搜索

x

Vol. 70, No. 2 (2021)

2021年01月20日

专题

原子制造:基础研究与前沿探索

“原子制造:基础研究与前沿探索”专题编者按 

特邀编辑: 高鸿钧 中国科学院物理研究所   

DOI: 10.7498/aps.70.020101 

          制造技术的不断迭代发展带来了器件性能的飞跃, 也推动着人类技术的进步. 伴随着器件特征尺寸的不断缩小, 制造技术先后经历了宏观制造、介观制造、微观制造和纳米制造等多个阶段, 当前最具代表性的半导体工艺, 已经从微米尺度走到最前沿的3 nm 左右, 并进一步向更小的尺度迈进.因此, 制造技术进入到原子尺度已不再是遥不可及的梦想, 而成为现在科技界研究前沿的现实对象.然而, 在原子尺度下, 常规制造技术在材料、结构和器件的制造过程中遇到了原理性和系统性的瓶颈和壁垒, 这种制造精度的提升将不再是线性微缩, 而是从经典行为到量子行为的跨越, 势必孕育出颠覆性的新材料、新器件和新原理. 例如, 有限原子数的小团簇会呈现与块体截然不同的结构和物理性质, 甚至产生类似高温超导的“能隙”; 超导基底上的铁磁原子线会形成马约拉纳费米子器件,是拓扑量子计算的载体; 二维原子晶体材料家族中, 石墨烯的费米速度比块材石墨高上千倍, 扭角石墨烯则可以形成奇特的莫特绝缘体态, 单层的二硫化钼具有比块材高10 万倍的二阶非线性光学系数; 原子精确操控的晶体管有可能形成相干的高质量量子点阵列, 也有可能成为具有选择性的极限单分子灵敏度的气体传感器, 等等. 因此, 单原子层次上的功能器件设计与制造—原子制造, 迅速成为当前科学、技术和产业界共同关注的前沿研究热点. 原子制造是采用“自下而上”的变革性技术路线, 在原子水平的高效制造工艺, 是精细制造技术发展的必然趋势, 也是物质科学的终极梦想之一. 我们希望从原子这一常规物质世界的底层, 通过对单原子的精细操控, 制备新型原子材料, 构筑新器件, 并制作出新系统, 为解决“未来制造”提供一条从基础研究出发的新路线. 

       正是在这种科学梦想的感召及各级部门的关心和鼎力支持下, 国内快速形成了一支有影响力的学术队伍, 出现了一批优秀的工作, 使得我们出版一个以原子制造为主题的专辑成为可能. 同时, 为了帮助读者系统了解原子制造—单原子层次上功能器件制造—的前沿研究与最新进展, 推动原子制造技术及相关研究的进一步发展, 本刊特邀请部分活跃在本领域前沿各研究方向的专家, 围绕原子制造主题, 从材料、物理、化学、力学、模拟、实验和理论等诸方面, 以不同的视角介绍最新进展、问题、现状和展望. 专题内容包括: 1) 原子尺度的制造与检测工艺; 2) 二维原子材料与器件的研究; 3) 其他原子水平的材料与器件研究.我相信并希望“原子制造: 基础研究与前沿探索”专辑能对相关研究提供有价值的参考, 推动该领域的发展, 为国家科技发展做出重要贡献.

客座编辑:杜世萱 中国科学院物理研究所; 宋凤麒 南京大学; 戴庆 国家纳米科学中心 物理学报.2021, 70(2).
专题—原子制造:基础研究与前沿探索
专题
特邀综述
特邀综述
综述
综述
总论 核物理学 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: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
专题—原子制造:基础研究与前沿探索

编辑推荐

基于原子操纵技术的人工量子结构研究
李宇昂, 吴迪, 王栋立, 胡昊, 潘毅
2021, 70 (2): 020701. doi: 10.7498/aps.70.20201501
摘要 +
扫描隧道显微镜原子操纵技术是指利用扫描探针在特定材料表面以晶格为步长搬运单个原子或分子的技术.它是纳米尺度量子物理与器件研究领域一种独特而有力的研究手段. 利用这种手段, 人们能够以原子或分子为单元构筑某些常规生长或微加工方法难以制备的人工量子结构, 通过对格点原子、晶格尺寸、对称性、周期性的高度控制, 实现对局域电子态、自旋序、以及能带拓扑特性等量子效应的设计与调控. 原子操纵技术与超快测量及自动控制技术的结合, 使得人们能够进一步研究原子级精准的量子器件, 因而该技术成为探索未来器件新机理、新工艺的重要工具. 本文首先简介原子操纵方法的发展过程和技术要点, 然后分别介绍人工电子晶格、半导体表面人工量子点、磁性人工量子结构、人工结构中的信息存储与逻辑运算、单原子精度原型器件等方面的最新研究进展, 以及单原子刻蚀和自动原子操纵等方面的技术进展, 最后总结并展望原子操纵技术的应用前景和发展趋势.
原子芯片的基本原理、关键技术及研究进展
李沫, 陈飞良, 罗小嘉, 杨丽君, 张健
2021, 70 (2): 023701. doi: 10.7498/aps.70.20201561
摘要 +
飞速发展的激光冷却、囚禁与操控中性原子的理论和实验技术不仅促进了人们对微观物质运动规律的认知, 而且在精密测量和量子信息领域催生了多项颠覆性的器件与应用. 不同于传统复杂庞大的原子光学实验装置, 原子芯片通过在硅等基底上制备的表面微纳结构或器件来精准控制磁场、电场或光场, 从而在小尺度、低功耗条件下实现对原子的强束缚与相干操控, 被认为是一种稳定、精确、功能及扩展性强大的原子及其量子态片上实验平台, 具有广泛且重大的应用价值. 本文首先简要回顾了原子芯片的发展历程, 然后介绍了基于载流导线的微势阱及微导引实现原子芯片的基本原理, 并着重讨论了基于载流导线的原子芯片制备技术、测试方法和集成的全链条关键实现技术. 随后, 本文综述了各国与原子芯片相关的研究计划布局和主要应用进展, 指出原子芯片走向实用面临的挑战性问题, 并对其未来发展进行了展望.
从蘸笔纳米刻印术到力化学打印
俞奕飞, 曹毅
2021, 70 (2): 024202. doi: 10.7498/aps.70.20201537
摘要 +
蘸笔纳米刻印术(dip-pen nanolithography, DPN)作为一种独特的纳米加工手段, 具有在各类基底上书写精细图案的能力. 自20世纪末诞生以来, 研究者们对DPN中的墨水输运原理有了更深入的理解, 同时受惠于材料学的发展并结合复杂生化反应体系, 数种基于DPN衍生的纳米加工技术被开发出来. 与此同时, 依靠机械作用引发的一类化学反应, 即力化学(mechanochemistry), 在最近数十年来获得了越来越多的关注, 多种新颖的实验方法被引入. 本综述将介绍DPN及若干衍生技术的原理与应用, 以及力化学的机理与实现方法, 进而探讨结合这两者优势发展力化学打印的可能, 并揭示其在纳米技术及原子制造领域的应用前景.
面向原子制造的框架核酸研究进展
杨蓓, 李茜, 柳华杰, 樊春海
2021, 70 (2): 026201. doi: 10.7498/aps.70.20201437
摘要 +
框架核酸是核酸分子通过自组装形成的一维到三维的框架结构, 不仅能精准定位功能基元, 还可实现在纳米甚至原子级尺度上进行力学、光学和电学等物理性质, 以及单分子水平化学与生化反应的精准调控. 利用框架核酸对物质进行原子级的人工自组装, 可实现基本构筑单元的精准物理排布与功能化集成, 进而实现器件制造, 有望推动从原子到宏观的精确功能化的制备. 本文围绕框架核酸和原子制造两大前沿的交叉领域, 阐述框架核酸在原子级精准构筑方面的可行性和优势, 首先介绍了具有原子级精准性的框架核酸的构建, 以及利用框架核酸进行功能化组装的一般策略, 然后着重探讨框架核酸在器件构筑方面的研究进展, 最后就面向原子制造的未来发展方向进行了展望.
二维Janus原子晶体的电子性质
王盼, 宗易昕, 文宏玉, 夏建白, 魏钟鸣
2021, 70 (2): 026801. doi: 10.7498/aps.70.20201406
摘要 +
自从石墨烯问世以来, 具有各种新奇特性的二维材料在光电设备、自旋电子器件和谷电子器件等领域受到越来越多的关注. 其中, 使用各种分子基团对石墨烯进行不对称官能化时出现的优异性质, 引发了人们对其他具有不对称表面特性的Janus二维材料的研究. 作为二维材料的重要衍生物, Janus二维材料(尤其是Janus过渡金属硫化物)已成为近年来的研究热点. 实验和理论上均已证实这类材料由于具有镜面不对称性而拥有新颖的特性, 例如强的Rashba效应和平面外压电极化, 为其在传感器、制动器和其他机电设备中的应用提供了广阔的前景. 本文综述了新兴的Janus二维材料(包括Janus石墨烯, 各种Janus 二维材料以及Janus二维范德瓦耳斯异质结)的最新研究进展, 总结了Janus二维材料独特的电子性质和潜在的应用. 最后, 给出了对Janus二维材料进行下一步探索的结论和展望.
化学气相沉积法制备大面积二维材料薄膜: 方法与机制
王铄, 王文辉, 吕俊鹏, 倪振华
2021, 70 (2): 026802. doi: 10.7498/aps.70.20201398
摘要 +
近年来, 二维层状材料由于其丰富的材料体系和独特的物理化学性质而受到人们的广泛关注. 后摩尔时代要求器件高度集成化, 大面积、高质量的二维材料可以保证器件中结构和电子性能的连续性. 要实现二维材料工业级别的规模化生产, 样品的可控制备是其前提. 化学气相沉积是满足上述要求的一种强有力的方法, 已广泛应用于二维材料及其复合结构的生长制备. 但是要实现多种二维材料大尺寸以至晶圆级的批量制备仍然是很困难的, 因此, 需要进一步建立对各种二维材料生长控制的系统认识. 本文基于材料生长机理分析了化学气相沉积反应中的物质运输、成核、产物生长过程对二维材料尺寸的影响, 以及如何通过调控这些过程实现二维材料大面积薄膜的可控制备. 通过对目前研究成果的总结分析, 讨论了如何进一步实现二维材料的高质量大面积制备.
原子尺度构建二维材料的第一性原理计算研究
刘子媛, 潘金波, 张余洋, 杜世萱
2021, 70 (2): 027301. doi: 10.7498/aps.70.20201636
摘要 +
随着信息技术的不断进步, 核心元器件朝着运行速度更快、能耗更低、尺寸更小的方向快速发展. 尺寸不断减小导致的量子尺寸效应使得材料和器件呈现出许多与传统三维体系不同的新奇物性. 从原子结构出发, 预测低维材料物性、精准合成、表征、调控并制造性能良好的电子器件, 对未来电子器件的发展及相关应用具有至关重要的意义. 理论计算能在保持原子级准确度的情况下高效、低耗地预测材料结构、物性、界面效应等, 是原子制造技术中不可或缺的重要研究手段. 本综述从第一性原理计算角度出发, 回顾了近年来其在二维材料结构探索、物性研究和异质结构造等方面的应用及取得的重要进展, 并展望了在原子尺度制造背景下二维材料的发展前景.

编辑推荐

二维原子层谷电子学材料和器件
孙真昊, 管鸿明, 付雷, 沈波, 唐宁
2021, 70 (2): 027302. doi: 10.7498/aps.70.20201415
摘要 +
人为操控电子的内禀自由度是现代电子器件的核心和关键. 如今电子的电荷和自旋自由度已经被广泛地应用于逻辑计算与信息存储. 以二维过渡金属硫属化合物为代表的二维原子层材料由于其具有独特的谷自由度和优异的物理性质, 成为了新型谷电子学器件研究的优选材料体系. 本文介绍了能谷的基本概念、谷材料的基本物理性质、谷效应的调控和谷电子学器件的研究进展, 并对谷电子学材料和器件的研究进行了总结与展望.
二维黑磷的光学性质
黄申洋, 张国伟, 汪凡洁, 雷雨晨, 晏湖根
2021, 70 (2): 027802. doi: 10.7498/aps.70.20201497
摘要 +
黑磷是继石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMDCs)之后又一个备受关注的二维材料. 黑磷从单层到块材都是直接带隙半导体, 且带隙从单层的1.7 eV一直随着层数的增加而减小, 到块材则变为0.3 eV, 涵盖了可见光到中红外波段, 恰好填补了石墨烯和过渡金属硫族化合物的带隙在该波段的空白. 同时, 黑磷还具有很高的载流子迁移率、良好的调控性、面内各向异性等优异特性, 很快便引起了人们广泛的研究兴趣. 本论文主要介绍了当前有关二维黑磷光学性质方面的研究进展, 包括黑磷的本征光学性质, 如带间跃迁吸收、激子、光致发光、光学性质的稳定性; 外界微扰, 如应变、电场等对黑磷光学性质的影响; 最后做了总结与展望. 希望本文对黑磷光学性质研究的综述, 能够引起对黑磷研究的更广泛兴趣.

封面文章

二维平面和范德瓦耳斯异质结的可控制备与光电应用
姚文乾, 孙健哲, 陈建毅, 郭云龙, 武斌, 刘云圻
2021, 70 (2): 027901. doi: 10.7498/aps.70.20201419
摘要 +
自石墨烯被发现以来, 二维材料因其优异的特性获得了持续且深入的探索与发展, 以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等为代表的二维材料相关研究层出不穷. 随着二维新材料制备与应用探索的不断发展, 单一材料性能的不足逐渐凸显, 研究者们开始考虑采用平面拼接和层间堆垛所产生的协同效应来弥补单一材料的不足, 甚至获得一些新的性能. 利用二维材料晶格结构的匹配构建异质结, 实现特定的功能化, 或利用范德瓦耳斯力进行堆垛, 将不同二维材料排列组合, 从而在体系里引入新的自由度, 为二维材料的性质研究和实际应用打开了新的窗口. 本文从原子制造角度, 介绍了二维平面和范德瓦耳斯异质结材料的可控制备和光电应用. 首先简要介绍了应用于异质结制备的常见二维材料的分类及异质结的相关概念, 然后从原理上分类列举了常用的表征方法, 随后介绍了平面和垂直异质结的制备方法, 并对其光电性质及器件应用做了简要介绍. 最后, 对领域内存在的问题进行了讨论, 对未来发展方向做出了展望.

编辑推荐

气相沉积技术在原子制造领域的发展与应用
郭秦敏, 秦志辉
2021, 70 (2): 028101. doi: 10.7498/aps.70.20201436
摘要 +
随着未来信息器件朝着更小尺寸、更低功耗和更高性能方向的发展, 构建器件的材料尺寸将进一步缩小. 传统的“自上而下”技术在信息器件发展到纳米量级时遇到瓶颈, 而气相沉积技术由于其能在原子尺度构筑纳米结构引起极大关注, 被认为是最有潜力突破现有制造极限进而在原子尺度构造、搭建物质形态的“自下而上”方法. 本文重点讨论适用于低维材料的原子尺度制造的分子束外延技术和原子层沉积/刻蚀技术. 简要介绍相关技术中蕴含的科学原理及其在纳米信息器件加工和制造领域的应用, 并探讨如何在原子尺度实现对低维功能材料厚度和微观形貌的精密控制.
核酸-金属复合物及其在原子制造领域的应用
李圣凯, 郝卿, 彭天欢, 陈卓, 谭蔚泓
2021, 70 (2): 028102. doi: 10.7498/aps.70.20201430
摘要 +
原子及近原子尺度制造是直接以原子为操纵对象, 构建具有特定功能的原子尺度结构, 并实现批量生产以满足所需要的前沿制造技术, 是国际学术研究的前沿热点问题. 本综述总结了核酸材料在精准原子制造中的应用及前景, 从核酸材料的基本结构与功能出发, 论述了DNA与金属原子相互作用的基本原理. 从天然核酸材料、人工碱基“分子元素”、核酸纳米结构等方面分类介绍了核酸材料介导的精准原子制造的发展历程与突破性进展. 最后, 对该领域存在的一些挑战与机遇进行了系统性总结, 并对其未来发展方向进行了展望.

编辑推荐

二维材料的转移方法
廖俊懿, 吴娟霞, 党春鹤, 谢黎明
2021, 70 (2): 028201. doi: 10.7498/aps.70.20201425
摘要 +
二维材料及其异质结在电子学、光电子学等领域具有潜在应用, 是延续摩尔定律的候选电子材料. 二维材料的转移对于物性测量与器件构筑至关重要. 本文综述了一些具有代表性的转移方法, 详细介绍了各个方法的操作步骤, 并基于转移后样品表面清洁程度、转移所需时间以及操作难易等方面对各个转移方法进行了对比归纳. 经典干、湿法转移技术是进行物理堆叠制备原子级平整且界面清晰范德瓦耳斯异质结的常用手段, 结合惰性气体保护或在真空条件下操作还可以避免转移过程中二维材料破损和界面吸附. 高效、无损大面积转移方法为二维材料异质结构建和材料本征物理化学性质测量提供了强有力的技术保障. 转移技术的优化将进一步扩展二维材料在高温超导、拓扑绝缘体、低能耗器件、自旋谷极化、转角电子学和忆阻器等领域的研究.
${\bf Ta_4C}_{ n}^{\bf -/0}$ (n = 0—4)团簇的电子结构、成键性质及稳定性
张超江, 许洪光, 徐西玲, 郑卫军
2021, 70 (2): 023601. doi: 10.7498/aps.70.20201351
摘要 +
${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-/0} $ (n = 0—4)团簇电子结构、成键性质以及稳定性进行了研究. 实验测得${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-} $ (n = 0—4)团簇负离子基态结构的垂直脱附能分别为(1.16 ± 0.08), (1.35 ± 0.08), (1.51 ± 0.08), (1.30 ± 0.08)和(1.86 ± 0.08) eV. 中性Ta4Cn (n = 0—4)团簇的电子亲和能分别为(1.10 ± 0.08), (1.31 ± 0.08), (1.44 ± 0.08), (1.21 ± 0.08)和(1.80 ± 0.08) eV. 研究发现, ${\rm{Ta}}_4^{-/0} $团簇为四面体结构, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_1^{-/0} $团簇中碳原子覆盖在Ta4四面体的一个面上方, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_2^{-/0} $团簇则是两个碳原子分别覆盖在Ta4四面体中的两个面上方. ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-/0} $团簇是一个缺角立方体结构. ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_4^{-/0} $团簇则是近似立方体结构, 可以看成是α-TaC面心立方晶体的最小晶胞单元. 分子轨道分析结果显示${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-} $团簇的单电子最高占据轨道主要布居在单个钽原子周围, 导致${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-} $团簇的垂直脱附能明显低于其相邻团簇. 理论研究显示随着碳原子数目的增加, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-/0} $ (n = 0—4)团簇中的钽-钽金属键逐渐被钽-碳共价键取代, 单原子结合能逐渐增加且明显高于${\rm{Ta}}_{4+n}^{-/0} $(n = 0—4)团簇. 中性Ta4C4的单原子结合能高达7.13 eV, 这说明钽-碳共价键的形成有利于提高材料的熔点, 这与碳化钽作为高温陶瓷材料的特性密切相关.">本文采用尺寸选择的负离子光电子能谱技术, 结合密度泛函理论, 对${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-/0} $ (n = 0—4)团簇电子结构、成键性质以及稳定性进行了研究. 实验测得${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-} $ (n = 0—4)团簇负离子基态结构的垂直脱附能分别为(1.16 ± 0.08), (1.35 ± 0.08), (1.51 ± 0.08), (1.30 ± 0.08)和(1.86 ± 0.08) eV. 中性Ta4Cn (n = 0—4)团簇的电子亲和能分别为(1.10 ± 0.08), (1.31 ± 0.08), (1.44 ± 0.08), (1.21 ± 0.08)和(1.80 ± 0.08) eV. 研究发现, ${\rm{Ta}}_4^{-/0} $团簇为四面体结构, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_1^{-/0} $团簇中碳原子覆盖在Ta4四面体的一个面上方, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_2^{-/0} $团簇则是两个碳原子分别覆盖在Ta4四面体中的两个面上方. ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-/0} $团簇是一个缺角立方体结构. ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_4^{-/0} $团簇则是近似立方体结构, 可以看成是α-TaC面心立方晶体的最小晶胞单元. 分子轨道分析结果显示${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-} $团簇的单电子最高占据轨道主要布居在单个钽原子周围, 导致${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-} $团簇的垂直脱附能明显低于其相邻团簇. 理论研究显示随着碳原子数目的增加, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-/0} $ (n = 0—4)团簇中的钽-钽金属键逐渐被钽-碳共价键取代, 单原子结合能逐渐增加且明显高于${\rm{Ta}}_{4+n}^{-/0} $(n = 0—4)团簇. 中性Ta4C4的单原子结合能高达7.13 eV, 这说明钽-碳共价键的形成有利于提高材料的熔点, 这与碳化钽作为高温陶瓷材料的特性密切相关.
新型层状Bi2Se3的第一性原理研究
郭宇, 周思, 赵纪军
2021, 70 (2): 027102. doi: 10.7498/aps.70.20201434
摘要 +
近年来, 在石墨烯研究热潮的推动下, 众多种类丰富、性能各异的二维化合物材料相继被发现, 其中一些二维材料具有多种同素异构体, 进而呈现出更丰富的性质. 层状Bi2Se3由于其独特的物理性质, 受到人们广泛的关注, 而它的同素异构体尚未有人研究. 本文采用基于密度泛函理论的结构搜索方法, 预测了一个稳定的β-Bi2Se3新相, 它具有良好的动力学和热力学稳定性, 并在低Bi2Se3源化学势条件下容易形成. 单层β-Bi2Se3是一个直接带隙为2.44 eV的二维半导体, 其电子载流子有效质量低至0.52m0, 在可见光范围内具有高达105 cm–1的光吸收系数, 并且能带边缘位置适中, 可用于光催化水分解制氢气. 此外, 由于β-Bi2Se3在垂直层面方向的镜面对称性破缺, 能够产生面外极化强度, 具有0.58 pm/V的面外压电系数. 鉴于其新颖的电子特性, 二维β-Bi2Se3在未来的电子器件中可能发挥重要的作用.
特邀综述

编辑推荐

磁场中拓扑物态的量子输运
强晓斌, 卢海舟
2021, 70 (2): 027201. doi: 10.7498/aps.70.20200914
摘要 +
拓扑物态包括拓扑绝缘体、拓扑半金属以及拓扑超导体. 拓扑物态奇异的能带结构以及受拓扑保护的新奇表面态, 使其具有了独特的输运性质. 拓扑半金属作为物质的一种三维拓扑态具有无能隙的准粒子激发, 根据导带和价带的接触类型分为外尔半金属、狄拉克半金属和节线半金属. 本文以拓扑半金属为主回顾了在磁场下拓扑物态中量子输运的最新工作, 在不同的磁场范围内分别给出了描述拓扑物态输运行为的主要理论.
综述
光栅局域调控二维光电探测器
雷挺, 吕伟明, 吕文星, 崔博垚, 胡瑞, 时文华, 曾中明
2021, 70 (2): 027801. doi: 10.7498/aps.70.20201325
摘要 +
近年来, 二维材料独特的物理、化学和电子特性受到了越来越多的科研人员的关注. 特别是石墨烯、黑磷和过渡金属硫化物等二维材料具有优良的光电性能和输运性质, 使其在下一代光电子器件领域具有广阔的应用前景. 本文将主要介绍二维材料在光电探测领域上的应用优势, 概述光电探测器的基本原理和参数指标, 重点探讨光栅效应与传统光电导效应的区别, 以及提高光增益和光响应度的原因和特性, 进而回顾光栅局域调控在光电探测器中的最新进展及应用, 最后总结该类光电探测器面临的问题及对未来方向的展望.
界面修饰对有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池性能的影响
姬超, 梁春军, 由芳田, 何志群
2021, 70 (2): 028402. doi: 10.7498/aps.70.20201222
摘要 +
作为近些年来最耀眼的明星材料之一, 钙钛矿以其优异独特的光电特性成功吸引研究人员的广泛关注. 自2009年报道了第一篇光电转换效率为3.8%的钙钛矿电池, 到现在短短10年期间效率已经突破25.2%,几乎可以与商用多晶硅电池媲美. 尽管其制备过程简单, 但在薄膜的形成过程中很容易引入大量的缺陷. 缺陷的存在会加速载流子的复合, 阻碍载流子传输通道, 不利于制备高效率的钙钛矿太阳能电池; 同时也会影响钙钛矿电池工作的长期稳定性, 加速材料的降解, 阻碍了钙钛矿太阳能电池进一步商业化发展. 因此, 理解缺陷的存在机制并有效地抑制缺陷产生, 对制备高性能长寿命器件至关重要. 而界面修饰作为一种有效的钝化缺陷方法之一, 已经被广泛使用. 本文讨论了不同结构电池器件的缺陷产生位置及对器件性能的影响. 分别从载流子传输层钝化策略和钙钛矿界面修饰策略入手, 分析了常用的传输层/钙钛矿界面钝化缺陷的机制, 指出了钝化策略发展的巨大优势, 并对合适的钝化材料进行分类, 希望能够对高重复性、高光电转换效率、长期工作稳定的钙钛矿太阳能电池发展提供有益的指导.
总论
基于光前置放大器的量子密钥分发融合经典通信方案
钟海, 叶炜, 吴晓东, 郭迎
2021, 70 (2): 020301. doi: 10.7498/aps.70.20200855
摘要 +
量子密钥分发融合经典通信方案将连续变量量子密钥分发和经典通信合并到了一起, 为将来在现有的光网络上同时进行密钥分发和经典通信提供了一个有效的方法. 然而, 在量子信号上叠加一个经典信号将会给连续变量量子密钥分发系统引入过噪声从而大大降低系统的性能. 本文提出基于光前置放大器的量子密钥分发融合经典通信方案, 即在接收端插入光前置放大器来提升系统的性能. 首先, 在相同比特误码率条件下, 光前置放大器对信号的放大能够降低对发送端经典信号调制振幅的要求, 从而降低经典信号对量子信号的噪声影响; 其次, 光前置放大器能够补偿接收端探测器的不完美; 再次, 对于本地本振光的情形, 放大器还能放大弱相位参考脉冲, 从而降低参考脉冲散粒噪声带来的相位过噪声. 在实际可达到的系统参数下, 数值仿真结果表明本文提出的方案相比于原方案在安全密钥率和传输距离上都有很好的提升. 这些结果表明本方案为量子密钥分发融合经典通信方案的进一步发展和实际应用提供了一个十分有效而实用的方法.
一种单相H桥光伏逆变器混沌控制方法
龚仁喜, 尹志红
2021, 70 (2): 020501. doi: 10.7498/aps.70.20200982
摘要 +
比例积分调节单相H桥光伏逆变器存在复杂的分岔与混沌等非线性行为, 这些非线性行为会大大增加输出电流的谐波含量, 降低系统运行的稳定性与供电可靠性. 现有的混沌控制方法存在建模复杂、控制系数难以确定等问题. 针对于此, 本文提出了一种改进指数延迟反馈控制方法. 该方法首先利用系统输出电流与其自身延迟的差值形成反馈信号, 然后将该反馈信号通过指数环节、作差环节和比例环节得到控制信号, 并将该控制信号以反馈的形式施加于被控系统, 同时建立系统的离散映射模型并求取系统雅克比矩阵表达式; 最后基于稳定判据推导出该控制信号的反馈控制系数的限定条件并实施对系统的控制. 为了验证该方法的控制效果, 进行了大量的仿真实验. 结果表明, 该方法能有效抑制系统中的混沌行为, 大大扩展系统稳定运行域.
核物理学
考虑磁透镜边缘场的质子成像系统优化设计
陈锋, 郝建红, 许海波
2021, 70 (2): 022901. doi: 10.7498/aps.70.20201141
摘要 +
高能质子照相系统由四极磁透镜和准直器组成, 实际透镜的边缘场将影响成像系统的性能. 本文将含边缘场的磁场梯度用贝尔函数近似, 提出了一种含边缘场的成像系统优化方法. 通过Geant 4程序模拟了能量为1.6 GeV的质子成像系统, 并通过优化方法给出了考虑边缘场的优化后的系统参数. 研究了考虑边缘场时的成像系统参数对准直器孔径的影响. 通过对比理想成像系统和优化前后的成像系统在使用准直器时的客体通量分布, 研究了边缘场对质子通过客体的通量影响. 结果表明, 优化后的成像系统可以减小质子通过客体后的通量误差, 并且积分差值在10–2量级时, 准直器的孔径参数变化亦在10–2量级.
原子和分子物理学
近Bohr速度I20+离子在不同靶面上的L壳层X射线辐射
周贤明, 尉静, 程锐, 赵永涛, 曾利霞, 梅策香, 梁昌慧, 李耀宗, 张小安, 肖国青
2021, 70 (2): 023201. doi: 10.7498/aps.70.20201236
摘要 +
在兰州重离子加速器国家实验室, 利用硅漂移X射线探测器探测了4.5 MeV I20+离子入射到Fe, Co, Ni, Cu, Zn靶表面时产生I的L壳层X射线. 实验观察到Lι, Lα1, 2, Lβ1, 3, 4, Lβ2, 15, Lγ1, Lγ2, 3, 4, 4' 等6组分辨较好的谱线, 各分支X射线的能量发生了蓝移; Lβ1, 3, 4, Lβ2, 15与Lα1, 2谱线的相对强度比随靶原子序数的增大基本线性增加, Lι与Lα1, 2, Lγ2, 3, 4, 4' 与Lγ1 X射线的相对强度比近似与靶原子序数的平方成正比. 分析表明, 玻尔速度附近能量的低速高电荷态离子与固体靶原子碰撞产生的内壳层过程存在直接库仑电离和电子俘获的双重综合作用, 这使得内壳层X射线发射时, 外壳层仍存在多个空穴, 导致辐射X射线的频移和分支比的变化.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
金属纳米颗粒二聚体阵列的消光截面
殷澄, 陆成杰, 笪婧, 张瑞耕, 阚雪芬, 韩庆邦, 许田
2021, 70 (2): 024201. doi: 10.7498/aps.70.20200964
摘要 +
相比单粒子阵列, 金属纳米颗粒的二聚体阵列的共振效应受更多因素的影响, 包括阵列的组成方式、二聚体的结构和朝向、粒子的形状、大小等, 因此具有更好的可调性. 本文基于修正长波近似法, 通过引入两种粒子之间的阵列因子矩阵, 修正了两种粒子的极化率, 从而得到了二聚体阵列的消光截面的解析公式. 在此基础上, 讨论了整个阵列在不同偏振光激发下的共振的调制和偏振特性.
深海不完整声道下反转点会聚区研究
朴胜春, 栗子洋, 王笑寒, 张明辉
2021, 70 (2): 024301. doi: 10.7498/aps.70.20201375
摘要 +
近期南海远程声传播实验数据的处理分析表明在深海不完整声道中声道轴以下存在一种会聚区, 该会聚区相比于海面附近的上反转点会聚区在远距离处具有更高的会聚增益. 本文利用射线简正波理论确定了水中反转型焦散线和海面反射型焦散线位置, 对比发现实验中观测到的深海大深度会聚区位置与水中反转型焦散线位置一致, 证明该会聚区是由大量简正波同相叠加形成的下反转点会聚区, 其在深海声道轴以下的一定深度范围内都具有会聚效应, 研究了该会聚区的形成条件以及声源深度变化对会聚区焦散结构的影响, 对比了远距离处上下反转点会聚区的传播损失以及会聚区宽度, 分析表明第七个下反转点会聚区的会聚增益仍不小于10 dB, 研究了声速垂直结构变化对下反转点会聚区的影响, 理论分析结果与实验数据吻合较好.
表象变换和久期微扰理论在耦合杜芬方程中的应用
李朝刚, 汪茂胜, 方泉, 彭雪城, 黄万霞
2021, 70 (2): 024601. doi: 10.7498/aps.70.20201057
摘要 +
本文通过对耦合杜芬方程线性项的表象变换及非线性项的久期微扰理论的应用, 将耦合杜芬方程转化为简正表象下的退耦合形式, 由此可以很方便地得出耦合杜芬方程的解. 为了验证该方法的正确性, 设计了音叉耦合实验, 观测到了振幅谱谱峰的劈裂以及“振滞回线”现象, 这些实验结果都可以和之前所得的理论结果符合得很好. 本文求解耦合非线性方程的方法, 为灵活运用非线性理论提供一种方案, 同时可以推广到光、电等耦合体系, 对理解耦合体系的动力学行为具有一定的指导意义.
基于电致伸缩效应的水中纳秒脉冲放电起始机制
李元, 李林波, 温嘉烨, 倪正全, 张冠军
2021, 70 (2): 024701. doi: 10.7498/aps.70.20201048
摘要 +
水中纳秒脉冲放电的起始阶段包含了丰富的物理过程, 现有实验诊断技术在揭示数纳秒内液体中电荷输运、倍增过程方面还有不少困难, 放电起始的机制尚不明确. 本文建立了针板电极二维轴对称水中放电物理模型, 仿真研究纳秒脉冲导致的水中电致伸缩效应、空化过程和随后的液体电离过程. 结果表明, 在纳秒脉冲电压作用下, 电致伸缩效应可导致针尖附近数微米区域内的液体发生空化, 形成大量纳米尺度的空腔; 空腔在其表面电致伸缩压强的作用下膨胀, 为电子提供了加速空间; 高能电子可引发水分子的碰撞电离, 使局域液体被快速电离. 电致伸缩机制为理解水中纳秒脉冲放电的起始过程提供了新的视角.
气体-表面相互作用中动量和能量分量间转化机制的分子动力学研究
于航, 张冉, 杨帆, 李桦
2021, 70 (2): 024702. doi: 10.7498/aps.70.20201192
摘要 +
$ 5^{\circ}$的极角入射时, 分子的法向速度分量占主导因素, 在与壁面发生碰撞之后, 分子的切向和法向动量都会损失, 法向动能会向切向转移, 并且当分子速度不低于2.0时, 切向和法向动能的比值会稳定在一个很小的区间, 而粗糙度对动量和能量转化的影响不明显. 与小角度入射时不同, 当气体分子以$ 75^{\circ} $的极角与金属表面碰撞时, 粗糙度的影响就不能再被忽略了. 大极角入射的气体分子在光滑壁面散射之后, 其运动规律基本符合Maxwell所假设的镜面反射, 动量和能量分量的变化都不明显. 而粗糙度的引入则会促进气体分子切向动量和能量向法向转移, 并且会使分子总能量的损失更加显著.">气体分子与壁面之间的相互作用是影响稀薄气体流动状态的主要因素, 但是由于其物理上的复杂性和微观性, 这一过程的机理并没有得到充分揭示. 本文利用分子束法对Ar分子在金属Pt表面的碰撞过程进行了分子动力学模拟, 并探究了入射速度、角度和壁面粗糙度对动量、能量转化机制的影响. 结果表明, 当气体分子以$ 5^{\circ}$的极角入射时, 分子的法向速度分量占主导因素, 在与壁面发生碰撞之后, 分子的切向和法向动量都会损失, 法向动能会向切向转移, 并且当分子速度不低于2.0时, 切向和法向动能的比值会稳定在一个很小的区间, 而粗糙度对动量和能量转化的影响不明显. 与小角度入射时不同, 当气体分子以$ 75^{\circ} $的极角与金属表面碰撞时, 粗糙度的影响就不能再被忽略了. 大极角入射的气体分子在光滑壁面散射之后, 其运动规律基本符合Maxwell所假设的镜面反射, 动量和能量分量的变化都不明显. 而粗糙度的引入则会促进气体分子切向动量和能量向法向转移, 并且会使分子总能量的损失更加显著.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Li(Na)AuS体系拓扑绝缘体材料的能带结构
许佳玲, 贾利云, 刘超, 吴佺, 赵领军, 马丽, 侯登录
2021, 70 (2): 027101. doi: 10.7498/aps.70.20200885
摘要 +
在拓扑领域中发现可以通过大数据搜索拓扑绝缘体, 使得此领域对材料的探索转变为对材料性质的研究. 半Heusler合金体系是非平庸拓扑绝缘体材料的重要载体. 通过全势线性缀加平面波方法计算Li(Na)AuS体系拓扑绝缘体材料的能带结构. 采用各种关联泛函计算LiAuS的平衡晶格常数, 发现得到的能带图均为具有反带结构的拓扑绝缘体, 而且打开了自然带隙. 较小的单轴应力破坏立方结构后也破坏了此类拓扑绝缘体的自然带隙, 通过施加单轴拉应力直到四方结构的平衡位置时, 系统带隙值约为0.2 eV, 这与立方结构平衡位置得到的带隙结果一致. 运用同族元素替代的手段, 实现了在保证材料拓扑绝缘体性质的同时, 不改变立方结构, 在体系的平衡晶格常数下使得材料的带隙打开, 从而提高了实验合成拓扑绝缘体材料的可行性.
耐高温CrAlON基太阳能光谱选择性吸收涂层的制备与热稳定性
王晓波, 李克伟, 高丽娟, 程旭东, 蒋蓉
2021, 70 (2): 027103. doi: 10.7498/aps.70.20200845
摘要 +
光谱选择性吸收涂层是太阳能光-热利用技术的核心部件, 直接决定着整个系统的转换效率, 为了提高涂层的选择吸收性和热稳定性, 本文提出以金属氮化物替代金属纳米颗粒, 构建纳米晶-非晶异质结构的思路, 并采用多弧离子镀制备了Cr/CrAlN/CrAlON/CrAlN/CrAlON/CrAlO多吸收层光谱选择性吸收涂层, 其吸收率达0.90, 发射率为0.15, 而且在500 ℃、大气条件下时效220 h后, 涂层的吸收率升至0.94, 发射率则降至0.10, 并且能够保持稳定1000 h以上. 微观组织分析表明, 高温时效处理后, 吸收层发生部分晶化形成了大量氮化物纳米颗粒, 增加了对太阳光的散射和吸收, 而CrAlO减反射层中的部分晶化形成了Al2O3和Cr2O3纳米颗粒, 这不仅可以保护内部涂层不被氧化, 而且Al2O3的形成可以增加太阳光的透过率, 减少涂层表面反射, 是多吸收层CrAlON基光谱选择性吸收涂层选择吸收性能提高的主要原因. 同时, 氮化物纳米颗粒被非晶基体均匀地分隔开来, 形成了纳米晶-非晶异质结构, 非晶在高温时效处理过程中只发生结构弛豫, 从而有效地抑制了高温条件下的原子扩散, 保证涂层中的纳米颗粒在高温下不发生明显团聚, 这是多吸收层CrAlON基涂层具有良好热稳定性的最主要原因. 这些研究结果对提高金属陶瓷光谱选择性吸收涂层的综合性能, 实现更高效率的太阳能光-热利用具有重大意义.
基于复合超构表面的宽带圆极化双功能器件设计
李海鹏, 吴潇, 丁海洋, 辛可为, 王光明
2021, 70 (2): 027803. doi: 10.7498/aps.70.20201150
摘要 +
多功能器件的设计是推动新一代电磁系统发展的重要力量, 而超构表面因其对电磁波的幅度、相位和极化等特性的灵活调控在多功能器件领域备受关注. 传统的多功能超构表面是利用各向异性单元对相互正交的线极化波具有不同响应的特性, 从而设计出适用于线极化的多功能器件. 本文提出了一种缝隙加载的环I形复合超构表面单元, 通过单元臂长和旋转角度的调整实现了对圆极化电磁波传输和几何相位的独立控制. 利用上述两种相位的共同作用, 打破了左旋和右旋圆极化电磁波操控中存在的固有关系, 为圆极化双功能器件的设计提供了新的思路. 在此基础上, 利用复合超构表面分别设计了异面偏折器和定向/涡旋光束产生器, 实验结果表明, 本文设计的两种反射型圆极化双功能器件在9—13 GHz的宽频带范围内均能良好工作.
吸收波长和吸收效率可控的超材料吸收器
江孝伟, 武华
2021, 70 (2): 027804. doi: 10.7498/aps.70.20201173
摘要 +
为了使超材料完美吸收器(metamaterial perfect absorber, MPA)能够同时实现吸收效率和吸收波长的控制, 本文提出利用二氧化钒(VO2)和石墨烯作为MPA的材料, 通过对MPA的结构设计, 在红外波段实现了高吸收, 吸收效率最高可达99%. 研究发现通过改变VO2的温度和石墨烯的化学势, 可同时实现MPA吸收效率和吸收波长的控制, 吸收效率调制深度和吸收波长调谐范围分别可达97.08%和3.2 μm. 通过对MPA在吸收波长处的磁场分布分析可以得出, MPA能够产生高吸收是由于其形成了法布里-帕罗(Fabry-Pérot, FP) 干涉腔共振, 研究发现MPA的结构参数对FP腔的共振波长具有显著的影响.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
非高斯冲激干扰下基于Softplus函数的核自适应滤波算法
火元莲, 王丹凤, 龙小强, 连培君, 齐永锋
2021, 70 (2): 028401. doi: 10.7498/aps.70.20200954
摘要 +
针对非高斯环境下一般自适应滤波算法性能严重下降问题, 本文提出了一种基于Softplus函数的核分式低次幂自适应滤波算法(kernel fractional lower algorithm based on Softplus function, SP-KFLP), 该算法将Softplus函数与核分式低次幂准则相结合, 利用输出误差的非线性饱和特性通过随机梯度下降法更新权重. 一方面利用Softplus函数的特点在保证了SP-KFLP算法具有良好的抗脉冲干扰性能的同时提高了其收敛速度; 另一方面将低次幂误差的倒数作为权重向量更新公式的系数, 利用误差突增使得权重向量不更新的方法来抵制冲激噪声, 并对其均方收敛性进行了分析. 在系统辨识环境下的仿真表明, 该算法很好地兼顾了收敛速度和跟踪性能稳定误差的矛盾, 在收敛速度和抗脉冲干扰鲁棒性方面优于核最小均方误差算法、核分式低次幂算法和S型核分式低次幂自适应滤波算法.
基于二维六方氮化硼材料的光子晶体非对称传输异质结构设计
武敏, 费宏明, 林瀚, 赵晓丹, 杨毅彪, 陈智辉
2021, 70 (2): 028501. doi: 10.7498/aps.70.20200741
摘要 +
二维六方氮化硼(hexagonal boron nitride, hBN)材料在产生光学稳定的超亮量子单光子光源领域有着潜在应用, 有望用于量子计算和信息处理平台, 已成为研究热点. 而光学非对称传输设备是集成量子计算芯片中的关键器件之一. 本文从理论上提出了一种基于hBN材料光子晶体异质结构的纳米光子学非对称光传输器件. 运用平面波展开法研究了光子晶体的能带结构与等频特性, 从理论上分析了hBN异质结构中可见光波非对称传输的可行性. 同时, 采用时域有限差分方法研究了可见光波段异质结构的晶格常数和半径对透射光谱的影响. 研究结果显示, 该结构实现了在610—684 nm波长范围内TE偏振光的非对称传输, 在652 nm波长处正向透射率达到0.65, 反向透射率为0.006, 非对称传输透射对比度高达0.98. 本文提出的结构模型为基于hBN的新型纳米光子器件设计提供了新的可能性, 可用于不同功能光学器件的集成设计.
免分析光栅一次曝光相位衬度成像方法
姚春霞, 何其利, 张锦, 付天宇, 吴朝, 王山峰, 黄万霞, 袁清习, 刘鹏, 王研, 张凯
2021, 70 (2): 028701. doi: 10.7498/aps.70.20201170
摘要 +
X射线光栅微分相位衬度成像技术可以观察到常规吸收衬度成像难以分辨的弱吸收物质的精细结构信息, 因而在医学、材料学等研究领域具有巨大的应用前景. 但传统的X射线光栅微分相位衬度成像技术由于采用分析光栅作为空间滤波器, 需要采用相位步进法扫描分析光栅来获得样品的多张投影图像才能够分离出样品的吸收、折射和散射信息, 因此存在样品曝光时间长、辐射剂量高以及X射线光通量利用率低等问题, 限制了其在各个学科领域的应用研究. 为克服上述问题, 本文提出一种基于免分析光栅相位衬度成像系统的一次曝光样品信息提取算法. 该算法只需要利用一块相位光栅, 进而采用高分辨探测器进行样品投影数据的一次采集即可提取样品的吸收、折射和散射信息. 理论和模拟研究结果表明: 与传统相位步进法相比, 该算法具有样品信息提取精度高, 且不受光栅的自成像周期需为探测器像素尺寸的整数倍条件的限制. 此外, 该算法还能够有效地减少对生物样品的辐射损伤, 因此在生物医学成像等研究领域中具有广泛的应用前景.