68.20181968
摘要 +
热自旋电子学器件结合了自旋电子学和热电子学各自的优点, 对人类可持续发展具有重要作用. 本文研究了锯齿形BN纳米带(ZBNRs)共价功能化碳纳米管(SWCNT)的电子结构, 发现ZBNRs-B-(6, 6)SWCNT为磁性半金属, nZBNRs-B-(6, 6)SWCNT (n = 2—8)为磁性金属; nZBNRs-N-(6, 6)SWCNT (n = 1—8)为双极化铁磁半导体; 4ZBNRs-B-(4, 4)SWCNT和4ZBNRs-N-(4, 4)SWCNT为磁性半金属, 4ZBNRs-B-(m, m)SWCNT (m = 5—9)为磁性金属; 4ZBNRs-N-(m, m)SWCNT (m = 5—9)为双极化铁磁半导体. 然后, 基于锯齿形BN纳米带共价功能化碳纳米管设计了新型热自旋电子学器件, 发现基于ZBNRs-N-(6, 6)SWCNT的器件具有热自旋过滤效应; 而8ZBNRs-N-(6, 6)SWCNT和nZBNRs-B-(6, 6)SWCNT (n = 1, 8)都存在自旋相关塞贝克效应. 这些发现表明BN纳米带功能化碳纳米管在热自旋电子学器件方面具有潜在的应用.
InGaZnO薄膜晶体管泄漏电流模型
邓小庆, 邓联文, 何伊妮, 廖聪维, 黄生祥, 罗衡
2019, 68 (5): 057302. doi: 10.7498/aps.68.20182088
摘要 +
研究了非晶氧化锌镓铟薄膜晶体管(amorphous InGaZnO thin-film transistor, InGaZnO TFT)的泄漏电流模型. 基于Poole-Frenkel热发射效应和热离子场致发射效应的泄漏电流产生机制, 分别得到了高电场和低电场条件下的载流子产生-复合率. 在此基础上推导得到了InGaZnO TFT的分段式泄漏电流-电压数学模型, 并利用平滑函数得到了关断区和亚阈区连续统一的泄漏电流模型. 所提出的泄漏电流模型的计算值和TCAD模拟值与实验结果较为吻合. 利用所提出的InGaZnO TFT泄漏电流模型和TCAD模拟, 讨论了InGaZnO TFT不同的沟道宽度、沟道长度和栅介质层厚度对泄漏电流值的影响. 研究结果对InGaZnO TFT集成传感电路的设计具有一定参考价值.
多孔钛酸钡陶瓷制备及其增强的压电灵敏性
景奇, 李晓娟
2019, 68 (5): 057701. doi: 10.7498/aps.68.20181790
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${\text{μ}}{\rm m}$. 烧结温度强烈影响BaTiO3陶瓷的孔隙率, 加入10%低沸点的糊精时, 1250 ℃和1280 ℃烧结均获得孔隙率高达58%的多孔BaTiO3陶瓷; 然而1300 ℃烧结, 陶瓷孔隙率急速下降到13%. 1250 ℃烧结10%糊精含量的陶瓷表现出高的静水压优值(约8376 × 10–15 Pa–1)和低的声阻抗(约2.84 MRrayls (1 Rayl = 10 Pa·s/m)). 与1250 ℃相比, 1280 ℃烧结的陶瓷晶粒之间的结合力明显增强, 有利于提高陶瓷的力学强度. 这些优异的性能预示着多孔钛酸钡陶瓷在传感器和水听器领域有着潜在的应用前景.">在压电陶瓷中增加孔洞数量, 可以有效改善陶瓷的静水压优值, 提高其压电灵敏性. 考虑到铅基压电陶瓷对环境和人体的危害, 本文以糊精为造孔剂, 采用传统固相烧结法制备无铅钛酸钡(BaTiO3)多孔压电陶瓷. 研究烧结温度(1250, 1280, 1300 ℃)和糊精含量(5%, 10%, 15%)对BaTiO3陶瓷晶体结构、孔隙率以及孔形貌特征的影响, 探索孔隙率与BaTiO3陶瓷介电、压电、声阻抗以及静水压优值等性能之间的相关性. 结果表明: 所有多孔陶瓷表现出三维贯通的开气孔, 尺寸约为1—7 ${\text{μ}}{\rm m}$. 烧结温度强烈影响BaTiO3陶瓷的孔隙率, 加入10%低沸点的糊精时, 1250 ℃和1280 ℃烧结均获得孔隙率高达58%的多孔BaTiO3陶瓷; 然而1300 ℃烧结, 陶瓷孔隙率急速下降到13%. 1250 ℃烧结10%糊精含量的陶瓷表现出高的静水压优值(约8376 × 10–15 Pa–1)和低的声阻抗(约2.84 MRrayls (1 Rayl = 10 Pa·s/m)). 与1250 ℃相比, 1280 ℃烧结的陶瓷晶粒之间的结合力明显增强, 有利于提高陶瓷的力学强度. 这些优异的性能预示着多孔钛酸钡陶瓷在传感器和水听器领域有着潜在的应用前景.
基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀金属模型
谭胜, 吴建军, 黄强, 张宇, 杜忻洳
2019, 68 (5): 057901. doi: 10.7498/aps.68.20182099
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为了分析飞秒激光烧蚀过程, 在双相延迟模型的基础上建立了双曲型热传导模型. 模型中考虑了靶材的加热、蒸发和相爆炸, 还考虑了等离子体羽流的形成和膨胀及其与入射激光的相互作用, 以及光学和热物性参数随温度的变化. 研究结果表明: 等离子体屏蔽对飞秒激光烧蚀过程有重要的影响, 特别是在激光能量密度较高时; 两个延迟时间的比值对飞秒激光烧蚀过程中靶材的温度特性和烧蚀深度有较大的影响; 飞秒激光烧蚀机制主要以相爆炸为主. 飞秒激光烧蚀的热影响区域较小, 而且热影响区域的大小受激光能量密度的影响较小. 计算结果与文献中实验结果的对比表明基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀模型能有效对飞秒激光烧蚀过程进行模拟.
涂覆石墨烯的椭圆形电介质纳米线光波导的模式特性分析
程鑫, 薛文瑞, 卫壮志, 董慧莹, 李昌勇
2019, 68 (5): 058101. doi: 10.7498/aps.68.20182090
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${\text{μ}}{\rm{m}}$增加到8.8 ${\text{μ}}{\rm{m}}$, 这5个模式的有效折射率的实部减小, 基模和一阶模的传播长度增大, 二阶模的传播长度先增大后减小. 当改变纳米线结构参数半长轴和半短轴时, 对基模和一阶模的模式特性影响较小, 对二阶模的模式特性影响较大. 当石墨烯的费米能从0.45 eV增加到0.72 eV时, 有效折射率的实部减小, 传播长度可以达到2 ${\text{μ}}{\rm{m}}$左右. 分离变量法得到的结果与有限元方法得到的结果完全一致. 本文工作可以为基于涂覆石墨烯的电介质纳米线的光波导的设计、制作和应用提供理论基础.">设计了一种涂覆石墨烯的椭圆形电介质纳米线光波导. 采用分离变量法, 在椭圆柱坐标系中, 借助Mathieu函数, 得到了色散方程. 通过数值求解色散方程, 可以得到模式的有效折射率和场分布, 从而得到模式的传播长度. 研究了工作波长、结构参数以及石墨烯的费米能对模式特性的影响, 并给出了前五个模式的品质因数. 计算表明, 当波长从4.3 ${\text{μ}}{\rm{m}}$增加到8.8 ${\text{μ}}{\rm{m}}$, 这5个模式的有效折射率的实部减小, 基模和一阶模的传播长度增大, 二阶模的传播长度先增大后减小. 当改变纳米线结构参数半长轴和半短轴时, 对基模和一阶模的模式特性影响较小, 对二阶模的模式特性影响较大. 当石墨烯的费米能从0.45 eV增加到0.72 eV时, 有效折射率的实部减小, 传播长度可以达到2 ${\text{μ}}{\rm{m}}$左右. 分离变量法得到的结果与有限元方法得到的结果完全一致. 本文工作可以为基于涂覆石墨烯的电介质纳米线的光波导的设计、制作和应用提供理论基础.
空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理
刘婧, 张海波
2019, 68 (5): 059401. doi: 10.7498/aps.68.20181925
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空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理是研究和防护航天器聚合物充放电特性的基础. 采用蒙特卡罗方法模拟空间电子的散射过程, 快二次电子模型模拟二次电子的产生, 有限差分法求解电荷连续性方程、电流密度方程和泊松方程的电荷输运过程, 俘获过程基于Poole-Frenkel效应来实现. 基于电子散射/输运同步模型基础, 结合法国国家航空航天科研局(ONERA)的地球同步轨道电子能谱分布理论公式和欧空局(SIRENE)机构的地面实验方法, 建立了基于地球同步轨道电子能谱分布的空间多能电子的散射模型. 通过空间电子辐照聚合物充电过程的数值模拟,获得了空间电荷密度、电位、电场和空间电位分布. 阐明了空间电子辐照聚合物的充电特性和样品微观参数与表面电位的关联性. 表面电位特性与实验结果相吻合, 单能电子的电位强度高于多能电子的电位. 充电达到稳态时, 电子迁移率较小时(小于10–11 cm2·V–1·s–1), 空间电位绝对值随电子迁移率的降低明显加强; 复合率较大时(大于10–14 cm3·s–1), 空间电位绝对值随复合率的增大而增大. 研究结果对于揭示空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理、提高航天器充放电故障机理研究水平 具有重要科学意义和价值.
基于地基观测的时序卫星红外光谱建模与分析
谷牧, 任栖锋, 周金梅, 廖胜
2019, 68 (5): 059501. doi: 10.7498/aps.68.20181933
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${\text{μ}}{\rm m}$红外光谱辐照度; 分析了影响卫星红外光谱变化的主要因素. 最后, 利用普朗克函数拟合卫星红外光谱, 提取出特征与卫星的物性比较, 并对其进行分析. 结果表明: 在各种影响因素中, 由卫星运动引起的对探测器可见情况的改变是影响卫星红外光谱数据的主要因素. 等效温度和等效面积物理含义能被有效地解释, 等效温度接近于太阳帆板的温度, 温差仅在15 K左右, 等效面积能表征卫星投影面积的变化; 发现利用帆板和本体有较大的温差, 能实现帆板和本体的分离, 并实现新特征的提取.">针对地基观测的卫星红外光谱受复杂因素的影响和外场试验对测量卫星物性信息的缺乏, 无法解释卫星红外光谱反演出特征的有效性和具体物理意义的问题, 提出了一种基于地基观测的卫星热红外光谱的建模和分析的方法. 首先, 考虑了太阳辐射、地球辐射、卫星各面对探测器的可见情况、地基探测器可探测卫星的范围、大气衰减等因素的影响, 更加准确地建立卫星热红外光谱模型. 然后, 以风云三号卫星为例, 利用该模型计算了在观测时序上卫星在地基探测器入瞳上的3—14 ${\text{μ}}{\rm m}$红外光谱辐照度; 分析了影响卫星红外光谱变化的主要因素. 最后, 利用普朗克函数拟合卫星红外光谱, 提取出特征与卫星的物性比较, 并对其进行分析. 结果表明: 在各种影响因素中, 由卫星运动引起的对探测器可见情况的改变是影响卫星红外光谱数据的主要因素. 等效温度和等效面积物理含义能被有效地解释, 等效温度接近于太阳帆板的温度, 温差仅在15 K左右, 等效面积能表征卫星投影面积的变化; 发现利用帆板和本体有较大的温差, 能实现帆板和本体的分离, 并实现新特征的提取.

封面文章

实验优化设计Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+的合成及长余辉特性
刘盛意, 张金苏, 孙佳石, 陈宝玖, 李香萍, 徐赛, 程丽红
2019, 68 (5): 053301. doi: 10.7498/aps.68.20182015
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为了得到最长有效余辉时间的Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+荧光粉, 应用二次通用旋转组合设计对实验进行全程优化, 建立了稀土离子掺杂浓度Eu2+, Dy3+和有效余辉时间的二元二次回归方程模型, 应用遗传算法计算得到有效余辉时间的理论最大值. 采用高温固相法合成了最优掺杂浓度Sr2MgSi2O7:0.5 mol%Eu2+, 1.0 mol%Dy3+的荧光粉, 在370 nm激发下观察到了465 nm的特征发射, 这归因于Eu2+的4f65d1—4f7跃迁. 测量了最优荧光粉的热释发光特性, 计算得到了陷阱深度为0.688 eV, 讨论了长余辉发光的特性.

编辑推荐

基于随机场照射的最优微波成像
周天益
2019, 68 (5): 055201. doi: 10.7498/aps.68.20182122
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近年来, 电磁计算成像的理论和技术得到了广泛的研究和发展, 其中基于随机场照射的微波成像引起了诸多关注. 与传统成像方法的连续波照射不同, 基于随机场照射的成像方法以随机照射的方式获取多组非相关的目标散射测量值, 经过反演计算就能提取散射目标体的轮廓和形状等信息. 基于阵列天线理论, 本文理论分析并实验验证了一种最优的二维微波成像系统, 能够使用最少的天线单元实现随机照射, 通过最少的测量次数完成矩阵求逆并得到重建图像. 该系统主要有以下两个创新点: 完全随机照射的获取和成像系统最优参数的选取. 与基于超材料的成像系统相比, 本文通过对1 bit相位调制器随机相位调制的方式获取随机场照射, 使得每个天线单元都处于工作状态, 因此整个系统的能量效率更高. 此外, 所述单频成像系统还具有频谱效率高、结构简单、成本低等优点, 在安检、室内定位等不同场景中具有潜在的应用价值.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
一款基于多物理场调控的超宽带线-圆极化转换器
曾立, 刘国标, 章海锋, 黄通
2019, 68 (5): 054101. doi: 10.7498/aps.68.20181615
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为了在微波波段实现可调谐的线-圆极化转换器的设计, 结合固态等离子体与二氧化钒设计了一种基于多物理场调控的超宽带线-圆极化转换器, 通过改变固态等离子体谐振单元激励状态和人为改变外部温度(T )来实现对该线-圆极化转换器工作频段的调控. 采用了全波仿真的方法对该极化转换器的极化转换率曲线、反射相位曲线、轴比曲线、表面电流图进行了计算, 并讨论了参数r1r3对轴比的影响. 仿真结果表明, 当固态等离子体区域均未激励且T < 68 ℃时, 3 dB轴比频带为14.3—29.7 GHz, 相对带宽为70%; 当固态等离子体区域均被激励且T < 68 ℃时, 3 dB轴比频带为14.4—23.4 GHz与28.6—35.9 GHz, 相对带宽分别为47.61%和22.64%; 当固态等离子体区域未激励且T ≥ 68 ℃时, 3 dB轴比频带为8.4—11.2 GHz与18.7—29.5 GHz, 相对带宽分别为28.57%与44.81%. 通过改变固态等离子体的激励状态和外部温度, 实现了该超宽带线-圆极化转换器工作带宽向高频和低频区域的移动.
特邀综述
复杂声学环境中人耳附近空间有源降噪研究综述
邹海山, 邱小军
2019, 68 (5): 054301. doi: 10.7498/aps.68.20182123
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复杂声学环境中人耳附近空间降噪是有源噪声控制研究的重要课题, 目前采用的主要方法为有源降噪头靠(AHR)和虚拟声屏障(VSB). 本文简述AHR与VSB的发展历史和研究现状, 介绍其物理原理和设计方法, 评述其在实际应用中的优缺点, 讨论了目前存在的问题与未来相关的研究方向. 已有理论、数值仿真和实验研究验证了相关技术在人耳附近空间产生静区的可行性. AHR系统需要较少控制源, 系统相对简单易实现, 但静区范围较小, 结合虚拟传声器技术和人头跟踪技术后可实现随人头移动的静区, 降噪频率可达中高频; VSB产生的静区范围较大, 但控制源个数较多, 系统复杂和成本高, 可通过代价函数和控制源优化, 以及主被动混合控制技术来提高有效降噪频率范围和减少控制源个数.