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CrO2单层:一种兼具高居里温度和半金属特性的二维铁磁体
刘冰心, 李宗良
摘要 +
半金属铁磁体在费米能级附近具有特殊的能带结构,电子极化率可高达100%,在自旋电子学领域备受关注。但是大部分铁磁半金属材料的居里温度远低于室温,这大大限制了二维铁磁半金属材料的实际应用。因此寻找具有高居里温度的半金属铁磁体是一项具有挑战性的工作。本文基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法,研究了过渡金属氧化物CrO2单层的晶体结构、电子特性、基态磁性和铁磁相变。形成能计算、声子谱计算和分子动力学模拟表明CrO2具有动力学稳定性和热稳定性,弹性常数计算表明CrO2具有力学稳定性。基于GGA + U和SCAN方法的自旋极化计算表明CrO2单层的磁基态是铁磁态。采用GGA + U方法计算了CrO2的电子态密度和能带结构,CrO2被确认为一种宽带隙的二维铁磁半金属。运用蒙特卡罗模拟方法求解Heisenberg模型,得到CrO2单层是一种居里温度超过400 K的二维本征半金属铁磁体。CrO2单层的高居里温度在二维铁磁材料中并不多见,在半金属材料中更为稀少,这将使它成为制备自旋电子器件和研究自旋量子效应的理想材料。
脉冲大电流直线驱动装置电-磁-热-结构多场耦合的局域建模方法
孙建, 王秋良, 程军胜, 熊玲, 丛源涛, 王贺阳
摘要 +
脉冲大电流直线驱动装置运行过程中产生的极端工况导致多种损伤形式。为了研究多场耦合过程并分析多物理参量作用机理,建立了动态下的电磁场、温度场、结构场数学物理模型。利用轨道反向运动及接触远端物理量渐进平移不变的特性进行局域求解。模型还考虑了材料属性温度依赖性,热应力,接触面摩擦热等实际因素。各个物理场采用同一套网格体系,电磁场以及温度场的有限元离散格式采用欧拉向后差分形式求解,结构场则采用Newmark法进行求解,完成多场耦合下的数值模拟。通过与数值工具EMAP3D、Comsol在相同模型和输入条件下的计算结果以及相关实验比较,验证了该模型的可靠性。本文采用一种C型电枢进行案例计算,得到了多参量的典型演化过程,并对速度趋肤效应下的场分布进行了讨论。
原子层沉积金属氧化物缓冲层制备高性能大面积钙钛矿太阳电池
瞿子涵, 赵洋, 马飞, 游经碧
摘要 +
研制具有较大活性面积的钙钛矿太阳电池对领域面向产业化的发展具有重要意义。当前,大面积钙钛矿太阳电池的性能与小面积钙钛矿太阳电池之间仍存在较大差距。本文通过提出一种在透明导电薄膜衬底上预先原子层沉积TiO2薄层的策略,有效避免了衬底局部突起与钙钛矿吸光层直接接触导致的漏电现象,提升了小面积器件制备工艺的重复一致性。改善的电子输运和光管理过程也提高了小面积器件的效率。更重要的是,本文基于原子层沉积的TiO2开展了0.5 cm2大面积钙钛矿太阳电池的研究,通过优化TiO2层的厚度,研制出光电转换效率高达24.8%的冠军器件(第三方认证效率24.65%),器件的制备工艺也表现出较好的重复性。此外,原子层沉积了TiO2缓冲层的电池器件在氮气氛围下存储1500小时后仍然能够保留初始性能的95%以上。总之,在粗糙衬底上预先原子层沉积TiO2薄层可以有效抑制局部漏电通道的产生,有利于制备高性能的大面积钙钛矿太阳电池。
电缆绝缘材料交联聚乙烯的老化及寿命调控
王江琼, 李维康, 张文业, 万宝全, 查俊伟
摘要 +
交联聚乙烯(XLPE)因其优异的力学性能和绝缘性能广泛应用于电力电缆领域中。但在高压电缆的运行过程中XLPE不可避免会受到电老化、热老化和电-热联合老化的影响,使得材料的性能和寿命下降,因此需要对XLPE的老化性能和使用寿命进行调控。本文介绍了XLPE的结构特性和交联机理,系统分析了其老化过程及影响机制,并概述了接枝、共混和纳米粒子改性等调控策略,同时基于寿命评估模型探究了XLPE因老化而导致的寿命衰减问题。最后,展望了调控XLPE电缆绝缘材料使用寿命策略的未来方向,为XLPE电缆绝缘材料的进一步改进和长期稳定运行提供了理论指导。
低杂波注入对剥离气球模的作用研究
樊浩, 陈少永, 牟茂淋, 刘泰齐, 张业民, 唐昌建
摘要 +
本文基于BOUT++代码研究了托卡马克高约束模等离子体中低杂波(LHW)注入对边缘台基区剥离气球模(P-B模)线性和非线性特性的影响. 模拟中分别考虑了LHW驱动的常规主等离子体电流和刮削层螺旋电流丝(HCF)产生三维扰动磁场对P-B模的作用. 线性结果表明, LHW驱动的主等离子体电流通过降低平衡的归一化压强梯度和磁剪切, 使得线性环向模谱整体向高模数和低增长率的方向移动. 非线性模拟表明, 由于线性模谱的展宽, LHW驱动的主等离子体电流可以通过对P-B模不同模式有一个整体的抑制来降低边缘局域模(ELM)造成的台基能量损失; LHW驱动HCF产生的三维扰动磁场可以通过增强不同模式之间的耦合, 促进主模之外的其他模式增长来降低ELM造成的能量损失. 研究发现, HCF产生的三维扰动磁场促进增长的P-B模式集中在较高模数, 当P-B模的主导模式远离此模数区间, ELM能量损失降低更明显. 研究结果有助于深入理解LHW控制ELM实验中的物理机制.
二维硼结构中条带状空位长程有序分布的理论研究
徐诗涵, 何长春, 杨小宝
摘要 +
在二维硼结构中,有序分布的高浓度空位可以增强其结构的稳定性,并对材料性能的影响显著。根据最近的实验进展,本文重点关注二维硼结构中空位呈条带状分布的体系,提出有效模型系统研究结构稳定性随空位分布的变化。结合第一性原理计算结果,对空位不同近邻作用参数进行拟合,预测了不同空位浓度的稳定结构,发现在该体系中空位不同近邻存在竞争,导致长周期分布的趋势,揭示了不同近邻作用的相互竞争导致长周期结构稳定存在的关键机制。
F+CHD3→HF+CD3反应C-H伸缩振动激发的量子动力学研究
周勇
摘要 +
对多原子化学反应进行精确的理论模拟研究, 是当前量子动力学领域的重要挑战之一. 本文运用七维的量子含时波包方法, 对反应物振动基态和C-H伸缩振动第一激发态的F+CHD3反应进行了动力学研究. 文章分析了不同振动态条件下的反应几率, 发现当碰撞能低于0.06 eV时反应几率曲线均表现出许多剧烈的振荡峰, 支持实验上所推测的动力学共振现象. 当碰撞能介于0.06至0.3 eV之间时, 振动激发态反应中HF产物通道的反应几率低于振动基态反应, 与实验观测结果一致. 模拟发现:相比于振动基态的情况, 低能碰撞时C-H伸缩振动激发态反应的非含时波函数在过渡态区域更倾向于靠近D原子一侧, 并将这一现象归结为振动激发态势能面在大碰撞角区域更显著的能量优势, 解释了伸缩振动激发对HF产物通道的抑制作用. 本研究为实验结果的解释提供了重要的理论支持, 有助于更深入的理解多原子反应中振动模式激发对动力学过程的影响.
超晶格插入层对InGaN/GaN多量子阱的应变调制作用
曹文彧, 张雅婷, 魏彦锋, 朱丽娟, 徐可, 颜家圣, 周书星, 胡晓东
摘要 +
在InGaN/GaN异质结构量子阱内存在巨大的压电极化场, 这严重地削弱了量子阱的发光效率. 为了减弱量子阱内的压电极化场, 通常引入应变调制插入层提升器件的发光性能. 为了研究InGaN/GaN超晶格的应变调制效果和机理, 实验设计制备了具有n型InGaN/GaN超晶格插入层的外延结构及其对照样品. 变温光致发光谱测试表明引入n型InGaN/GaN超晶格插入层的样品发光波长更短且内量子效率提升, 相应的电致发光谱积分强度也显著增加且半宽减小, 说明引入超晶格应变插入层可以在一定程度上抑制影响发光效率的量子限制Stark效应. 理论计算结果表明: 在生长有源区量子阱前引入超晶格应变层, 可以削弱有源区量子阱内极化内建电场, 减弱有源区量子阱能带倾斜, 增加电子空穴波函数交叠, 提高发射几率, 缩短辐射复合寿命, 有利于辐射复合与非辐射复合的竞争, 实现更高的复合效率, 从而提高发光强度. 本文从实验和理论两方面验证了超晶格应变调制插入层可以有效改善器件性能, 为器件的结构设计优化指明方向.
基于神经网络的粒子输运问题高效计算方法
马锐垚, 王鑫, 李树, 勇珩, 上官丹骅
摘要 +
蒙特卡罗方法是求解粒子输运问题的有力工具之一, 其局限性在于为达到精度要求需模拟大量粒子, 计算耗时长, 这阻碍了该方法的进一步应用, 尤其在需快速响应的情形. 本文结合神经网络和若干蒙特卡罗方法基本原理发展了一种计算方法, 能够实现源分布可变, 几何、材料和目标计数不变的中子输运问题的快速准确求解. 首先, 为高效生成用于神经网络训练的数据, 利用重要性原理实现在同样模拟次数基础上有效扩充训练数据集容量, 在一定程度上克服了使用蒙特卡罗计算获取训练数据耗时长的缺点. 进而, 基于目标计数是源分布与重要性函数乘积积分的事实, 设计了利用神经网络实现快速输运计算的策略. 该网络的输入是中子源项, 输出是目标计数, 在几何、材料和目标计数固定的情况下, 该神经网络可重复使用, 根据新的源项快速准确得到目标计数. 本文所提出方法的原理和框架同样适用于其他种类粒子的同类型输运问题. 基于若干基准模型的验证表明, 训练得到的神经网络能在不到1 s的时间内得到目标计数, 且与蒙特卡罗大样本模拟得到基准结果的平均相对偏差均低于5%.
随机两体耗散所诱导的非厄米多体局域化
刘敬鹄, 徐志浩
摘要 +
本文数值研究了在一维非厄米的硬核玻色模型中由随机两体耗散所诱导的非厄米多体局域化现象. 随着无序强度的增强, 系统的能谱统计分布从AI对称类向二维泊松系综过渡, 多体本征态的归一化参与率展示了从有限值到接近零的转变, 半链纠缠熵服从体积率到面积率的转变, 动力学半链纠缠熵表现为从线性增长到对数增长的转变. 数值结果表明了在该模型中由随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象的鲁棒性. 该研究结果为非厄米系统中多体局域化的研究提供了新的视角.
正电子湮没符合多普勒展宽技术的材料学研究进展
叶凤娇, 张鹏, 张红强, 况鹏, 于润升, 王宝义, 曹兴忠
摘要 +
正电子湮没技术是研究材料微观结构的一种原子尺度表征方法, 通过分析正电子湮没行为可以得到湮没位点处局域电子密度和原子结构信息. 近年来, 正电子湮没谱学技术已经发展成为优于常规手段的特色表征技术, 其中符合多普勒展宽技术在研究缺陷附近的电子和原子结构方面具有独特优势, 商谱曲线中高动量区域形状的变化反映了正电子湮没位点周围的元素信息. 在常规符合多普勒展宽技术发展基础上, 能量可调的慢正电子束流符合多普勒展宽技术在获取表面微观结构的深度分布信息上展示出独特的作用, 同时也弥补了常规符合多普勒展宽技术只能表征体材料中缺陷环境的不足. 本文结合国内外相关进展, 综述了符合多普勒展宽技术在各类材料中的研究进展: 1)合金中空位型缺陷和纳米沉淀的演化行为; 2) 半导体中晶格空位与杂质原子的相互作用; 3)氧化物中氧空位和金属阳离子浓度的变化. 除此之外, 在聚合物中自由体积孔洞的大小、数量及分布的估算表征领域中, 符合多普勒展宽技术也逐步得到应用.
二维旋转谐振子势中单粒子的跳频压缩及演化
王渝, 吴艺豪, 李易璞, 卢凯翔, 伊天成, 张云波
摘要 +
本文主要研究二维旋转谐振子势中单粒子的动力学行为, 通过跳频的方式分析该粒子的压缩演化过程, 并分析了相应的物理机制. 一方面, 研究跳频过程对回旋半径模式的压缩演化, 通过选择适当的跳频时刻, 分析跳频过程对压缩的影响. 研究表明, 回旋半径坐标的压缩程度并未在跳频时刻发生改变, 但可在后续的演化中出现更强的压缩现象. 另一方面, 主要研究跳频过程中心导向模式的压缩演化. 通过参数的选择, 分析了两种压缩模式, 即发散模式和振荡模式的压缩及演化. 有趣的是, 在中心导向模式压缩中, 外势存在一个由旋转角速度决定的临界势阱纵横比. 压缩模式在此处发生突变, 且在振荡模式中, 势阱纵横比趋于该临界值时, 将出现明显的压缩.
金属Sc修饰Ti2CO2吸附气体分子的第一性原理研究
吴宇阳, 李卫, 任青颖, 李金泽, 许巍, 许杰
摘要 +
基于第一性原理计算研究了Ti2CO2和金属Sc修饰的Ti2CO2的几何结构和电子性质, 分析了不同有害气体(CO, NH3, NO, SO2, CH4, H2S)在这两种材料表面的吸附过程, 讨论了金属修饰对Ti2CO2MXene电子性能和气体吸附性能的影响. 计算结果表明, Sc原子位于空心位C原子上方的结构具有较大的结合能, 但小于固体Sc的内聚能实验值(3.90 eV), Sc原子可以有效避免成簇. 表面Sc金属为气体吸附提供了活性位点. 通过分析不同气体的最佳吸附点位、吸附能等参数, 分析金属Sc修饰的Ti2CO2对这些气体的吸附效果. 其中对SO2的吸附效果更好, 吸附能从–0.314 eV提升到–2.043 eV, 其他气体的吸附效果均有改善. 通过电荷转移、态密度和功函数等参数解释了其吸附能增加的原因. 由于在表面引入了新的原子, 增大了材料的载流子密度和载流子迁移率, 从而提高了材料表面的电荷转移, 为金属Sc修饰的Ti2CO2材料的气敏性能提供理论参考.
分子体系自由能地貌图的变分分析及AI算法实现
杜泊船, 田圃
摘要 +
精确描述复杂分子体系的自由能地貌图是理解和操控其行为, 并进一步实现分子设计制造工业化的重要基础. 刻画高维空间自由能地貌图的主要挑战是其往往在不同时空间尺度上具有多个层次, 每个层次都可能有不止一个亚稳态被相应的自由能垒分开, 且跨越路径有可能不止一条. 另外很多体系涉及非线性行为, 这使得理论解析和直接使用分子模拟都有很大困难. 针对这些挑战, 多年来研究者们发展了多种多样的增强采样方法, 但往往需要很多经验选择和操作, 从而一方面使得研究进程较为缓慢, 另一方面也让误差控制成为困难. 变分虽然在物理、统计和工程中已经被广泛应用并取得巨大成功, 但在复杂分子体系中的应用却随着神经网络的发展刚刚开始. 本文将对这些探索性工作的主要方向、进展和局限进行简要总结, 也对将来的可能发展给出展望, 希望能够激发更多对基于变分的分子体系自由能地貌图人工智能算法的关注和努力, 促进大分子药物、分子生物机器等实践应用的发展.
溶液法原位大面积制备钙钛矿光电薄膜成膜的同步辐射可视化结晶过程研究
杨迎国, 冯尚蕾, 李丽娜
摘要 +
溶液法是新型光电器件制备的重要手段, 然而以钙钛矿半导体材料为代表的薄膜样品制备通常需要在手套箱环境下完成, 传统的实验表征大多在空气环境下进行, 这显然很难反映薄膜结构与器件性能间的真实关联, 因此急需对溶液成膜过程的微结构演变开展原位实时研究. 为了实现溶液法成膜中的结构与形貌的同步辐射掠入射广角散射实时观测, 本文结合上海同步辐射光源线站布局, 报道了一种基于手套箱的原位成膜观测装置, 可实现标准手套箱环境(H2O, O2 < 1×10–6)下远程控制薄膜旋涂、涂布及样品后处理, 并实时可视化监测微结构和形貌演变. 基于该装置进行的钙钛矿薄膜狭缝涂布大面积成膜结晶过程的原位GIWAXS/GISAXS(grazing incidence wide and small angle X-ray scattering)可视化测试揭示了薄膜微结构转变的内在驱动力: 钙钛矿薄膜沉积界面层的优化对提升钙钛矿成核速率、诱导结晶择优取向、形成晶粒有序堆叠等具有“共性作用”, 同时在成膜过程中的新生中间相显著提升软晶格薄膜质量和稳定性. 基于卷对卷全溶液狭缝涂布方法制备的大面积全柔性3D钙钛矿薄膜太阳能电池转换效率提升至5.23%(单个器件面积约15 cm2), 为迄今报道的这一尺寸的全溶液狭缝涂布柔性钙钛矿器件的最高器件效率. 因而, 基于该同步辐射原位GIWAXS/GISAXS装置可以获得控制薄膜生长界面特性和薄膜品质的关键工艺, 指导优化制备薄膜的最佳工艺条件.
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