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X射线荧光CT成像中荧光产额、退激时间、散射、偏振等关键物理问题计算与分析
张芝振, 李亮, 等
摘要 +
X射线荧光CT(X-ray fluorescence computed tomography, XFCT)是一种使用X射线荧光(X-ray fluorescence, XRF)实现功能性成像的新技术, 在生物医学成像中表现出较大潜力. 但是, X射线穿过生物体的同时还会产生大量康普顿散射光子, 对XRF信号的采集形成很强的背景噪声; 因此, 如何有效消除康普顿散射噪声对于提高XFCT成像质量至关重要. 本文研究总结了XFCT成像过程中涉及的物理过程, 包括: 荧光的产额、退激发时间、荧光发射角分布、荧光偏振态、康普顿散射角分布与散射光偏振态, 并通过研究荧光与散射光物理性质的差异寻找去除康普顿散射噪声的方法. 经过物理过程推导和分析计算, 发现: 1) 高原子序数元素的K层荧光退激发时间极短, 在现有探测器的时间分辨率条件下, 无法分辨散射光与荧光; 2) K层发射荧光的角分布各向同性, 康普顿散射角分布在与入射光偏振方向附近取得最小值, 而且入射光线偏振度越高, 散射光的微分截面越小, 偏振光源将有利于减少康普顿散射噪声; 3) K层荧光线偏振度为零, 而康普顿散射光子在一些散射方向上具有一定线偏振度, 因此偏振态的差异可能用于降低康普顿散射噪声.
采用硫氰酸铵添加剂的高效天蓝色钙钛矿发光二极管
高九林, 连亚军, 杨晔, 李国庆, 杨晓晖, 等
摘要 +
金属卤化物钙钛矿发光器件具有可溶液加工、高发光效率和良好色纯度等诸多优良特性, 受到了广泛的关注, 但蓝色钙钛矿发光器件发光效率和光谱稳定性等方面的问题限制了钙钛矿材料在照明和显示领域的进一步发展. 本工作研究硫氰酸铵添加剂对准二维混合卤化物钙钛矿薄膜形貌、结晶度、光物理和电致发光特性的影响. 结果表明硫氰酸铵能有效钝化准二维混合卤化物钙钛矿薄膜的缺陷, 提高结晶度, 调节相分布, 从而改善其电荷传输特性和发光效率. 硫氰酸铵浓度为20%的准二维钙钛矿发光二极管的发光峰值波长位于486 nm处, 器件的最大外量子效率为5.83%, 最大亮度为1258 cd/m2, 分别比未添加硫氰酸铵的器件提升了6.7倍和3.6倍, 同时器件发光光谱稳定性和驱动稳定性也得到了明显的提升. 本研究为提高蓝色准二维混合卤化物钙钛矿发光二极管的特性提供了一种简单有效的方法.
超导纳米线单光子探测器光子响应机制研究进展
张彪, 陈奇, 管焰秋, 靳飞飞, 王昊, 张蜡宝, 涂学凑, 赵清源, 贾小氢, 康琳, 陈健, 吴培亨, 等
摘要 +
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)已在量子信息、深空激光通信、激光雷达等众多领域发挥了重要的作用, 虽然SNSPD经过二十年的研究, 但其光子响应本征机制还有待完善. 深入理解与厘清其光子响应过程是研发高性能探测器的前提与关键. 现在较为成熟的超导纳米线单光子探测器响应理论有热点模型和涡旋模型, 但是这两种理论都存在一定的缺陷, 前者存在截止波长, 后者存在尺寸效应, 都需要进一步完善. 超导相位滑移是超导体的内禀性耗散, 有望用于解释超导纳米线单光子探测器的光子响应过程, 形成统一完备的理论. 这三种模型是对SNSPD光子检测理解的不断深入: 热点模型是一种唯象模型, 研究电子-声子等准粒子体系的相互作用; 涡旋模型由Ginzburg–Landau方程和电磁学方程出发, 研究涡旋在超导体中的运动及其带来的超导态耗散; 相位滑移模型是基于量子力学的解释, 研究热扰动和宏观量子隧穿引发的超导态耗散. 本文综述了热点模型、涡旋模型和超导相位滑移的基本概念、发展历史和研究进展, 讨论和对比了这三种理论的特点和发展前景, 为超导纳米线单光子探测器光子检测理论研究提供参考和借鉴.
对钙钛矿CsPbX3的X光波段外光电效应的研究
黎宇坤, 董建军, 陈韬, 宋仔锋, 王强强, 邓克立, 邓博, 曹柱荣, 王峰, 等
摘要 +
钙钛矿材料CsPbX3作为新兴半导体材料, 具有X光吸收系数高、制备工艺简单等优点, 是一种优秀的X光光电探测材料. 为了探索CsPbX3在X光真空光电器件领域的应用前景, 对其在X光波段的外光电效应进行了研究. 制备了厚度为230 nm的CsPbI2Br薄膜样品, 并标定了其在2000—5500 eV的响应灵敏度和量子效率, 响应灵敏度达到5.1 × 10–5 A/W以上, 量子效率达到23%以上. 采用Monte-Carlo方法对CsPbI2Br的外光电效应灵敏度和量子效率进行了计算, 计算数据与标定数据的一致性较好, 表明Monte-Carlo方法适用于CsPbX3在X光波段外光电效应的模拟. 在此基础上计算了不同CsPbX3钙钛矿材料在X光波段的响应灵敏度和量子效率, 其计算值均接近于传统X光光电材料CsI, 表明CsPbX3是很有潜力的X光真空光电发射材料. 进一步对CsPbX3材料厚度与灵敏度的关系进行了研究, 其结果显示为获得最佳灵敏度, CsPbX3的厚度应不低于150 nm.
背电极材料、结构以及厚度等影响钙钛矿太阳能电池性能的研究
王剑涛, 肖文波, 夏情感, 吴华明, 李璠, 黄乐, 等
摘要 +
背电极是影响钙钛矿太阳电池性能的一个重要因素. 本文采用COMSOL软件仿真研究了背电极材料、结构、厚度对电池性能的影响规律. 发现相对于背电极金属的功函数, 其阻值对电池性能影响小. 背电极结构除了阻值会影响电池性能, 还存在影响电池性能的其他因素. 蜂窝结构背电极中, 考虑制作难易程度的情况下, 圆形半径约等于边缘间距时性价比最高. 预测背电极中每增加10%的空隙, 电池性能大约提升5%. 背电极阻值随着厚度的增加而减小, 考虑工艺、成本等因素的前提下, 最佳的厚度应在100—150 nm之间.
基于反射超表面的偏馈式涡旋波产生装置
孙胜, 阳棂均, 沙威, 等
摘要 +
由于具有拓宽信道的能力, 携带轨道角动量的涡旋电磁波已经受到越来越多学者的研究. 目前, 基于反射式涡旋波发生装置仍然存在两个问题需要解决: 1) 馈源的遮挡; 2) 由馈源和反射表面所引起的交叉极化分量. 本文提出了一种基于超表面的偏馈式涡旋波产生装置, 该装置包括超表面反射阵和非正对区域放置的天线馈源. 本文主要贡献为以下三方面: 1) 设计了一种几何相位的超表面单元; 2) 主、交叉极化的转化过程被详细分析; 3) 具体的偏馈式涡旋波产生装置被设计. 通过合理设计超表面单元, 实现了仅对馈源主极化场的相位补偿与汇聚调控, 最终在期望的观测位置形成具有场增强效果的低交叉极化涡旋波. 仿真与实验分别验证了极化选择特性与汇聚涡旋波的形成. 该装置结构简单, 具有极化选择性和区域场增强效果, 对涡旋波通信及相关应用具有潜在价值.
多能场复合电沉积对Al2O3-Co复合薄膜物性影响研究
岂云开, 杨淑敏, 李欣, Qin Xu, 顾建军, 等
摘要 +
采用多能场复合微细电沉积加工技术,制备了微观结构渐变的多彩结构色磁性Al2O3-Co复合薄膜。在沉积电场和与之垂直的偏转电场作用下,复合薄膜的微观结构、光学特性和磁性沿偏转电场方向呈现渐变特征。通过建立微观结构等效模型,理论分析了复合薄膜微观结构变化机理。通过软件仿真定量分析了沿偏转电场方向Co离子沉积电流密度分布规律,仿真结果与理论研究和实验结果相吻合。研究发现,采用多能场复合的微细电沉积加工技术可以从微观角度调控复合薄膜微区结构,实现对薄膜微区磁学和光学特性的精细调控。
纠缠态量子探测系统的恒虚警检测方法研究
卫容宇, 李军, 张大命, 王炜皓, 等
摘要 +
纠缠态量子探测是将量子力学与信息科学相结合,应用在目标探测领域的一种新技术,其在灵敏度、抗干扰能力等方面具有突破传统探测技术的潜力。在雷达探测领域,恒虚警检测是一项具有重要的意义和应用价值的技术。然而,对于纠缠态量子探测系统中恒虚警检测方法的研究还没有展开,本文针对这一问题,提出了一种纠缠态量子探测系统的恒虚警检测方法。该方法通过系统对噪声的实时估计,自适应调整检测门限,使得纠缠态量子探测系统在检测过程中始终保持恒定的虚警概率。仿真结果表明,所提恒虚警检测方法是正确的、有效的,能够实现纠缠态量子探测系统的恒虚警检测功能。该方法提升了纠缠态量子探测系统的灵活性和适应性,为量子探测技术进一步走向实用及应用奠定了理论基础。
时间尺度上非迁移Birkhoff系统的Mei对称性定理
张毅, 等
摘要 +
研究并证明时间尺度上非迁移Birkhoff系统的Mei对称性定理。首先,建立任意时间尺度上Pfaff-Birkhoff原理和广义Pfaff-Birkhoff原理,由此导出时间尺度上非迁移Birkhoff系统(包括自由Birkhoff系统、广义Birkhoff系统和约束Birkhoff系统)的动力学方程。其次,基于非迁移Birkhoff方程中的动力学函数经历变换后仍满足原方程的不变性,给出了时间尺度上Mei对称性的定义,导出了相应的判据方程。再次,建立并证明了时间尺度上非迁移Birkhoff系统的Mei对称性定理,得到了时间尺度上Birkhoff系统的Mei守恒量。通过三个算例予以说明结果之应用。
任意数量离散不规则感兴趣区域的快速荧光寿命显微成像
牛敬敬, 刘雄波, 陈鹏发, 于斌, 严伟, 屈军乐, 林丹樱, 等
摘要 +
荧光寿命显微成像(fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM)技术在细胞微环境传感中具有特异性强、灵敏度高、可定量的优点, 被广泛应用于生物医学研究. 其中, 基于时间相关单光子计数(time-correlated single photon counting, TCSPC)进行荧光寿命探测的方法是目前最常用的技术之一, 但受成像原理和条件限制, 该技术存在数据采集时间较长、成像速度不够快的不足. 本文开发一种能对生物样品中任意数量离散的、形状不规则的感兴趣区域(region of interest, ROI)进行快速FLIM成像的技术. 该技术利用声光偏转器(acousto-optic deflector, AOD(实现快速灵活的寻址扫描, 并通过对ROI形状特征的简单在线分析, 实现AOD与TCSPC同步策略的优化及寿命图像的准确重构, 对于生物样品中常见的存在多个离散不规则ROI情形, 可大幅节省数据采集时间, 从而实现对这些ROI的快速FLIM成像. 采用该技术, 对氯化铵刺激下活细胞中溶酶体探针LysoSensor Green DND-189的荧光寿命变化进行了动态FLIM成像, 以监测溶酶体管腔内pH值的实时变化情况. 结果表明, 该快速FLIM技术可用于动态监测生物样品中微环境的变化, 将在活细胞微环境传感中发挥重要作用.
电磁超构表面与天线结构一体化的低RCS阵列
冯奎胜, 李娜, 杨欢欢, 等
摘要 +
提出一种电磁超构表面与天线一体化设计以实现低散射阵列的新方法. 该方法利用传输线将超构表面部分单元串联, 并采用同轴馈电激励, 以此得到新型天线阵列, 该阵列的辐射性能和传统阵列几乎相同; 当外来雷达波照射该阵列时, 利用超构表面和其周围天线结构散射场的差异, 将能量在空间重新分配, 从而实现天线工作频带内的雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩. 基于该方法, 以2 × 1阵列为例, 构建了天线模型, 数值分析了其性能, 验证了该阵列的良好辐射和低RCS特征, 并详细阐述了天线的工作机理, 进一步的分析还揭示了超构表面结构对天线辐射和散射性能的影响规律. 遵循该规律, 可以灵活设计满足需求的天线阵列. 该方法不仅简单易行、集成度高, 还可以拓展至更大规模的阵列天线设计.
随机纵场对一维量子Ising模型动力学性质的影响
袁晓娟, 王辉, 赵邦宇, 赵敬芬, 明静, 耿延雷, 张凯煜, 等
摘要 +
量子自旋系统的动力学性质是统计物理和凝聚态理论研究的热点问题. 本文利用递推关系方法, 通过计算系统的自旋关联函数及谱密度, 研究了纵场对一维量子Ising模型动力学性质的影响. 对于常数纵场的情况, 发现当自旋耦合相互作用较弱时纵场能够引起不同动力学行为之间的交跨效应, 且驱使系统出现了多种振动模式, 但较强的自旋耦合相互作用会掩盖纵场的影响. 对于随机纵场的情况, 分别讨论了双模型随机纵场和高斯型随机纵场的影响, 发现不同随机类型下的动力学结果有很大的差别, 且高度依赖于随机分布中参数的选取, 如双模分布的均值, 高斯分布的均值和偏差等. 尽管常数纵场和随机纵场下的动力学结果不同, 但可以得到一个共同的结论: 当纵场所占比重较大时, 系统的中心峰值行为将得到保持. 且此结论可以推广: 系统哈密顿中非对易项的出现有利于中心峰值行为的保持.
CaZrO3改性(Na, K)NbO3基无铅陶瓷电学性能的温度稳定性
陈小明, 王明焱, 唐木智明, 李国荣, 等
摘要 +
$0.05\leqslant x \leqslant 0.06.$ x=0.05时, 陶瓷样品不但具有高居里温度(Tc=373 ℃), 而且表现出良好电学性能(d33=198 pC/N, kp=39%, εr=1140, tanδ=0.034, Pr=21 μC/cm2, Ec=18.2 kv/cm). 此外, 该陶瓷由于存在弥散R-T相变, 导致其相变温度区间拓宽, 因此, 该陶瓷具有较好的电学性能温度稳定: 在温度范围为–50—150 ℃, NKLN–0.05CZ陶瓷的kp保持在34%—39%(kp变化量 $\leqslant13\%$).">压电陶瓷广泛用于驱动器、传感器等电子领域, 但是目前主要使用的压电陶瓷是铅基陶瓷. 基于保护环境和社会可持续发展的需要, 无铅压电陶瓷的研发变得迫切. 无铅压电陶瓷(K,Na)NbO3(KNN)因具有较高压电常数和居里温度, 而受到广泛关注. 然而较差的温度稳定性限制了其应用. 本文通过二步合成法制备了电学性能温度稳定的(1-x) (Na0.52K0.48)0.95Li0.05NbO3-xCaZrO3(NKLN-xCZ)陶瓷, 研究了CaZrO3对KNN基陶瓷微结构及电学性能的作用. 研究结果表明: 适量CaZrO3改善了样品烧结性能, 得到了致密陶瓷. 随CaZrO3增加, NKLN-CZ陶瓷的三方相(R)-四方相(T)共存出现在组分为 $0.05\leqslant x \leqslant 0.06.$ x=0.05时, 陶瓷样品不但具有高居里温度(Tc=373 ℃), 而且表现出良好电学性能(d33=198 pC/N, kp=39%, εr=1140, tanδ=0.034, Pr=21 μC/cm2, Ec=18.2 kv/cm). 此外, 该陶瓷由于存在弥散R-T相变, 导致其相变温度区间拓宽, 因此, 该陶瓷具有较好的电学性能温度稳定: 在温度范围为–50—150 ℃, NKLN–0.05CZ陶瓷的kp保持在34%—39%(kp变化量 $\leqslant13\%$).
尺寸调控SnO2量子点的阻变性能及调控机理
龚少康, 周静, 王志青, 朱茂聪, 沈杰, 吴智, 陈文, 等
摘要 +
零维SnO2量子点因具有优异的物理化学稳定性、高电子迁移率和能带结构可调等特性, 是阻变存储器中阻变功能材料的良好选择, 受到了研究者的广泛关注. 本文采用溶剂热法制备了尺寸为2.51, 2.96和3.53 nm的SnO2量子点, 在较小尺寸范围内证明了SnO2量子点能带结构随尺寸离散化的量子尺寸效应; 并基于其量子尺寸效应, 实现了对SnO2量子点阻变存储器开关电压的有效调控. 研究表明, 尺寸为3.53 nm的SnO2量子点具有较低的开关电压(–2.02 V/3.08 V)与较大的阻变开关比(> 104), 器件在经过2 × 104次的耐久性测试后, 阻变性能变化率小于5%, 具有较好的稳定性与保持性. 基于库仑阻塞效应, SnO2量子点内部缺陷势阱作为俘获中心对电子的自俘获/脱俘作用, 是其实现阻变效应的原因; 此外, SnO2量子点与ITO, Au界面肖特基势垒高度的有效控制则是精准调控其阻变开关电压的关键. 以上工作揭示了SnO2量子点在阻变存储领域的巨大应用潜力和商业化应用价值, 为阻变存储器的发展提供了一项新的选择.
强场太赫兹波作用下氢气分子振动动力学研究
宁辉, 王凯程, 王少萌, 宫玉彬, 等
摘要 +
利用电磁场与分子体系的相互作用可以研究分子的物理性质及其动力学问题。不断发展的太赫兹技术提供了能够产生亚皮秒定向强电场的太赫兹源。其产生的强场太赫兹波拥有与分子局部电场环境相当的电场强度,且定向电场的亚皮秒时间尺度也能覆盖众多超快物理化学反应过程。目前太赫兹波与分子的相互作用还主要局限于共振相互作用,即电磁波通过偶极相互作用,使分子在不同的振转能级发生跃迁。本文基于密度泛函理论计算和薛定谔方程的时域有限差分求解方法,研究了强太赫兹波电场对氢分子的强场非共振作用。结果显示,在强场太赫兹波亚皮秒定向强电场的作用下,氢分子会产生诱导偶极子,此偶极子与外加太赫兹场作用,产生质子概率密度分布的波动及振动能级布居数的变化。非极性双原子分子氢气与强场太赫兹波的这种非共振作用,提供了一种独特的电磁波与分子相互作用的途径,对研究生物体非极性分子及极性较弱的分子在太赫兹场下的动力学研究也提供了方法。
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