特邀综述
特邀综述
2021, 70 (11): 118101.
doi: 10.7498/aps.70.20210476
摘要 +
自从魔角石墨烯在实验上被证实以来, 转角摩尔超晶格体系中存在的关联绝缘态和超导态吸引了大批科学家的目光, 并发展出了一门新的科学分支—转角电子学. 本文主要综述了最近转角摩尔超晶格体系在实验上的发展, 包括转角双层石墨烯(TBG)、转角双层-双层石墨烯(TDBG)以及其他二维摩尔超晶格体系, 并简单介绍了摩尔超晶格量子模拟器的概念. 其中实验里浮现的关联绝缘态、超导态、以及铁磁态几乎囊括了近代凝聚态物理的几大热门话题, 同时, 逐步发展的二维摩尔超晶格量子模拟器研究也似乎有可能为强关联量子多体体系寻找一个突破口.
综述
2021, 70 (11): 118402.
doi: 10.7498/aps.70.20201678
摘要 +
锡铅钙钛矿太阳电池已被证明可以用于全钙钛矿叠层太阳电池中, 作为窄带隙底电池进一步提高器件光电转换效率. 目前, P-I-N型锡铅钙钛矿太阳电池的最高效率为21.7%, 明显低于铅基钙钛矿太阳电池. 本文分析了限制其性能提高的主要因素, 并针对性地总结了近几年研究工作者们提出的有效解决策略, 主要包括: 1)通过添加富锡化合物、强还原剂或含大的有机阳离子的化合物以抑制Sn2+氧化, 减少锡铅钙钛矿材料p型掺杂程度, 降低电池开路电压损耗; 2)通过调控组分、改变钙钛矿薄膜制备方法、溶剂工程或添加含功能性基团的化合物以延缓锡铅钙钛矿薄膜结晶生长速率, 提高薄膜质量; 3)通过选用合适的电子传输层或空穴传输层, 减少能级失配对载流子传输的影响或避免载流子传输层的本身不稳定性对器件的影响. 最后, 本文展望了锡铅钙钛矿太阳电池的未来发展, 认为其不仅有望实现高效稳定的单结太阳电池, 而且还可以应用于高效全钙钛矿叠层太阳电池.
2021, 70 (11): 118801.
doi: 10.7498/aps.70.20201896
摘要 +
近年来有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells, PSCs)因具有光电转换效率高、制备工艺简单等优点而受到广泛关注. 空穴传输层(hole transport layer, HTL)的选择及其优化对器件的性能至关重要. 氧化镍(NiOx) HTL具有化学稳定性好、空穴迁移率高、制备方法简单等特点, 在PSCs中得到了广泛应用. 本综述从NiOx HTL在平面PSCs中的应用入手, 系统介绍了通过掺杂和表面修饰法实现对NiOx HTL薄膜的结构和光电性能的改性, 并从能级匹配、空穴迁移率及结晶性等多个角度详细评述了NiOx改性对PSCs光电转换效率、填充因子、开路电压、短路电流和稳定性的影响规律, 最后对于NiOx平面PSCs的未来进行了展望.
总论
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2021, 70 (11): 110301.
doi: 10.7498/aps.70.20210269
摘要 +
量子密度矩阵描述了量子态的性质, 因此如何有效地测量密度矩阵是量子力学的核心课题之一. 最近, 几个研究组发展了一种基于弱值的直接测量密度矩阵的方法. 相较于常用的量子态层析技术, 这种方法能够更直接和更简便地重构密度矩阵. 然而这种方法需要耦合额外的测量指针, 从而也增加了测量的复杂度和测量系统的设计困难. 本文先回顾并讨论了量子态直接测量的相关研究, 然后基于δ-淬火直接测量波函数的方法提出了一种新的直接测量密度矩阵的方法. 这种方法无需耦合外部测量指针, 因此可以降低测量的复杂度和测量系统的设计困难, 更进一步地简化了直接测量密度矩阵的实验过程. 基于此方法, 提出了更高信号强度以及更少操作次数等两种无指针直接测量方案, 并对比分析了它们在不同的测量条件下的优缺点. 最后, 具体设计了测量光子密度矩阵的实验.
2021, 70 (11): 110302.
doi: 10.7498/aps.70.20202073
摘要 +
在实际的连续变量量子密钥分发系统中, 接收端模数转换器的有限采样带宽会导致脉冲峰值采样结果不准确, 从而使参数估计过程产生误差, 给窃听者留下了安全性漏洞. 针对这个问题, 本文提出一种基于峰值补偿的连续变量量子密钥分发方案, 利用高斯脉冲的基本特性来估计每个脉冲的最大采样值与脉冲峰值之间的偏差, 从而对该采样值进行峰值补偿, 使系统得到正确的采样结果. 本文详细分析了有限采样带宽对系统安全性的影响, 阐述了峰值补偿的具体步骤, 并讨论了峰值补偿前后系统估计的过噪声差别, 及其在高斯集体攻击下的安全性. 仿真实验结果表明, 该方案能准确找到每个脉冲的峰值, 纠正系统的参数估计误差. 与不采用峰值补偿的方案相比, 本方案消除了系统重复频率对密钥比特率的限制, 具有更长的安全传输距离和更高的密钥比特率.
2021, 70 (11): 110501.
doi: 10.7498/aps.70.20202019
摘要 +
弛豫铁电体材料在通讯、传感、超声、能量转换、航空航天等领域具有重要的应用. 与正常铁电体不同, 弛豫铁电体在冷却过程中出现弥散相变, 体系的宏观极化不会突然产生, 而是出现纳米极性微区, 体系的宏观晶体对称性没有明显的变化. 如何理解弥散相变及其与内部机制之间的相互影响是一个重要的问题. 本研究基于伊辛模型(Ising model), 对自旋变量(在研究中视为电偶极子)引入能量势阱的作用, 并计算了这一系统的相变过程. 结果表明这一改进的伊辛模型使极化率的相变曲线显著变缓, 呈现出具有弥散相变的弛豫体特性. 研究显示, 弛豫体现象出现的一个重要原因是系统内部偶极子受到势阱限制而出现反转受阻, 从而使极化率偏离常规铁电体. 利用这一改进的伊辛模型进一步研究了弛豫铁电体的热滞效应, 分析了热滞的起源, 并与实验结果进行了对比分析, 明确了弛豫体弥散相变和热滞的物理机制.
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2021, 70 (11): 115202.
doi: 10.7498/aps.70.20201946
摘要 +
在实验室和天体等离子体研究中, 原子/离子的激发、退激发以及电离、复合过程对等离子体的电离和能量平衡有着重要的影响. 在激光等离子体作用的辐射流体模拟中, 需要在线计算等离子体的平均离化度和吸收/发射系数. 在现有的计算能力下, 通常采用比较简单的平均原子(average atom, AA)模型进行在线计算. 随着实验技术和计算能力的发展, 急需发展能够在线计算的细致非平衡原子模型. 本文报道了最新发展的多离化度平均离子碰撞辐射模型(multi-average ion collisional-radiative model, MAICRM). 该模型用一个平均离子模拟等离子体中某一离化度所有离子的平均轨道占据数和布居, 即每个平均离子的轨道占据数为该离化度所有离子的轨道占据数的平均; 平均离子的布居等于该离化度离子的布居和. 平均离子的轨道占据数和布居通过迭代求解速率方法得到. 用该模型计算了Fe, Xe和Au非平衡等离子体的离化度分布, 计算结果与细致组态和超组态模型以及实验测量符合, 而计算量相对于细致组态/超组态大大降低. 预期该方法能与辐射流体程序耦合, 实现细致非平衡原子模型的在线计算.
核物理学
2021, 70 (11): 112901.
doi: 10.7498/aps.70.20201954
摘要 +
本工作探索了基于Triple GEM探测器对快中子能谱的测量, 利用MCNPX和Geant4软件分别模拟了两种在Triple GEM阴极耦合由多层聚乙烯组成的堆栈式中子转化质子的转化模型, 研究对象包含了5种单能中子源和Am-Be连续谱中子源. 模拟得到了探测系统对160条单能中子的响应函数和上述源的反冲质子谱分布, 使用GRAVEL和MLEM算法对模拟得到的6种快中子源的反冲质子谱进行了解谱研究, 并把解谱结果与标准输入谱进行了对比, 结果显示与标准输入谱均符合较好, 解谱的相对不确定度为10%—15%; 并研究了气体探测器能量分辨率对解谱精度影响的关系, 结果表明微结构气体探测器的能量分辨率好于30%时, 快中子的解谱精度就可以满足实际应用需求. 本研究在以前的实验基础上提出了一种新的转化结构, 并通过模拟结果得出微结构气体探测器可以应用于快中子探测, 并能够利用得到的反冲质子谱结合合适的反演算法实现入射中子源的能谱重建. 本文积累的建模和解谱算法为将来微结构气体探测器组成的快中子探测系统应用于未知快中子源探测, 能谱重建, 实现源项识别提供了新的办法.
原子和分子物理学
2021, 70 (11): 113101.
doi: 10.7498/aps.70.20201807
摘要 +
采用非平衡分子动力学(NEMD)方法模拟含有倾斜界面的硅/锗(Si/Ge)超晶格在不同倾斜角、不同周期长度、不同样本长度和不同温度下的导热性能. 模拟结果表明, Si/Ge超晶格的热导率随着界面倾斜角的增加而非单调变化. 当周期长度为4—8原子层时, 界面倾斜角为45°的热导率比其他界面倾斜角时热导率增大了一个数量级, 且热导率随样本长度的增加而增加, 随温度的增加而减小. 然而当周期长度为20原子层时, 由于声子局域化的存在, 热导率对样本长度和温度的依赖性都较弱.
2021, 70 (11): 113201.
doi: 10.7498/aps.70.20202077
摘要 +
采用超级原子模型研究了一个巨梯型四能级里德伯原子系统与一个弱光场和两个强控制场的相互作用. 利用蒙特卡罗算法, 通过数值求解海森伯-朗之万方程, 讨论了系统的动力学演化, 研究了偶极-偶极相互作用对探测场透射谱和二阶强度关联函数的影响. 在有限温度下, 利用洛伦兹分布函数代替麦克斯韦分布函数, 得到解析的探测场极化率, 讨论了强场的失谐量对系统出射探测场透射谱对称性质的影响, 最后研究了多普勒效应对探测场透射谱和二阶强度关联函数的影响. 结果表明, 在电磁诱导透明条件下, 透明窗口处出射探测场的透射率随着入射探测场强度的增强而减弱, 而当系统入射探测场强度不变时, 通过改变强场的失谐量可以得到非对称的透射谱. 此外, 当弱探测场和强场的传播方向一致时, 多普勒效应对系统透射谱和二阶强度关联函数的峰值有很小的影响. 当探测场和强场的传播方向不一致时, 多普勒效应对系统透射谱和二阶强度关联函数的影响可以忽略.
2021, 70 (11): 113202.
doi: 10.7498/aps.70.20201785
摘要 +
利用双色双光子阿秒干涉光谱可以在阿秒量级上精确测量光电子从原子、分子以及固体中的电离时间, 为人们理解激光辅助单光子电离中的光电子超快发射过程提供了前所未有的推动作用. 理解光电子发射时间依赖于物理模型, 而目前的模型在预测光电子发射时间上有很大的偏差. 于是, 本文对之前的程函近似模型进行了改进. 与之前的程函近似模型相比, 本文模型使用了更准确的末态波函数, 并且在计算光电子传播过程中累积的相位时, 更准确地计算了光电子轨迹, 因而可以更准确地预测光电子发射时间. 对比得到的数值模拟结果表明, 改进后的程函近似模型比以前的理论模型更加接近含时薛定谔方程的结果, 加深了我们对光电子发射超快过程的理解.
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2021, 70 (11): 113401.
doi: 10.7498/aps.70.20202168
摘要 +
对于计算材料科学的研究者来说, 经常由于找不到合适的原子间势而工作受阻. 本文将在Finnis-Sinclair势的框架下, 通过开发金属Nb的Finnis-Sinclair势而给出较详细的原子间势拟合、检验、修正的过程. 首先建立原子间势与材料宏观性能之间的关系, 然后通过再现金属Nb的结合能、体模量、表面能、空位形成能及平衡点阵常数的实验数据的方法拟合金属Nb的Finnis-Sinclair势. 利用所构建的原子间势计算金属Nb的弹性常数、剪切模量及柯西压力来检验势函数. 讨论势函数曲线形状对间隙形成能的影响, 进而根据间隙能的计算数据修正已构建的原子间势. 讨论截断距离的处理方法. 本文的结果一方面为构建原子间势函数库提供资料, 为构建与Nb相关的合金原子间势奠定基础; 另一方面, 为开发和改善原子间势质量提供方法和依据.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (11): 114201.
doi: 10.7498/aps.70.20210049
摘要 +
纳米激光器作为未来实现光集成的重要光学元件, 成为了近年来的研究热点之一, 相应的结构工程及输出特性受到了广泛的关注. 然而, 纳米激光的非线性动力学方向上的研究却少有报道. 本文基于纳米激光器的单模速率方程, 应用排列熵复杂度量化工具分析了光反馈及光注入下的混沌纳米光源不可预测程度, 并通过自相关函数进行时延表征. 结果表明: 增加线宽增强因子α、偏置电流Idc、减小增益饱和因子ε、自发辐射增强因子F、自发辐射耦合因子β都有利于提升混沌的不可预测性并抑制时延特征. 而通过光反馈方式产生的混沌光源进一步注入到另一个纳米激光器, 会带来额外的光场非线性作用, 进一步地增强混沌激光的复杂度特性. 此外, 基于绘制频率失谐及注入强度下激光器输出的二维复杂度空间分布, 确定了获取高不可预测度纳米激光混沌信号的参数范围. 这对于实现低成本、小尺寸、高品质混沌光源的研究有重要推动作用.
2021, 70 (11): 114202.
doi: 10.7498/aps.70.20210043
摘要 +
通过对影响垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)的功率转换效率的因素进行理论分析, 得出斜率效率是影响功率转换效率的主要因素的结论. 为获得高功率转换效率, 通过对有源区量子阱、P型和N型分布布拉格反射镜(DBR)等进行优化, 设计出了905 nm VCSEL的外延结构并进行了高质量外延生长. 成功制备出了不同氧化孔径的905 nm VCSEL器件, 获得的最大斜率效率为1.12 W/A, 最大转换效率为44.8%. 此外, 探究了氧化孔径对VCSEL的远场和光谱特性的影响. 这种具有高功率转换效率的905 nm VCSEL器件为激光雷达的小型化、低成本化提供了良好的基础数据.
2021, 70 (11): 114203.
doi: 10.7498/aps.70.20201641
摘要 +
误差补偿是保证水下传感器网络时钟同步精度的一个重要保障, 现有研究方法主要采用线性拟合和最小二乘法对时钟同步参数进行误差补偿, 但该类方法并未考虑受海流影响时节点移动所导致的时钟同步精度问题. 针对此问题, 本文提出一种基于BP神经网络模型的时钟同步误差补偿算法. 首先采用深海拉格朗日洋流模型描述水下节点运动规律, 模拟水下节点运动速度, 进而建立时钟同步参数模型, 最后构建符合水下环境的BP神经网络时钟同步误差补偿模型, 通过定义激励函数, 引入正则项因子和补偿性因子避免模型过拟合, 建立误差反向传播的BP神经网络模型时钟同步误差补偿算法. 仿真实验表明, 本文提出的算法与TSHL算法、MU-sync算法、MM-sync算法相比, 在时钟同步精度(即时钟同步时间与标准时间的误差)上分别提升了37.42%, 17.29%和21.86%, 并且均方误差得到显著降低.
2021, 70 (11): 114301.
doi: 10.7498/aps.70.20210032
摘要 +
碳纤维增强复合材料在制造和使用过程中会产生褶皱, 褶皱缺陷的存在使得纤维层起伏不平, 超声波传播至纤维界面时不同声束方向的声能量存在差异. 针对此问题, 提出一种基于声束指向性函数校正的全聚焦阵列成像方法: 制备了含褶皱缺陷的碳纤维增强复合材料试样, 建立超声阵列数据采集实验系统, 捕获全矩阵数据; 考虑超声发射/接收阵元不同声束方向的声能量差异, 提出全聚焦成像方法的校正模型; 将校正前后的全聚焦成像结果与试样的实物图和光学显微镜图像进行对比分析. 实验结果表明: 基于指向性函数校正的全聚焦成像方法能够有效降低背景噪声, 恢复出被检试样的褶皱缺陷和铺层结构等细节信息, 为碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的精确表征提供了理论指导.
2021, 70 (11): 114302.
doi: 10.7498/aps.70.20202093
摘要 +
本文基于求解单频声波方程近似解的方法, 得到了非线性声场中谐波的声压与介质性质、初始声压幅值及频率之间的定量关系. 并对两列相对声压幅值和相对频率不同情况下的声场分布进行了研究. 通过分析单、双频声源辐射场中的谐波分布和传播规律发现: 在非线性声场中会不断地出现新的谐波, 激发的各阶谐波随着声波传播距离的增大逐渐增强而后减弱. 在声源的附近, 谐波的声压随基波声压振幅的增大而增大; 但在基波的频率增大时反而会减小. 在输入总声能相同的情况下, 与单频声场相比双频声源辐射场的声能量分布较均匀, 声的传播距离较大, 远场中的谐波含量较大. 结果表明, 基波的频率越高, 衰减得越快, 谐波的积累越缓慢; 声压的极值越大, 基波声能量转移得越多, 产生的谐波越多, 基波的衰减越快, 声压对远场声能的负效应增大; 如果改用多频声源, 并适当地控制输入声波的组成成分, 可以达到改善声场分布均匀性、增大声辐射距离的效果.
2021, 70 (11): 114303.
doi: 10.7498/aps.70.20201858
摘要 +
对于远程声传播问题, 地球曲率的影响不可忽略. 为分析地球曲率对远距离声传播的影响, 本文提出了一种地球曲率影响下环境参数的修正方法, 该修正方法无需改动现有声场计算模型, 具有可移植性好、计算简便的特点. 典型环境下的仿真结果表明, 由于地球曲率的影响, 在会聚区传播中, 会聚区的位置向声源方向偏移, 会聚区移动随着距离变换近似为线性关系, 1000 km距离上偏移可达10 km; 而深海声道传播中, 到达结构在时间轴上整体前移, 并伴随着在深度和时间轴上的扩展, 影响均随着传播距离的增加而逐步增大, 1000 km距离上整体前移的幅度可达136 ms.
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2021, 70 (11): 114304.
doi: 10.7498/aps.70.20201878
摘要 +
微小血管及其血流实时成像对监测生物体血氧代谢等具有重要意义. 在无微泡造影剂的情况下, 传统超声多普勒技术仍较难实现高信噪比的微小血管成像. 本研究提出了一种无造影剂增强的超快超声脊髓微血管成像方法. 本研究从基于多角度复合平面波的高帧频成像技术出发, 提出基于特征值分解的频率-幅值双阈值滤波法, 从而将脊髓组织信号和微血流信号分离, 可实现脊髓内微血流的动态成像. 在体成像实验结果表明, 无超声造影剂时, 超快超声多普勒成像技术仍可获得较为清晰的大鼠脊髓内微血流的实时图像, 并能够清晰地呈现脊髓受损所致的微血流缺失状况. 定量分析结果表明, 增大复合平面波角度数可有效提高图像的信噪比. 综上, 超快超声多普勒成像技术有潜力被应用于脊髓内微血管成像及功能实时监测与动态评价, 相关结果可为脊髓功能成像方法的研究提供借鉴.
2021, 70 (11): 114401.
doi: 10.7498/aps.70.20201513
摘要 +
倾斜封闭腔内对流换热问题是非线性非平衡系统中研究的热点问题之一. 本文采用高精度数值方法对倾斜方腔内流体热对流进行了直接数值模拟, 研究了腔体倾角在$0^\circ— 180^\circ$ 之间变化时, 倾角的不同变化过程对流场非线性演化、传热效率以及流动分岔的影响. 所考虑的Rayleigh数范围为$10^3— 10^6$ . 结果表明: 表征传热效率的Nusselt 数对Rayleigh数、Prandtl数及倾斜角度均具有较强依赖性, 在较高Rayleigh数时, Nusselt数会在80°和100°附近产生较大幅度的变化; 高Rayleigh 数下流场及温度场的演变更为复杂, 腔体内存在1—3个对流强度不等的涡卷; 低Rayleigh数下腔体倾角接近90°时流动状态为热传导状态. 当腔体倾角介于$70^\circ— 110^\circ$ 之间时, 在Rayleigh数$Ra\in(4949,314721)$ 内存在解的两条稳定分支.
2021, 70 (11): 114701.
doi: 10.7498/aps.70.20201960
摘要 +
采用多相流的相场格子Boltzmann方法数值研究了微通道内高雷诺数单模Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性的后期演化规律, 重点分析表面张力对相界面动力学行为以及气泡与尖钉增长的影响. 数值实验表明, 随着界面张力的增大, 可以有效降低演化过程中相界面结构的复杂程度, 并抑制不稳定性后期相界面破裂形成离散液滴. 另外, 增大表面张力可以先促进后抑制气泡振幅的增长, 而当表面张力较小时, 尖钉振幅增长曲线之间并无明显差别, 当表面张力增大到一定值后, 它对尖钉振幅的抑制效果可明显地被观察到. 进一步, 根据不稳定性速度增长曲线, 将高雷诺数单模RT不稳定性的演化划分为线性增长、饱和速度增长、重加速、混沌混合四个发展阶段. 数值计算获取气泡与尖钉的饱和速度符合包含界面张力效应的势流理论模型. 另外还统计了不同表面张力和Atwood数下表征RT不稳定性后期演化的气泡与尖钉增长率, 结果显示气泡与尖钉后期增长率随着表面张力的增大总体上呈现出先促进后抑制的规律. 最后, 从数值计算和理论分析两方面研究了不同Atwood数下RT 不稳定性发生的临界表面张力, 发现两者结果符合得很好, 并且临界表面张力随着流体Atwood数的增大而增大.
气体、等离子体和放电物理
2021, 70 (11): 115201.
doi: 10.7498/aps.70.20201972
摘要 +
托卡马克聚变堆中高能量alpha粒子的良好约束是获得稳态燃烧等离子体的前提, 除了磁场波纹损失, 不稳定性也会引起额外的损失. 本文基于中国聚变工程试验堆(CFETR)参数, alpha粒子初始分布和新经典撕裂模(NTM)扰动分布, 利用粒子导心跟踪方法分别对磁场波纹和NTM两种扰动及叠加下的粒子损失进行了详细的数值模拟. 结果显示粒子损失份额不随NTM扰动幅度增大而增大, 两种扰动的叠加效应不明显. 通过扫描装置波纹度大小以及分析相空间粒子密度和波纹损失区分布, 确认原因是CFETR波纹损失区较小, 没有覆盖高能量粒子(EP)密度和NTM扰动主要分布区. 此外, NTM没有引起直接粒子损失和俘获粒子剖面坍塌. 显著的俘获粒子密度剖面展平, 并扩展到波纹损失区是两种扰动叠加效应显著的前提. 无碰撞波纹随机扩散是CFETR初始分布alpha粒子的主要损失通道, 通行粒子约束不受磁场波纹影响. 本文研究结果对CFETR概念设计中alpha粒子物理和低频不稳定性下的EP行为具有重要意义.
2021, 70 (11): 115203.
doi: 10.7498/aps.70.20202003
摘要 +
按照章等[Zhang Y Z, Liu Z Y, Mahajan S M, Xie T, Liu J 2017 Phys. Plasmas 24 122304 ]发展的漂移波-带状流理论, 将多重尺度导数展开法应用到电子漂移动理学方程, 零级为描述微观尺度捕获电子模的线性本征模方程, 一级为介观尺度受带状流调制的捕获电子模的包络方程. 其中线性本征模方程已经在谢等[Xie T, Zhang Y Z, Mahajan S M, Wu F, He Hongda, Liu Z Y 2019 Phys. Plasmas 26 022503 ]的研究中被求解, 利用该文得到的捕获电子模的本征值和二维模式结构计算包络方程中的群速度. 径向群速度由托卡马克磁场的测地曲率贡献, 极向群速度来自逆磁漂移速度和法向曲率, 它们仅是极向角的函数, 后者给出极向角到时间的映射. 径向群速度作为时间的函数, 其周期在毫秒量级, 具有快速过零的特征. 这为研究捕获电子模驱动带状流提供了充实的理论基础.
2021, 70 (11): 115204.
doi: 10.7498/aps.70.20202113
摘要 +
实验通过朗缪尔探针辅助激光诱导解离技术对27.12 MHz驱动的不同含氧量条件下容性耦合Ar等离子体进行了诊断研究. 通过质量流量计改变通入Ar与O2的流量以得到不同含氧量的等离子体. 结果表明, 由于氧气的分解吸附反应需要消耗电子, 致使朗缪尔探针测得的电子能量概率函数(EEPF)的中能部分随着含氧量的上升而下降. 射频输入功率增加时电子密度的上升引起了电子-电子碰撞热化, 从而使EEPF由Druyvesteyn分布向麦克斯韦分布转变. 在功率电极附近, 由于鞘层边界附近的电子氧气分子碰撞时的分解吸附反应使得鞘层区附近的负离子密度较高. 另外, 负离子密度沿着轴向呈现勺型分布的特征. 这主要是由于负离子在双极电场作用下向等离子体放电中心扩散的过程中所存在的负离子产生与损失的反应过程导致.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2021, 70 (11): 116101.
doi: 10.7498/aps.70.20201840
摘要 +
基于WBM相场模型对热力学条件和辐照条件下Fe-Cr合金晶界处Cr元素偏析行为进行了模拟. 模拟结果表明温度对Fe-Cr合金晶界处Cr元素的偏析有很大影响: 当温度低于500 ℃时, 晶界处的偏析量很小; 而当温度高于500 ℃时晶界处的偏析量增加明显. 基体中Cr元素含量对晶界Cr元素的相对偏析量也有显著影响: 随着基体中Cr元素含量的增加, 相同模拟条件下晶界处Cr元素的相对浓度增量降低. 辐照条件下, 晶界处Cr元素的相对偏析量比热力学条件下的相对偏析量有明显增加; 随着辐照剂量率的提高, 晶界中心处Cr元素浓度增量变大; 相同辐照条件下, 随着Cr元素含量的增加, 晶界处Cr元素的相对浓度增量也降低.
2021, 70 (11): 116102.
doi: 10.7498/aps.70.20202028
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利用重离子加速器和60Co γ射线实验装置, 开展了p型栅和共栅共源级联结构增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的单粒子效应和总剂量效应实验研究, 给出了氮化镓器件单粒子效应安全工作区域、总剂量效应敏感参数以及辐射响应规律. 实验发现, p型栅结构氮化镓器件具有较好的抗单粒子和总剂量辐射能力, 其单粒子烧毁阈值大于37 MeV·cm2/mg, 抗总剂量效应水平高于1 Mrad (Si), 而共栅共源级联结构氮化镓器件则对单粒子和总剂量辐照均很敏感, 在线性能量传输值为22 MeV·cm2/mg的重离子和累积总剂量为200 krad (Si)辐照时, 器件的性能和功能出现异常. 利用金相显微镜成像技术和聚焦离子束扫描技术分析氮化镓器件内部电路结构, 揭示了共栅共源级联结构氮化镓器件发生单粒子烧毁现象和对总剂量效应敏感的原因. 结果表明, 单粒子效应诱发内部耗尽型氮化镓器件的栅肖特基势垒发生电子隧穿可能是共栅共源级联结构氮化镓器件发生源漏大电流的内在机制. 同时发现, 金属氧化物半导体场效应晶体管是导致共栅共源级联结构氮化镓器件对总剂量效应敏感的可能原因.
封面文章
2021, 70 (11): 116103.
doi: 10.7498/aps.70.20202031
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基于拜尔滤波片(bayer filter)彩色成像技术在集成度和分辨率都已经接近极限, 无滤波片(filter-free)的彩色成像单元得到广泛的关注和研究. 纳米线自身腔模式可以实现对不同能量的光空间分布, 通过对纳米线形貌调控实现色彩分辨探测. 本文使用有限元法构建了能依靠自身结构完成分光目的, 能够作为光探测器的锥形纳米线器件. 数值模拟结果显示, 能够根据器件的顶半径、底半径、长度和材料等相关参数调整器件涵盖的波长范围和分辨率等重要参数, 并具体分析了如何进行调控. 同时进一步分析了该结构在实际制备器件时以及不同角度入射光下的器件性能. 这些研究结果对于将锥形结构纳米线作为光探测器的实际应用有重要的参考意义.
2021, 70 (11): 116301.
doi: 10.7498/aps.70.20201939
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利用密度泛函理论结合玻尔兹曼输运方程, 预测了二维层状热电材料XTe2 (X = Pd, Pt)的热电性质. 两种材料都具有较低的热导率, 材料的晶格热导率随温度的升高而降低, 且表现出各向异性. 而电子热导率随温度的升高而升高. 在较低温时, 晶格热导率对总热导率的贡献占据主导地位. 较高的载流子迁移率、电导率及塞贝克系数也对材料的热电转换效率产生极大的影响, 展现出较为优异的电输运性能. 对比分析PdTe2和PtTe2两种材料的ZT值, 发现两种材料的热电性能以p型掺杂为主. PtTe2单层的ZT值高于PdTe2单层, 并且PtTe2单层在常温下的ZT峰值可达到2.75, 是一种极具潜力的热电材料.
2021, 70 (11): 116302.
doi: 10.7498/aps.70.20202142
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近年来, 层状钙钛矿材料中存在的非常规铁电性为新型铁电体设计提供了新的途径. 基于第一性原理, 本文系统研究了具有Ruddlesden-Popper (RP) (n = 2) 结构的Sr3B2Se7 (B = Zr, Hf)化合物的基态结构、电子结构和非常规铁电性. 研究表明, Sr3B2Se7 (B = Zr, Hf) 基态均为具有A21am极性相的直接带隙半导体; 其非常规铁电性来源于BSe6八面体的两种旋转模式的耦合. 而且, 因具有较强的铁电极化值与可见光吸收带隙, Sr3B2Se7 (B = Zr, Hf)有望成为新一代铁电光伏材料.
2021, 70 (11): 116401.
doi: 10.7498/aps.70.20202037
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研究颗粒体系中的结构与缺陷对于研究固-液融化的物理机制具有重要的价值. 本文实验研究了垂直振动下单层湿颗粒在固-液融化过程中的结构与缺陷. 根据实验及理论分析构建了湿颗粒体系的接触模型, 量化了准二维湿颗粒体系融化过程中颗粒的结构变化. 然后以颗粒为点建立Voronoi图对颗粒体系的“相”转变进行研究, 并引入了局部体积分数来确定融化过程中缺陷变化的临界状态. 实验结果表明, 颗粒系统在团簇的边缘开始发生缺陷, 并呈现链状的缺陷对向中心蔓延的现象. 并且, 颗粒发生缺陷时七相缺陷颗粒的局部体积分数显著减小, 明显小于五相缺陷和六角相颗粒的局部体积分数. 对局部体积分数的分析表明, 当最小局部体积分数$\phi \leqslant 0.6652$ 时发生缺陷, 当$\phi \leqslant 0.4872$ 时颗粒系统发生从固体到液体的转变.
2021, 70 (11): 116801.
doi: 10.7498/aps.70.20202118
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本文研究了1 nm钛作为插入层的条件下, 镍与锗锡合金在不同退火温度下的固相反应, 比较了微波退火和快速热退火对镍锗锡化物形成的影响. 研究结果表明: 在微波退火300 ℃、快速热退火350 ℃条件下, 可以形成连续平整的镍锗锡薄膜. 通过进一步分析镍锗锡薄膜的元素分布, 发现1 nm钛插入层发生“层转移”现象, 钛在镍与锗锡合金反应后分布在样品的表面, 由“插入层”变为“盖帽层”; 而锡元素因受到金属钛的调制作用, 主要分布在镍锗锡薄膜/锗锡衬底的界面.
2021, 70 (11): 117101.
doi: 10.7498/aps.70.20210090
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采用第一性原理的方法系统研究了碱(土)金属原子、过渡金属原子和非金属原子吸附的二维CrI3单层的电学和磁学性质. 结果表明, 金属原子倾向于吸附在6个I原子形成的环中心并且与Cr原子处于同一高度, 非金属原子吸附在I原子形成的环内, 但位置则依赖于原子种类. 除Ti和Mn原子之外的其他原子的吸附并未改变CrI3单层的本征铁磁半导体属性, 而Ti和Mn原子的吸附则使CrI3单层转变为反铁磁构型. 金属原子的吸附导致Cr原子局域磁矩增加, 但不超过4μB; 而非金属原子的吸附则使Cr原子的局域磁矩呈现多样化. 结合分波态密度我们对Cr局域磁矩的变化机制进行了细致分析, 发现Cr磁矩的增加与电荷转移直接相关. 我们的研究结果为铁磁半导体CrI3的性能调控提供了新的思路, 在未来自旋电子学中有着潜在的应用前景.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2021, 70 (11): 117102.
doi: 10.7498/aps.70.20210191
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随着航空航天领域的飞速发展, 极端的环境要求超高温陶瓷材料具有更好的力学性能和超高熔点. 目前, 单金属碳化物的超高温陶瓷材料承受的压力日渐增大. 为了解决过渡金属单碳化物性能不足的问题, 我们基于密度泛函理论系统地研究了Ta1–xHfxC和Ta1–xZrxC (0 ≤ x ≤ 1)固溶体的物理性质. 通过调节Hf和Zr的浓度来研究它们的结构稳定性、晶格参数、力学性能、熔点和电子结构. 我们的计算结果表明碳化物固溶体的稳定性随Hf/Zr含量的增加而增加, 并且当Hf/Zr含量相同时, Ta1–xZrxC比Ta1–xHfxC的结构更稳定. 我们还发现随着Hf/Zr含量的增加, 固溶体的晶格常数和体积会膨胀. Ta1–xHfxC和Ta1–xZrxC固溶体的体积模量随着Hf/Zr含量的增加而减小, 而固溶体的熔点、杨氏模量、剪切模量、维氏硬度和断裂韧性在掺杂含量x = 0.2处会出现峰值. 而且, 添加Hf和Zr可以提高TaC的耐磨性. 电子态密度结果显示随着Hf/Zr含量的增加, 固溶体费米能级处的态密度值逐渐降低, 这表明固溶体的结构稳定性逐渐增强.
2021, 70 (11): 117201.
doi: 10.7498/aps.70.20201801
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应用包含链内无序和电子关联的Su-Schriffer-Heeger模型, 研究了共轭聚合物链中无序效应在光激发演化过程中的作用, 尤其是对激子产率的影响. 采用multi-configurational time-dependent Hartree–Fock方法处理电子部分的含时Schrödinger方程, 而晶格部分的运动则由经典的牛顿方程决定. 研究发现, 加入无序后, 光激发弛豫后的产物与纯净聚合物链中有着定性的不同. 相比于纯净聚合物中光激发下会有一定的概率直接生成极化子对, 考虑无序效应后则更趋向于生成激子, 并且激子的产率很大程度上依赖于无序的类型和强度. 另外还研究了电子-电子相互作用和共轭链长度对激子产率的影响.
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2021, 70 (11): 117401.
doi: 10.7498/aps.70.20202241
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本文研究量子输运中马约拉纳费米子与杂质自旋的相互作用, 发现系统能够产生温差驱动的自旋相关电流, 得到了马约拉纳费米子导致的热自旋流. 在大温差下, 马约拉纳费米子与量子点强耦合时, 电流与门电压趋于线性关系, 体现了马约拉纳费米子的鲁棒性, 且马约拉纳费米子导致的自旋流具有振荡特性, 其零点个数与杂质自旋角量子数相关.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2021, 70 (11): 118102.
doi: 10.7498/aps.70.20210442
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针对平面阵列电极边缘电场和病态特性严重影响电容图像重建质量的问题, 提出了一种改进的自适应Kalman滤波图像重建算法来同时减小电容及介电常数矩阵的噪声, 在构建引入噪声的平面阵列电容成像状态模型的基础上, 利用极大似然准则来对介电常数矩阵噪声方差阵进行在线估计及实时修正, 并且通过对系统误差协方差矩阵进行动态加权的方法来对此算法的收敛速度进行优化. 通过一种复合材料结构件进行缺陷检测实验, 结果表明与LBP, TR正则化及Kalman滤波算法相比, 自适应Kalman滤波算法图像误差最高可降低约20%, 图像相关系数高达0.79, 收敛速度提升约15%, 说明自适应Kalman滤波算法对提升重建图像质量的有效性. 此研究对提高平面阵列电容成像的量化精度有着重要意义.
2021, 70 (11): 118401.
doi: 10.7498/aps.70.20201950
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无机钙钛矿CsPbI3由于好的热稳定性和合适的光学带隙具有很好的发展前景, 作为太阳电池的吸收层, CsPbI3必须形成黑色相(α-CsPbI3). 为了低温制备出空气中稳定的优质α-CsPbI3, 本文在前驱液中同时添加碱金属碘化物(NaI, KI)和氢碘酸(HI). 研究发现: 与仅有HI添加剂相比, 添加碱金属碘化物后低温制备的α-CsPbI3薄膜的质量和稳定性均有提高, 即薄膜致密度提高、晶粒增大、内部缺陷减少、光吸收增强. 因此, 碱金属碘化物和HI共添加是进一步提高CsPbI3无机钙钛矿太阳电池效率和稳定性的有效方法.
2021, 70 (11): 118501.
doi: 10.7498/aps.70.20201829
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GaInAsSb在红外光电领域具有重要应用价值, 但是窄带隙材料较高的本征载流子浓度和俄歇复合系数使其室温暗电流密度较高, 需要进行制冷才能获得满足应用要求的光电性能. 本文利用表面宽带隙半导体纳米柱阵列和背面高反射率金属对GaInAsSb p-n结有源区进行双面光调控, 将光限制在较薄的有源区进行吸收, 从而提升光电转换量子效率并降低室温暗电流. 采用时域有限差分方法仿真分析光学性能, 采用数值分析方法求解载流子输运方程以分析光电性能. 理论结果表明, 在当前工艺水平下, 双面光调控结构通过激发光学共振效应可以使厚度1 μm的Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n结在1.0—2.3 μm红外波段的平均量子效率达到90%, 扩散暗电流密度可达5×10–6 A/cm2, 暗电流主要来自于表面复合, 俄歇复合的贡献较小.
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2021, 70 (11): 118701.
doi: 10.7498/aps.70.20210182
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太赫兹成像技术是医学成像的候选技术之一, 尤其是连续太赫兹反射和衰减全反射成像有望实现术中快速成像, 是目前研究的热点课题. 本文理论研究了成像角度对反射信号和衰减全反射穿透深度的影响, 获得了适用于反射和衰减全反射成像的太赫兹波成像角度. 在此基础上设计了全反射棱镜, 通过反射窗口和全反射棱镜快速切换的方式, 实现了共光路连续太赫兹反射和衰减全反射双模式成像. 以蒸馏水和猪肉为样品, 实验研究了连续太赫兹反射和衰减全反射成像. 结果表明, 与反射成像相比, 连续太赫兹衰减全反射成像具有成像分辨率高、图像对比度高和信号稳定性高的优点, 且可以准确获得样品反射率. 太赫兹衰减全反射成像技术更有助于实现样品的高灵敏度成像.
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2021, 70 (11): 118702.
doi: 10.7498/aps.70.20202192
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基于光栅干涉仪系统的X射线微分相位衬度计算机层析成像, 不仅可以重建物体的线性衰减系数, 还可以重建物体的相移系数和线性散射系数. 在实际应用时, 大面积光栅不易获得, 常常遇到样品大于光栅的情况. 当用小于样品的光栅对样品进行扫描时, 样品超出光栅成像视野的部分会导致微分相位投影信息被截断. 本文针对微分相位衬度计算机层析成像提出了一种相移系数的感兴趣区域重建方法. 该方法利用物体相移系数和线性衰减系数(即折射率实部减小量和折射率虚部)之间的近似线性关系; 通过重建相移系数的Lambda函数和线性衰减系数的Lambda逆函数的多项式组合, 近似重建物体感兴趣区域的相移系数. 数值模拟实验依据菲涅耳衍射积分理论, 进行计算机仿真X射线的传播过程和光栅成像过程. 实际实验利用上海同步辐射BL13W1站的Talbot光栅干涉仪系统, 分别对标准模体和生物样品进行光栅微分相位衬度计算机层析成像. 数值模拟和实际实验结果都验证了该方法的有效性.
