搜索

文章查询

x

Vol. 69, No. 5 (2020)

2020年03月05日
核物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 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 地球物理学、天文学和天体物理学
核物理学
超紧凑型飞秒电子衍射仪的设计
罗端, 惠丹丹, 温文龙, 李立立, 辛丽伟, 钟梓源, 吉超, 陈萍, 何凯, 王兴, 田进寿
2020, 69 (5): 052901. doi: 10.7498/aps.69.20191157
摘要 +
由于空间电荷效应的限制, 产生百飞秒的极短电子脉冲是超快电子衍射技术的一大难点. 同时, 电子的穿透深度随着电子能量的增加而增加, 而电子的散射几率却具有相反的规律. 因而, 除了时间分辨的提升, 还需要可宽范围调节的电子能量以优化不同厚度样品对其的需求. 基于此, 提出并设计了一种新型超紧凑电子枪, 结合均匀场阴极和可移动阳极的配置, 可在10—125 kV加速电压范围内实现100 fs量级时间分辨率. 通过优化设计高压电极轮廓, 使得其轴上和整个阴极面的场增强因子在不同阴阳极间距下均小于约4%, 从而保证了不同加速电压下最大轴上场强均可达10 MV/m量级, 有效地抑制了电子脉冲的展宽效应; 进一步将阳极小孔设计成可放置致密电镜载网的阶梯孔, 一方面可将载网支撑的样品紧贴小孔后方放置, 最大程度上缩短了电子从阴极到样品的时间弥散, 同时也可以有效地减弱阳极孔对电子束的散焦效应, 提升电子束的横向聚焦性能.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于人工表面等离激元的厚度渐变镀银条带探针实现太赫兹波的紧聚焦和场增强
王晓雷, 赵洁惠, 李淼, 姜光科, 胡晓雪, 张楠, 翟宏琛, 刘伟伟
2020, 69 (5): 054201. doi: 10.7498/aps.69.20191531
摘要 +
为提高太赫兹近场显微成像技术的分辨率, 设计了一款在Teflon探针的尖锥形表面镀上厚度渐变、具有相同占空比的超薄金属银制条带的探针, 用于实现探针尖端处人工表面等离激元的激发和太赫兹波的亚波长聚焦. 研究表明, 对于频率为0.1 THz的入射波, 厚度渐变镀银条带探针产生的紧聚焦光场的尺寸可稳定在20 μm左右(λ/150), 探针尖端处最大电场强度为入射电场强度的849倍. 研究还发现, 周期性金属条带的数目和入射电场的偏振方向可对探针尖端处产生的紧聚焦光斑的尺寸和电场强度等进行灵活有效的调控.
高功率垂直外腔面发射半导体激光器增益设计及制备
张继业, 张建伟, 曾玉刚, 张俊, 宁永强, 张星, 秦莉, 刘云, 王立军
2020, 69 (5): 054204. doi: 10.7498/aps.69.20191787
摘要 +
垂直外腔面发射半导体激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VECSEL)兼具高功率与良好的光束质量, 是半导体激光器领域的持续研究热点之一. 本文开展了光抽运VECSEL最核心的多量子阱增益区设计, 对量子阱增益光谱及其峰值增益与载流子浓度及温度等关系进行系统的理论优化, 并对5种不同势垒构型的量子阱增益特性进行对比, 证实采用双侧GaAsP应变补偿的发光区具有更理想的增益特性. 对MOCVD生长的VECSEL进行器件制备, 实现了VECSEL在抽运功率为35 W时输出功率达到9.82 W, 并且功率曲线仍然没有饱和; 通过变化外腔镜的反射率, VECSEL的激光波长随抽运功率的漂移系数由0.216 nm/W降低至0.16 nm/W, 证实外腔镜反射率会影响VECSEL增益芯片内部热效应, 从而影响VECSEL激光输出功率. 所制备VECSEL在两正交方向上的发散角分别为9.2°和9.0°, 激光光斑呈现良好的圆形对称性.
圆柱型光纤螺线圈轨道角动量模式
赵超樱, 范钰婷, 孟义朝, 郭奇志, 谭维翰
2020, 69 (5): 054207. doi: 10.7498/aps.69.20190997
摘要 +
$m\hbar $的光有一定的难度. 针对上述问题, 本文建立以波面不变, 光束主光线变化为基础的理论框架, 利用微分几何理论验证不沿z轴圆柱型光纤螺线圈传输的光线可以携带高$m\hbar $ OAM的理论设想. 研究发现: 利用流动坐标$(\alpha ,\beta ,\gamma )$计算光线在绕圆柱体的光纤中传输时光纤截面的衍射分布图呈现涡旋特征, 有高阶OAM模式. 当$\theta = {\theta _0}$时, 圆柱形轨道光纤过渡到直线轨道光纤. 计算光线沿直线传输时光纤截面的衍射分布图是Airy斑, 即圆孔衍射斑, 无高阶OAM模式.">传统的沿z轴光纤传输光线的轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)光束的制备方法共同之处都是从内部结构着想, 光束的主光线基本上不变, 只是波面在变. 但要获得携带高$m\hbar $的光有一定的难度. 针对上述问题, 本文建立以波面不变, 光束主光线变化为基础的理论框架, 利用微分几何理论验证不沿z轴圆柱型光纤螺线圈传输的光线可以携带高$m\hbar $ OAM的理论设想. 研究发现: 利用流动坐标$(\alpha ,\beta ,\gamma )$计算光线在绕圆柱体的光纤中传输时光纤截面的衍射分布图呈现涡旋特征, 有高阶OAM模式. 当$\theta = {\theta _0}$时, 圆柱形轨道光纤过渡到直线轨道光纤. 计算光线沿直线传输时光纤截面的衍射分布图是Airy斑, 即圆孔衍射斑, 无高阶OAM模式.
气体、等离子体和放电物理
东方超环上低杂波驱动等离子体环向旋转实验研究
杨进, 陈俊, 王福地, 李颖颖, 吕波, 向东, 尹相辉, 张洪明, 符佳, 刘海庆, 臧庆, 储宇奇, 刘建文, 王勋禺, 宾斌, 何梁, 万顺宽, 龚学余, 叶民友
2020, 69 (5): 055201. doi: 10.7498/aps.69.20191716
摘要 +
旋转和旋转剪切能抑制磁流体不稳定性和增强等离子体约束. 低杂波电流驱动作为未来聚变堆上可能的旋转驱动手段,探索低杂波在现有托卡马克装置上驱动等离子体旋转的驱动机制, 可以为未来的聚变堆上旋转预测提供重要参考. 在东方超环托卡马克装置上, 早期发现了2.45 GHz的低杂波能有效驱动等离子体旋转的现象, 认为是边界旋转的改变导致芯部旋转的同电流方向的增加造成的. 更高频率下4.6 GHz低杂波电流驱动可以更有效地驱动同电流方向的等离子体旋转. 本论文分析在欧姆背景等离子体下, 不同功率的低杂波对等离子体环向旋转的影响, 研究安全因子剖面变化对环向旋转的关系, 利用功率调制获得了低杂波驱动旋转实验中的环向动量输运系数变化情况, 发现环向动量扩散系数(χφ)、环向动量箍缩系数(Vpinch)的数值大小趋势是从芯部向靠外的区域逐渐变大. 这与低杂波驱动环向旋转时, 环向旋转速度由靠外的区域向芯部传递的特性吻合.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
14 nm FinFET和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比
张战刚, 雷志锋, 童腾, 李晓辉, 王松林, 梁天骄, 习凯, 彭超, 何玉娟, 黄云, 恩云飞
2020, 69 (5): 056101. doi: 10.7498/aps.69.20191209
摘要 +
使用中国散裂中子源提供的宽能谱中子束流, 开展14 nm FinFET工艺和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比研究, 发现相比于65 nm器件, 14 nm FinFET器件的大气中子单粒子翻转截面下降约40倍, 而多位翻转比例从2.2%增大至7.6%, 源于14 nm FinFET器件灵敏区尺寸(80 nm × 30 nm × 45 nm)、间距和临界电荷(0.05 fC)的减小. 不同于65 nm器件对热中子免疫的现象, 14 nm FinFET器件中M0附近10B元素的使用导致其表现出一定的热中子敏感性. 进一步的中子输运仿真结果表明, 高能中子在器件灵敏区中产生的大量的射程长、LET值大的高Z二次粒子是多位翻转的产生诱因, 而单粒子翻转主要来自于p, He, Si等轻离子的贡献.
石墨烯/柔性基底复合结构双向界面切应力传递问题的理论研究
白家豪, 郭建刚
2020, 69 (5): 056201. doi: 10.7498/aps.69.20191730
摘要 +
界面力学性能是影响石墨烯/柔性基底复合结构整体力学性能的关键因素, 因此对该结构界面切应力传递机理的研究十分必要. 考虑了石墨烯和基底泊松效应的影响, 本文提出了二维非线性剪滞模型. 对于基底泊松比相比石墨烯较大的情况, 利用该模型理论研究了受单轴拉伸石墨烯/柔性基底结构的双向界面切应力传递问题. 在弹性粘结阶段, 导出了石墨烯双向正应变和双向界面切应力的半解析表达式, 分析了不同位置处石墨烯正应变和界面切应力的分布规律. 导出了石墨烯/柔性基底结构发生界面滑移的临界应变, 结果表明该临界应变低于利用经典一维非线性剪滞模型得到的滑移临界应变, 并且明显受到石墨烯宽度尺寸以及基底泊松比大小的影响. 基于二维非线性剪滞模型建立有限元模型 (FEM), 研究了界面滑移阶段石墨烯双向正应变和双向界面切应力的分布规律. 与一维非线性剪滞模型的结果对比表明, 当石墨烯宽度较大时, 二维模型和一维模型对石墨烯正应变、界面切应力以及滑移临界应变的计算结果均存在较大差别, 但石墨烯宽度很小时, 二维模型可近似被一维模型代替. 最后, 通过与拉曼实验结果的对比, 验证了二维非线性剪滞模型的可靠性, 并得到了石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 基底结构的界面刚度 (100 TPa/m) 和界面剪切强度 (0.295 MPa).
H, F修饰单层GeTe的电子结构与光催化性质
方文玉, 张鹏程, 赵军, 康文斌
2020, 69 (5): 056301. doi: 10.7498/aps.69.20191391
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法, 计算了单层GeTe、表面氢化及氟化单层GeTe的晶体结构、稳定性、电子结构和光学性质. 计算结果表明, 经过修饰后, GeTe的晶格常数、键角、键长增大, 且均具有较好的稳定性. 电子结构分析表明, 单层GeTe为间接带隙半导体, 全氢化修饰、全氟化修饰以及氢氟共修饰(F, Ge同侧, H, Te同侧)则转变为直接带隙半导体, 且修饰后的能隙均不同程度减小. 载流子有效质量表明, 全氢化、全氟化以及氢氟共修饰GeTe(F, Ge同侧, H, Te同侧)的有效质量减小, 其载流子迁移率增强. 带边势分析结果显示, 单层GeTe能够光裂解水制氢和析氧, 而修饰后的GeTe的价带带边势明显下移, 其氧化性明显增强, 能够光裂解水析O2, H2O2, O3以及OH•等产物. 光学性质表明, 修饰后的GeTe对可见光区和红、紫外区的光谱吸收效果明显增强, 表明其在光催化领域有着广阔的应用前景.
考虑界面接触热阻的一维复合结构的热整流机理
赵建宁, 刘冬欢, 魏东, 尚新春
2020, 69 (5): 056501. doi: 10.7498/aps.69.20191409
摘要 +
建立了考虑变截面、变热导率及界面接触热阻效应的组合热整流结构的温度场及热整流系数的理论模型及有限元解. 数值算例证明了本文模型及算法的可靠性, 进而通过参数影响研究确定了若干几何及材料参数对结构热整流系数的影响规律, 揭示界面接触热阻对热整流效果的影响机理. 研究结果表明长度比、截面半径变化率、热导率、边界条件温差和界面接触热阻等因素必须通过优化设计才能得到最大的热整流系数, 同时界面接触热阻的引入也为调控热整流系数提供了一条新的途径.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
热光伏能量转换器件的热力学极限与优化性能预测
廖天军, 吕贻祥
2020, 69 (5): 057202. doi: 10.7498/aps.69.20191835
摘要 +
受不可逆损失的影响, 热光伏能量转换器件在高品位热能回收与利用方面受到限制. 本文揭示不可逆损失来源, 提供热光伏能量转换器件性能提升方案. 利用半导体物理和普朗克热辐射理论, 确定热光伏能量转换器件在理想条件下的最大效率. 进而考虑Auger与Shockley-Reed-Hall非辐射复合和不可逆传热损失对光伏电池的电学、光学和热学特性的影响, 预测热光伏器件优化性能. 确定功率密度、效率和光子截止能量的优化区间. 结果表明: 相比于理想热光伏器件, 非理想热光伏器件的开路电压、短路电流密度和效率有所降低; 优化热光伏电池电压、光子截止能量和热源温度, 可提升器件的功率密度和效率. 通过对比发现理论与实验结果较一致, 所得结果可为实际热光伏能量转换器件的研制提供理论指导.
HgCdTe薄膜的输运特性及其应力调控
张松然, 何代华, 涂华垚, 孙艳, 康亭亭, 戴宁, 褚君浩, 俞国林
2020, 69 (5): 057301. doi: 10.7498/aps.69.20191330
摘要 +
${n_{\rm{s}}} = 1.25 \times {10^{16}}{{\rm{m}}^{ - 2}}$. 在不同磁场下, 利用压电陶瓷对样品进行应力调控, 观测到具有不同特征的现象, 分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道. 零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变; 而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂.">窄禁带直接带隙半导体材料碲镉汞(Hg1−xCdxTe)是一种在红外探测与自旋轨道耦合效应基础研究方面都具有重要应用意义的材料. 本文对单晶生长的体材料Hg0.851Cd0.149Te进行阳极氧化以形成表面反型层, 将样品粘贴在压电陶瓷上减薄后进行磁输运测试, 在压电陶瓷未加电压时观察到了明显的SdH振荡效应. 对填充因子与磁场倒数进行线性拟合, 获得样品反型层二维电子气的载流子浓度为${n_{\rm{s}}} = 1.25 \times {10^{16}}{{\rm{m}}^{ - 2}}$. 在不同磁场下, 利用压电陶瓷对样品进行应力调控, 观测到具有不同特征的现象, 分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道. 零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变; 而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂.
气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响
刘家合, 鲁佳哲, 雷俊杰, 高勋, 林景全
2020, 69 (5): 057401. doi: 10.7498/aps.69.20191540
摘要 +
环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响. 基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究, 探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响. 实验结果表明, 在10—100 kPa空气压强条件下, 空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化, 且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别. 随着空气压强增大, 激光击穿作用区域的空气密度增加, 造成激光诱导击穿空气几率升高, 从而等离子体辐射光谱强度增大. 空气等离子体膨胀区域空气的约束作用, 增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率, 并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加, 因此造成原子谱线O Ι 777.2 nm与N Ι 821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大, 在80 kPa时谱线强度最高, 随后谱线强度缓慢降低. 而离子谱线N ΙΙ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值, 气体压强大于40 kPa后, 谱线强度随压强增加而逐渐降低. 空气等离子体电子密度均随压强升高而增大, 在80 kPa后增长速度变缓. 等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值, 气体压强大于30 kPa后, 等离子体电子温度逐渐降低. 研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础, 为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.
非对称条形纳磁体的铁磁共振频率和自旋波模式
陈亚博, 杨晓阔, 危波, 吴瞳, 刘嘉豪, 张明亮, 崔焕卿, 董丹娜, 蔡理
2020, 69 (5): 057501. doi: 10.7498/aps.69.20191622
摘要 +
通过建立微波激励下的非对称条形多铁纳磁体的微磁模型, 研究了倾斜角和缺陷角对该形纳磁体的铁磁共振谱和自旋波模式的影响. 通过对微磁仿真得到的动态磁化数据进行分析发现, 非对称条形纳磁体倾斜角度增加, 铁磁共振频率随之增加, 而这一现象与纳磁体的缺陷角度无关. 倾斜角不变, 非对称条形纳磁体的铁磁共振频率与缺陷角度呈单调递增关系, 并且不同缺陷角度纳磁体的自旋波模式显示出极大的差异. 非对称条形纳磁体与矩形纳磁体相比, 它的自旋波模式局部化, 具体为非对称条形纳磁体的自旋波模式不对称且高进动区域存在于边缘, 表现为非对称边缘模式. 倾斜角改变导致纳磁体内部退磁场变化, 引起纳磁体边缘模式的移动, 而中心模式对倾斜角的变化并不敏感. 最后, 对建立的模型在高频微波磁场激励下的磁损耗进行了分析, 验证了模型的可靠性. 这些结论说明缺陷角和倾斜角可用于纳磁体自旋波模式和铁磁共振频率的调谐, 所得结果为可调纳磁微波器件的设计提供了重要的理论依据和思路.
脉冲强磁场下的电极化测量系统
刘婉馨, 陈瑞, 刘永杰, 王俊峰, 韩小涛, 杨明
2020, 69 (5): 057502. doi: 10.7498/aps.69.20191520
摘要 +
多铁性材料是当前物质科学研究的热点, 具有重要的科学研究意义和应用前景. 低温和强磁场实验环境为研究多铁性材料提供了一种有效途径. 脉冲强磁场下的电极化测量系统能实现最高磁场强度60 T, 最低温度0.5 K的铁电特性测量. 该系统采用热释电方法, 具有磁场强度高、控温范围广、转角测量等特点, 可用于强磁场下的磁电特性研究. 本文介绍了该系统的测量装置和实验原理, 并展示了其在多铁性材料研究中的一系列应用, 揭示了脉冲强磁场电极化测量系统在磁电特性探索中的重要作用.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
基于银纳米线电极-rGO敏感材料的柔性NO2气体传感器
李闯, 李伟伟, 蔡理, 谢丹, 刘保军, 向兰, 杨晓阔, 董丹娜, 刘嘉豪, 陈亚博
2020, 69 (5): 058101. doi: 10.7498/aps.69.20191390
摘要 +
使用银纳米线作为材料制备柔性叉指电极, 用还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide, rGO)作为气体敏感材料制备出柔性气体传感器, 并研究其对二氧化氮气体的响应特性以及柔韧性能. 实验结果表明, 制备的以银纳米线作为电极的rGO气体传感器可以实现室温下对浓度为5—50 ppm(1 ppm = 10−6)的NO2气体的检测, 对50 ppm的NO2的响应能够达到1.19, 传感器的重复性较好, 恢复率能够保持在76%以上, 传感器的灵敏度是0.00281 ppm−1, 对浓度为5 ppm的NO2气体的响应时间是990 s, 恢复时间是1566 s. 此外, 传感器在0°—45°的弯曲角度下仍表现出优异的电学特性与气体传感性能, 所制备的器件具有相对稳定的导电性和较好的弯曲耐受性.
地球物理学、天文学和天体物理学
垂直磁重联平面的驱动流对磁岛链影响的模拟
王琳, 魏来, 王正汹
2020, 69 (5): 059401. doi: 10.7498/aps.69.20191612
摘要 +
近二十年来, 大量的磁岛链现象从空间、天体物理到磁约束实验室等离子体中被观察到, 并且有关磁岛链现象的许多物理特性可以直接被计算机模拟结果所证实. 磁岛链理论在磁重联理论中的重要进展为快速磁重联的发生机制提供了更加具有说服力的解释. 本文采用二维三分量的磁流体力学模型, 数值研究了不同宽度和不同强度的垂直平面驱动流对磁重联中磁岛链不稳定性的影响, 并分析了导向场和垂直平面的驱动流对磁岛链的共同作用. 研究结果表明: 垂直平面驱动流的宽度越宽或强度越强, 越容易产生磁岛链结构. 电流片中的小磁岛个数及重联率随着垂直平面驱动流宽度及强度的增加而增加. 另外, 导向场会改变重联平面内磁岛链的对称性. 相同导向场情况下, 驱动流强度越大, 小磁岛的增长速度越快.