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Vol. 69, No. 13 (2020)

2020年07月05日

专题

超材料
  超材料 (Metamaterials) 是指由人工结构功能单元按照特定的空间排布构成的、具有超常宏观物理特性的人工复合材料或复合结构. 超材料是先进功能材料的创新研究范式, 将传统均质材料的半经验式研究手段发展为精确可设计的材料研究范式. 超材料不仅是一种材料新形态, 更是一种材料设计新理念, 即: 类比自然材料电磁、力、热、声等响应的微观机制和自然材料基本构成粒子的空间点阵排布方式, 构造与自然材料原子、分子等类比的人工微结构单元, 通过结构单元的周期性、准周期性或特殊点阵排布构造人工复合材料, 实现自然材料无法实现或很难实现的特殊物理特性. 由于超常的电磁、声、热、力等功能, 超材料在隐身伪装、电子对抗、导航通讯、预警制导、成像识别等领域具有巨大的应用潜力.
  超材料研究在国内非常活跃, 总体呈现出百花齐放的局面, 所涵盖领域包括电磁超材料、红外/THz超材料、光学超材料、声学超材料、力学超材料、光学超材料、热学超材料等领域. 2019 年 11 月, 中国材料研究学会超材料分会、中国物理学会电介质物理专业委员会和中国电子学会元件分会联合主办了“第一届全国超材料大会”, 1500 多名国内超材料领域的专家学者和科研工作者参加了大会. 大会推动了我国超材料理论研究、设计与制备研究、器件应用研究, 增进了超材料学术界和工业界之间的学术交流、技术交流与应用推广, 促进了我国超材料研究的知识创新、技术创新以及应用发展.
  本专题收录了本届超材料大会的部分优秀论文, 论文涉及到电磁超材料、力学超材料、声波超材料和光学超材料. 希望专题的出版能进一步增进交流, 促进该领域的发展.
客座编辑:空军工程大学隐身新材料与新技术研究中心 王甲富 物理学报.2020, 69(13).
专题:超材料
专题
综述
综述
总论 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: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
专题:超材料
开口狭缝调制的耦合微腔中表面等离激元诱导透明特性
褚培新, 张玉斌, 陈俊学
2020, 69 (13): 134205. doi: 10.7498/aps.69.20200369
摘要 +
耦合的波导-微腔结构在光滤波器、光调制器中有着广泛的应用. 结构的光传输性质主要由模式的耦合强度来决定, 而耦合强度通常通过控制结构间的几何间距来实现. 由于电磁波在金属中急剧衰减, 这为控制金属微腔中模式的耦合带来了巨大的挑战. 本文利用金属微腔中法布里-珀罗模式的共振特性, 在微腔中引入开口狭缝, 通过调节狭缝的缝宽以及偏移位置, 来控制模式的泄漏率以及耦合强度, 实现了可调控的表面等离激元诱导透明效应. 当狭缝的开口宽度或者偏移量增加时, 结构透射谱的透射峰值和半高全宽也会相应地增加. 狭缝的几何参数变化会对结构共振特性产生调制, 文中通过时域耦合模理论对相应的物理机进行了解释. 本文的结果为实现利于加工的紧凑表面等离激元器件提供了思路.
各向异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数
蔡成欣, 陈韶赓, 王学梅, 梁俊燕, 王兆宏
2020, 69 (13): 134302. doi: 10.7498/aps.69.20200364
摘要 +
五模超材料是一类可以解除剪切模量的人工固体微结构, 具有类似流体的性质, 在声波调控中有着潜在的应用. 声学变换作为声波调控的一种重要手段, 在超材料声学器件的设计中被广泛使用. 声学变换的引入会压缩均匀各项同性五模超材料. 因此, 需要研究各向异性对三维非对称双锥五模超材料带隙及品质因数的影响. 本文利用有限元方法, 对各项异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数进行了研究. 研究结果表明, 三维非对称双锥五模超材料单模区域的相对带宽随着各向异性的增大而减小, 第一带隙的相对带宽增大到123%, 品质因数增大到6.9倍. 本研究可为声学变换在三维非对称双锥五模超材料中的应用提供指导.
基于微孔板与折曲通道的亚波长宽带吸声结构设计
吴飞, 黄威, 陈文渊, 肖勇, 郁殿龙, 温激鸿
2020, 69 (13): 134303. doi: 10.7498/aps.69.20200368
摘要 +
本文设计了一种由微穿孔板与折曲通道组成的亚波长宽带复合吸声结构, 对该复合吸声器低频宽带吸声机理进行了详细分析, 建立了该复合吸声结构的理论吸声解析模型与有限元数值分析模型, 完成了吸声理论解和数值解的相互验证. 该吸声结构在整体厚度为60 mm时, 理论上实现了在200—500 Hz频段内平均吸声系数达0.8的低频高效吸声. 同时在整体厚度为90 mm时, 理论上实现了180—350 Hz频段内多处峰值达0.95的准完美吸声. 该复合吸声结构在低频噪声控制工程中具有一定的应用前景.
基于场变换理论的大角度涡旋电磁波生成方法
冯加林, 施宏宇, 王远, 张安学, 徐卓
2020, 69 (13): 135201. doi: 10.7498/aps.69.20200365
摘要 +
场变换是一种与入射角度无关的新型电磁变换方法, 可对电磁波极化和阻抗进行调控. 本文提出了一种基于场变换理论的大角度入射涡旋电磁波产生方法. 基于该方法设计了一种用于涡旋电磁波生成的人工媒质, 并通过对其仿真验证了所提出的方法. 设计的人工媒质为多层环形结构, 可以透射生成2阶涡旋电磁波, 并且具有较好的入射角度稳定性, 在60°斜入射时仍能产生涡旋电磁波.
综述
电磁超材料吸波体的研究进展
王彦朝, 许河秀, 王朝辉, 王明照, 王少杰
2020, 69 (13): 134101. doi: 10.7498/aps.69.20200355
摘要 +
电磁吸波技术在军用和民用领域得到了广泛应用, 但传统吸波技术不能满足现代吸波材料新的需求, 基于超材料的吸波体具有结构简单、轻薄、吸收率高等优点, 并可以实现对电磁波的灵活调控, 使得电磁吸波领域获得了飞速发展. 本文针对电磁超材料吸波研究进行了综述, 首先介绍了电磁超材料吸波方法与机理, 指出了研究中遇到的瓶颈问题. 其次针对吸波关键技术难题分别从多频及宽频带吸波、极化和角度不敏感吸波、动态可调吸波三个方面介绍了目前电磁超材料吸波体的研究进展. 尽管研究学者们在超材料吸波方向已做了很多工作, 仍面临着诸多问题和挑战. 为了更好地预示未来研究, 本文从高性能、多功能、新三维结构三个角度对超材料吸波体的研究方向进行了展望, 包括突破波长限制的低频超薄宽带超材料吸波体、能应对复杂环境的多功能集成超材料吸波体以及随3D打印技术而兴起的新型三维结构超材料吸波体. 最后结合超材料在隐身领域的应用进一步总结了超材料吸波应用研究的发展趋势.
铁电负电容场效应晶体管研究进展
陈俊东, 韩伟华, 杨冲, 赵晓松, 郭仰岩, 张晓迪, 杨富华
2020, 69 (13): 137701. doi: 10.7498/aps.69.20200354
摘要 +
铁电负电容场效应晶体管可以突破传统金属氧化物半导体场效应晶体管中的玻尔兹曼限制, 将亚阈值摆幅降低到60 mV/dec以下, 极大地改善了晶体管的开关电流比和短沟道效应, 有效地降低了器件的功耗, 为实现晶体管特征尺寸的减小和摩尔定律的延续提供了选择. 本文分析总结了国内外近年来关于铁电负电容场效应晶体管代表性的研究进展, 为进一步研究提供参考. 首先介绍了铁电负电容场效应晶体管的研究背景及其意义; 然后总结了铁电材料的基本性质和种类, 并对铁电材料负电容的物理机制和铁电负电容场效应晶体管的工作原理进行了讨论; 接下来从器件沟道材料维度的角度, 分别总结了最近几年基于三维沟道材料和二维沟道材料且与氧化铪基铁电体结合的铁电负电容场效应晶体管的研究成果, 并对器件的亚阈值摆幅、开关电流比、回滞电压和漏电流等性能的改善进行了分析概述; 最后对铁电负电容场效应晶体管目前存在的问题和未来的发展方向作了总结与展望.

编辑推荐

钙钛矿太阳电池中的缓冲层研究进展
陈永亮, 唐亚文, 陈沛润, 张力, 刘琪, 赵颖, 黄茜, 张晓丹
2020, 69 (13): 138401. doi: 10.7498/aps.69.20200543
摘要 +
基于钙钛矿材料优异的光电特性, 钙钛矿太阳电池的转换效率迅速提高. 但制约钙钛矿太阳电池性能的因素依然存在, 例如: 界面问题、稳定性问题等. 通过在载流子传输层/电极及载流子传输层/光吸收层之间引入能带结构合适的缓冲层, 可有效改善界面间的能带失配、载流子复合及化学反应等问题, 进而提高钙钛矿电池中的电荷分离及收集效率, 实现界面及稳定性问题的有效改善. 本文总结了当前钙钛矿太阳电池中引入的缓冲层材料,全面分析了不同缓冲层材料钝化空穴传输层/阳极、电子传输层/阴极、空穴传输层/吸收层及电子传输层/吸收层间界面的机理, 对比了不同缓冲层材料对电池性能的影响, 总结了缓冲层材料在钙钛矿电池中的作用, 最后指出了钙钛矿电池中各界面缓冲层材料的研究趋势及发展方向.
蛋白质“液-液相分离”的理论和计算方法进展
张鹏程, 方文玉, 鲍磊, 康文斌
2020, 69 (13): 138701. doi: 10.7498/aps.69.20200438
摘要 +
蛋白质分子的“液-液相分离”是近几年生物物理学领域迅速发展起来的研究热点. 蛋白质相分离在一系列生物学过程中发挥着重要的作用. 蛋白质分子序列和构象的多样性和复杂性, 给蛋白质分子的理论研究、计算机模拟和实验研究都带来了巨大的挑战. 当前, 多尺度理论模型和多分辨率计算方法被广泛地用于蛋白质分子的“液-液相分离”的研究中. 本文将对蛋白质分子“液-液相分离”的理论基础和计算机模拟方法进行简要的综述, 并对这些理论和方法未来的发展趋势进行了初步的探讨和展望. 期望为进一步研究蛋白质“液-液相分离”的物理化学机制和过程提供理论基础和方法借鉴.
总论
对流层顶高对拉萨地区温室气体柱浓度反演的影响
刘丹丹, 黄印博, 孙宇松, 卢兴吉, 曹振松
2020, 69 (13): 130201. doi: 10.7498/aps.69.20191431
摘要 +
对流层顶作为对流层和平流层之间的过渡层, 对大气痕量气体浓度反演有非常重要的影响. 理论分析对流层顶高对大气分子含量垂直分布的影响, 并结合2018年8月(6—16日)拉萨观测数据, 定量分析对流层顶高的变化对气体柱-平均摩尔分数Xgas反演的影响. 结果表明: 对流层顶高的变化改变气体分子的垂直分布, XCO2, XCH4与对流层顶高度变化呈正相关, 相关系数分别为0.998和0.780; XCO与对流层顶高度变化呈负相关, 相关系数为0.994; 而XH2O与对流层顶高度变化的相关性非常小. 对流层顶高变化3 km, XCO2, XCH4XCO误差范围在8.640%, 0.035%及0.049%以内. 观测期间, XH2O, XCO2, XCH4XCO日平均值分别在3432—4287, 406.1~408.2, 1.673—1.720及0.082—0.095 ppmv之间变化. 观测数据显示, 该地区CO2, CH4气体柱-平均摩尔分数日变化趋势相似, XCO2XCH4的相关系数大部分高于0.5. 观测结果可为我国研究高原温带地区温室气体浓度的时空分布及其变化规律提供参考和第一手的直接观测数据.
单晶铁沿[101]晶向冲击过程中面心立方相的形成机制
马通, 谢红献
2020, 69 (13): 130202. doi: 10.7498/aps.69.20191877
摘要 +
$ \bar101] $晶向突然收缩, 同时沿[010]晶向突然扩张, 从而导致体心立方到面心立方相的转变. 此外, 本文进一步研究了不同应力状态下单晶铁的相变机制, 发现沿[101]晶向单轴压缩以及沿[101]和$ [\bar101] $晶向双轴压缩时铁将发生体心立方到面心立方相的转变; 而沿[101]和[010]晶向双轴以及三轴压缩时将会发生体心立方到密排六方相的转变. 最后进一步计算了三个相的吉布斯自由能随压力的变化, 并对冲击模拟结果进行了能量分析, 给出了沿[101]晶向冲击条件下高压密排相产生的原因.">铁的冲击相变过程是科研工作者们关注的热点领域之一. 铁沿[100]晶向冲击时会发生体心立方相到密排六方相的转变; 而沿[101]晶向冲击时, 相变产物除了密排六方相之外还出现一定量的面心立方相. 人们已经明确了体心立方到密排六方相的转变机制, 然而对于面心立方相的形成机制问题至今还在探索. 本文通过分子动力学方法模拟了体心立方单晶铁沿[101]晶向的冲击过程, 模拟结果显示体心立方相将转变为高压密排结构(密排六方相和面心立方相); 并分析了面心立方相的形成机制: 在冲击过程中, 单晶铁沿[101]和$ \bar101] $晶向突然收缩, 同时沿[010]晶向突然扩张, 从而导致体心立方到面心立方相的转变. 此外, 本文进一步研究了不同应力状态下单晶铁的相变机制, 发现沿[101]晶向单轴压缩以及沿[101]和$ [\bar101] $晶向双轴压缩时铁将发生体心立方到面心立方相的转变; 而沿[101]和[010]晶向双轴以及三轴压缩时将会发生体心立方到密排六方相的转变. 最后进一步计算了三个相的吉布斯自由能随压力的变化, 并对冲击模拟结果进行了能量分析, 给出了沿[101]晶向冲击条件下高压密排相产生的原因.

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级联四波混频相干反馈控制系统量子纠缠特性
仲银银, 潘晓州, 荆杰泰
2020, 69 (13): 130301. doi: 10.7498/aps.69.20200042
摘要 +
本文在级联四波混频结构基础上, 利用光学分束器作为反馈控制器理论构造了一种相干反馈控制系统. 考虑相干反馈回路中光束传输损耗以及原子对光束吸收损耗, 通过计算系统的协方差矩阵以及利用部分转置正定判据, 分析了该系统在不同反馈强度、增益以及相位下的纠缠特性. 结果表明, 系统存在真正的三组份纠缠, 但是反馈控制器过度反馈会破坏系统的三组份量子纠缠特性. 另外, 将相位设为180°, 通过适当改变增益大小以及在0.1—0.4范围内调节分束器反射率的大小可以增强系统的量子纠缠程度. 本文为实验上基于级联四波混频相干反馈控制系统制备多组份纠缠奠定理论基础, 在量子通信领域有着潜在应用.
基于网络分析仪的3D Transmon相干测量方法
吴小宇, 赵虎, 李智
2020, 69 (13): 130302. doi: 10.7498/aps.69.20200252
摘要 +
3D Transmon是目前已知退相干时间较长的一种超导量子比特, 在超导量子计算、量子光学、腔量子电动力学等方面具有重要的应用. 拉比振荡是表征量子系统退相干时间的重要方法, 也是体现量子系统能够进行能级演化的基本实验. 对3D Transmon进行拉比振荡测试, 需要进行严格的时序控制, 测试调试的过程较为繁琐. 本文制备了3D Transmon样品, 对其基本参数进行了测试表征, 创新性地提出了一种基于网络分析仪的拉比振荡测试方法, 基于该方法的测试系统搭建简单, 可作为迅速验证3D Transmon是否具备量子特性的一种手段, 该方法也可推广至其他量子系统进行时域特性的初步验证.
线性引力论的引力磁分量及其磁效应
郝迪, 郭三栋, 马智远, 惠宇廷
2020, 69 (13): 130401. doi: 10.7498/aps.69.20191673
摘要 +
根据广义相对论, 弱场近似条件下引力场中不仅含有经典的牛顿引力场, 还存在一种类比于磁场概念的引力“磁”场, 引力磁场的命名借用了电动力学中磁场的概念. 为了研究引力磁场的物理性质和它引发的一些关联效应, 本文首先从线性爱因斯坦方程出发, 利用相似变换的方法从方程的二级张量场中分解出了引力的“磁”分量并定义了引力磁场; 在此基础上考虑了一种通有匀速流体的环状微管模型, 通过电动力学的分析方法研究了远离微管区域的引力磁场分布特征, 重点在计算过程中改进了以往对这类环状模型引力磁场的计算方法, 表明了这类模型的引力磁场远场分布模式与磁偶极子磁场的远场分布类似; 之后利用类磁场的性质研究了引力磁场的动力学特征, 首次研究了测试粒子在线性时变引力磁场及余弦时变引力磁场中的运动规律, 同时通过设计一种具有双层结构且通有加速流动流体的环状微管模型改进了前人对时变引力磁场中引力感应、惯性系拖曳现象的研究办法, 从更清晰的角度用更简单的数学通过引力电磁理论研究和展示了引力感应现象和广义相对论中的惯性系拖曳现象. 全文为引力磁场及其关联效应的研究提供了一些新的方法和思路.
库仑耦合双量子点系统的熵产生率
林智远, 申威, 苏山河, 陈金灿
2020, 69 (13): 130501. doi: 10.7498/aps.69.20191879
摘要 +
本文基于库仑耦合双量子点复合系统, 研究了自发非平衡过程中熵产生率与信息流的基本关系. 从玻恩马尔科夫近似下的量子运动主方程出发, 获得稳态时总系统和子系统的熵产生率. 利用Schnakenberg网络理论, 揭示了各种熵产生率与基本环流的密切联系, 发现全局环流决定了双量子点间的能量和信息交换, 从而证明了化学势差驱动电子流动以及子系统间能量和信息交换是子系统熵产生的关键要素, 信息交换引起的熵产生保证了电子输运的持续进行. 结果表明在不违背热力学第二定律的基本条件下, 信息可作为驱动力使电子从低化学势流向高化学势.
原子和分子物理学
keV能量电子致Al, Ti, Zr, W, Au元素厚靶特征X射线产额与截面的研究
李颖涵, 安竹, 朱敬军, 李玲
2020, 69 (13): 133401. doi: 10.7498/aps.69.20200264
摘要 +
本文使用5—27 keV能量范围的电子轰击纯厚Al (Z = 13), Ti (Z = 22), Zr (Z = 40), W (Z = 74)和Au (Z =79)靶, 利用硅漂移探测器(SDD)收集产生的X射线, 给出了K, L壳层特征X射线产额的测量结果, 并将所得实验数据与基于扭曲波玻恩近似理论模型(DWBA)的蒙特卡罗模拟值进行了比较, 两者在小于或约为10%的范围内符合. 根据测得的特征X射线产额进一步得到了相应的内壳层电离截面或特征X射线产生截面. 通过对比电子入射角度为45°和90°的两种情况下解析模型与蒙特卡罗模拟的特征X射线产额, 发现在入射角度为90°时两者符合较好. 同时, 本文还给出了次级电子、轫致辐射光子对特征X射线产额的贡献, 该贡献与入射电子能量关系较弱, 表现出与原子序数较密切的相关性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于一体化微球物镜的超分辨成像系统
宋扬, 杨西斌, 闫冰, 王驰, 孙建美, 熊大曦
2020, 69 (13): 134201. doi: 10.7498/aps.69.20191994
摘要 +
利用直径微米量级的透明微球与传统光学显微镜相结合, 可以在白光下实现超分辨成像. 目前大部分研究是将微球直接播撒到样品表面, 由于微球位置的随机性和不连续性导致无法实现特定区域的完整成像, 极大限制了该技术的使用范围. 使用微探针或微悬臂黏附微球, 通过三维位移台精确控制微球位置, 一定程度上解决了上述问题, 但是需要对微球位置进行精准操控. 本文提出了一种结构稳定、参数可控、简单易用的基于一体化微球物镜的超分辨成像系统, 对微球与物镜进行了一体化安装设计, 通过设计侧视成像及位置反馈系统实现了对微球、物镜和样品三者之间距离的精准控制, 结合通用的显微成像系统, 实现了对可控特定区域的超分辨成像. 该系统将普通显微物镜(40×, NA 0.6)的分辨能力提高了4.78倍, 最高可以看到100 nm的样品特征. 该一体化物镜可以搭配普通光学显微系统使用, 实现超分辨成像, 提高了微球超分辨技术的通用性, 在亚衍射极限样品的超分辨成像方面具有广泛的应用价值.
基于纳米盘棒耦合的多频段等离激元诱导透明研究
胡宝晶, 黄铭, 黎鹏, 杨成福
2020, 69 (13): 134202. doi: 10.7498/aps.69.20200093
摘要 +
提出了基于银纳米棒和银纳米盘的多频段等离激元诱导透明(PIT)混合模型, 通过时域有限差分法研究了模型的电磁特性. 研究表明: 由于银纳米盘(明模)和银纳米棒(暗模)的明模-暗模-暗模耦合, 模型可以产生双频段的PIT效应. 在双频段的基础之上, 通过两个非对称的双频段PIT模型的叠加, 形成暗模-暗模-明模-暗模-暗模耦合, 可进一步实现四频段的PIT效应. 同时, 只要改变两种PIT模型中银纳米棒的长度以及银纳米棒和银纳米盘之间的距离, 双频段PIT和四频段PIT窗口的谐振频率和透射振幅都会随之变化. 最后研究了四频段PIT模型的传感效应, 发现该模型随背景材料折射率变化的灵敏度(sensitivity)达到了326.2625 THz/RIU, 优值系数(FOM)达到了26.4/RIU, 性能优于其他同类型传感器, 这为该模型在光存储、吸收、滤波和红外频段的传感器设计中的应用提供了理论参考.
基于石墨烯光力系统的非线性光学效应及非线性光学质量传感
陈华俊
2020, 69 (13): 134203. doi: 10.7498/aps.69.20191745
摘要 +
研究了由泵浦光和探测光同时驱动的石墨烯光力系统中的非线性光学现象, 如光学双稳态和四波混频现象. 通过控制泵浦光功率强度和失谐能有效操控光学双稳态. 对石墨烯光力系统中的四波混频研究发现四波混频谱中尖峰的位置正对应石墨烯振子频率的数值, 因此给出一种测量石墨烯振子频率的非线性光学方法. 此外, 基于对石墨烯光力系统中四波混频的研究进一步理论提出一种非线性光学质量传感方案. 通过探测四波混频谱中由于纳米颗粒质量引起的机械共振频移可直接测出沉积在石墨烯振子面上的纳米颗粒的质量. 该非线性光学质量传感方案将对探测噪声免疫, 并且将在高精度及高分辨率质量传感器件方面有着潜在应用.
多模光纤中基于压缩传感的光谱探测
孟凡, 张云佐, 冯魏巍, 吴鹏飞, 邹戈胤
2020, 69 (13): 134204. doi: 10.7498/aps.69.20200014
摘要 +
随着集成光学器件的发展, 昂贵、笨重的商用光谱仪迫使人们更加热衷于对高性能、集成化和低成本的光谱计进行研究. 本研究基于多模干涉图案对单波长的强烈依赖特性, 采用压缩传感算法实现了对任意形状信号光谱的探测. 该锥形光纤光谱计具有20 pm的光谱分辨率和200 nm以上的探测带宽, 光谱重建结果显示了其优异的同色异谱效应, 为今后便携式和多功能的片上集成系统提供了有效途径.
超声在液体中的非线性传播及反常衰减
陈海霞, 林书玉
2020, 69 (13): 134301. doi: 10.7498/aps.69.20200425
摘要 +
$\omega b \ll {\rho _0}c_0^2$时, 基波的衰减系数与驱动频率的平方及耗散系数的乘积成正比; 二次谐波的衰减规律更加复杂, 与频率的更高次幂相关. 对声衰减系数及声压的分布进行数值计算发现, 声压的分布还与初始的声压幅值及频率有关, 初始的声压与频率越高衰减得越快. 另外, 当声压高于液体的空化阈值时, 液体中就会出现大量的空化泡, 文中模拟了单个空化泡的运动, 发现随着声压的增大空化泡的振动越剧烈、空化泡所受的黏滞力变大, 随着声波作用时间的增大黏滞力的幅值迅速增大并与驱动声压值同阶, 因而空化泡的非线性径向运动引起的声衰减不容忽视. 结果表明, 驱动声压越高在空化区域附近引起的声衰减越快、输出的声压越低.">本文从广义的Navier-Stokes流体方程出发, 考虑到流体介质的黏滞性和存在的热传导, 导出了更接近实际流体的三维非线性声波动方程. 鉴于声传播所涉及的空间和时间尺度的复杂性和多样性, 文中针对一维情形下的非线性波动方程进行了求解和分析. 由方程的二级近似解可以看出, 声压振幅的衰减遵循几何级数规律, 而且驱动声波的频率越高声压的衰减就越快. 在满足条件$\omega b \ll {\rho _0}c_0^2$时, 基波的衰减系数与驱动频率的平方及耗散系数的乘积成正比; 二次谐波的衰减规律更加复杂, 与频率的更高次幂相关. 对声衰减系数及声压的分布进行数值计算发现, 声压的分布还与初始的声压幅值及频率有关, 初始的声压与频率越高衰减得越快. 另外, 当声压高于液体的空化阈值时, 液体中就会出现大量的空化泡, 文中模拟了单个空化泡的运动, 发现随着声压的增大空化泡的振动越剧烈、空化泡所受的黏滞力变大, 随着声波作用时间的增大黏滞力的幅值迅速增大并与驱动声压值同阶, 因而空化泡的非线性径向运动引起的声衰减不容忽视. 结果表明, 驱动声压越高在空化区域附近引起的声衰减越快、输出的声压越低.
一种改进的HLLEM格式及其激波稳定性分析
胡立军, 袁海专, 杜玉龙
2020, 69 (13): 134701. doi: 10.7498/aps.69.20191851
摘要 +
使用低耗散激波捕捉格式对高超声速流动问题进行数值模拟时经常会遭受不同形式的激波不稳定性. 本文基于二维无黏可压缩Euler方程, 对低耗散HLLEM格式进行激波稳定性分析. 结果表明: 激波面横向通量中切向速度的扰动增长诱发了格式的不稳定性. 通过增加耗散来治愈HLLEM格式的激波不稳定性. 为了避免引入过多的耗散进而影响剪切层的分辨率, 定义激波探测函数和亚声速区探测函数, 使得只有在计算激波层亚声速区的横向数值通量时才增加耗散, 其余地方的数值通量依然采用低耗散的HLLEM格式来计算. 稳定性分析和数值模拟的结果表明, 改进的HLLEM格式不仅保留了原格式高分辨率的优点, 还大大提高了格式的鲁棒性, 在计算强激波问题时能够有效地抑制不稳定现象的发生.
基于电流积分计算磁矢量势修正的低磁雷诺数方法
丁明松, 江涛, 刘庆宗, 董维中, 高铁锁, 傅杨奥骁
2020, 69 (13): 134702. doi: 10.7498/aps.69.20200091
摘要 +
针对低磁雷诺数方法的适用性问题, 分析了当前低磁雷诺数条件应用上存在分歧以及全磁流体力学方法在高超声速领域局限性产生的原理. 在低磁雷诺磁流体力学控制数值模拟方法的基础上, 基于感应电流积分计算磁矢量势, 考虑截断因子对计算域的缩减, 提出了一种考虑感应磁场修正的低磁雷诺数磁流体力学计算方法, 并加以验证. 结合RAM-C钝锥体试验飞行状态数值模拟, 分析了“忽略感应磁场”造成的计算偏差, 探讨了“低磁雷诺数假设”在高超声速领域的使用原则. 研究表明: 1)本文建立的修正计算方法, 突破低磁雷诺数条件的限制, 拓展了低磁雷诺数方法在高超声速领域的适用性和应用范围, 数值模拟结果可信度高, 同时通过积分区域限制等方法使计算效率得到了较大的提升; 2)高超声速流动过程中感应磁场的影响, 在宏观上表现为对外加磁场的削弱和扭曲, 一定程度上降低了磁控效果; 本文计算条件下, “Rem < 0.1”的低磁雷诺数条件可能过于保守, 建议取为Rem < 1.0, 同时其特征电导率和特征尺度应综合考虑实际的等离子体分布.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
氧化物玻璃中的类分子结构单元
万法琦, 马艳平, 董丹丹, 丁万昱, 姜宏, 董闯, 贺建雄
2020, 69 (13): 136101. doi: 10.7498/aps.69.20191892
摘要 +
本文引入团簇加连接原子模型来解析硅酸盐玻璃相关氧化物的结构, 并给出了这些氧化物的最小结构单元——类分子结构单元. 参与网络形成体的氧化物主要以三角形或者四面体的配位体形式存在, 构建玻璃的三维网络状骨架. 如基础的网络形成体SiO2, 其类分子结构单元团簇式是为[Si-O4]Si, 含有的价电子数为32, 形成四面体网络. 中间体以同时形成八面体和四面体为特征, 网络外体则以立方体和八面体为主. 经证实, 这些类分子结构单元无一例外, 均满足八电子规则(即每个结构单元所含的价电子总数为8的整数倍), 具有分子的属性. 玻璃中氧化物类分子结构单元概念的提出, 将为后续的玻璃成分设计工作打下基础.
Fe合金FCC-BCC原子尺度台阶型马氏体相界面迁移行为的分子动力学模拟研究
韦昭召, 马骁, 柯常波, 张新平
2020, 69 (13): 136102. doi: 10.7498/aps.69.20191903
摘要 +
两相界面的原子尺度结构对相界面迁移行为具有重要影响. 高分辨透射电子显微分析表明钢中马氏体相界面具有高度为若干原子层间距的台阶结构, 然而目前Fe合金马氏体相变的模拟研究工作中绝大多数使用非台阶型相界面结构作为模拟初始模型. 本文基于拓扑模型和相变位错理论构建了Fe合金FCC/BCC台阶型相界面初始模型, 采用分子动力学模拟方法研究了Fe合金马氏体相界面的迁移行为. 研究结果表明, 当两相界面具有约束共格匹配关系及台阶结构时, 体系发生FCC → BCC马氏体相变并呈现典型的非扩散切变特征; 相变过程中FCC/BCC宏观尺度相界面沿其法线方向以(4.4 ± 0.3) × 102 m/s的速度迁移, 且相界面在迁移过程中始终保持稳定的台阶结构和相对平直的宏观界面形貌特征; 相变位错的滑移速度高达(2.8 ± 0.2) × 103 m/s, 相变位错阵列沿台阶面的协同侧向滑移不仅是马氏体台阶结构宏观相界面迁移的微观机制, 也是马氏体相变宏观形状应变的主要来源; 采用分子动力学模拟方法获得的Fe合金马氏体相变晶体学特征参量与拓扑模型的解析解数值非常接近, 相变产生的整体宏观形状应变由平行于相界面的剪切应变和垂直于相界面的法向应变两部分组成.
纳米级静态随机存取存储器的α粒子软错误机理研究
张战刚, 叶兵, 姬庆刚, 郭金龙, 习凯, 雷志锋, 黄云, 彭超, 何玉娟, 刘杰, 杜广华
2020, 69 (13): 136103. doi: 10.7498/aps.69.20201796
摘要 +
本文使用镅-241作为α粒子放射源, 开展65和90 nm静态随机存取存储器软错误机理研究, 结合反向分析、TRIM和CREME-MC蒙特卡罗仿真揭示α粒子在器件中的能量输运过程、沉积能量谱和截面特性. 结果表明, 65 nm器件的软错误敏感性远高于90 nm器件, 未发现翻转极性. 根据西藏羊八井地区4300 m海拔的实时测量软错误率、热中子敏感性和α粒子软错误率, 演算得到65 nm静态随机存取存储器在北京海平面应用的总体软错误率为429 FIT/Mb, 其中α粒子的贡献占比为70.63%. 基于反向分析结果构建器件三维仿真模型, 研究α粒子入射角度对单粒子翻转特性的影响, 发现随着入射角度从0°增大至60°, 灵敏区中粒子数峰值处对应的沉积能量值减小了40%, 原因为衰变α粒子的能量较低, 入射角度增大导致α粒子穿过空气层和多层金属布线的厚度增大1/cos(θ)倍, 引起粒子能量减小, 有效LET值随之减小. 随着入射角度从0°增大至60°, 单粒子翻转截面增大了79%, 原因为65 nm器件灵敏区中明显的单粒子翻转边缘效应.
Al原子在Ni基衬底表面的扩散及团簇的形成
张宇文, 邓永和, 文大东, 赵鹤平, 高明
2020, 69 (13): 136601. doi: 10.7498/aps.69.20200120
摘要 +
NiAl纳米颗粒具有较高的能量密度和良好的高温力学性能, 铝吸附原子在不同镍基表面上的扩散行为与不同扩散机制对铝在镍基表面沉积生长的影响有待进一步阐明. 本文通过采用肘弹性带和分子动力学结合嵌入原子势的方法, 系统地研究了单个铝吸附原子在镍基表面的扩散行为和纳米颗粒团簇在十面体(DEC)、立方八面体(CUB)和二十面体(ICO)结构上的生长. 研究结果表明: Al吸附原子在三种Ni基底上表面扩散的交换与跳跃两种机制, 最低的Ehrlich-Schwoebel(ES)势垒为0.38 eV (交换CUB{111} → 100})、0.52 eV (交换DEC{111} → 100})和0.52 e V (跳跃ICO{111} → 111}), 从{111}面扩散到{100}面主要以交换机制为主, 而相邻两个{111}面之间的扩散则以跳跃机制为主. 沉积的铝原子首先倾向于扩散到台阶边缘和顶点附近. 随着Al原子数量的增加, 沉积的Al原子开始聚集. 对于Ni团簇上的Al原子, 在较低温度下在镍基底表面沉积Al原子, 可以获得良好的Ni核/Al壳结构. 对于二十面体结构基底, 其对应的核壳团簇的缺陷数最小, 随后为十面体结构和八面体结构. 随着生长温度的增加NiAl纳米粒子的表面逐渐开始合金化.

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超冷6Li费米气体的密度涨落和亚泊松分布
王娟, 张笑天, 武泽茂, 邓书金, 武海斌
2020, 69 (13): 136701. doi: 10.7498/aps.69.20200603
摘要 +
本文实验测量了无相互作用下6Li超冷费米原子气体密度分布的空间噪声涨落. 在量子简并条件下, 研究了理想费米气体的空间原子噪声涨落和量子简并度之间的关系, 在实验上研究了泡利排斥对量子简并费米气体密度涨落的有效抑制, 实现了低温费米量子气体的亚泊松分布测量. 本文发展的原子密度噪声测量方法和测量结果在强相关多体系统的温度测量和观测不可压缩量子相的相变方面具有较大的应用前景.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
基于二维材料二硒化锡场效应晶体管的光电探测器
孟宪成, 田贺, 安侠, 袁硕, 范超, 王蒙军, 郑宏兴
2020, 69 (13): 137801. doi: 10.7498/aps.69.20191960
摘要 +
以二硒化锡作为沟道材料, 设计并制备基于二硒化锡场效应晶体管的光电探测器. 以化学气相输运法制备的二硒化锡纯度高且结晶度良好, 对二硒化锡使用机械剥离法制备出层状二硒化锡, 薄膜的横向尺寸最大可达25—35 μm, 最薄厚度仅为1.4 nm, 使用图形转移法制备基于二硒化锡的场效应晶体管, 表面光滑无褶皱, 且表现出良好的电学性质, 呈现出n型半导体的特征, 作为光电探测器对波长分别为405, 532, 650 nm的三基色光表现出明显的光响应. 尤其是对405 nm的蓝紫光响应度最高, 在光强为5.40 mW/cm2时, 响应度达到19.83 AW–1, 外量子效率达到6.07 × 103 %, 探测率达到4.23 × 1010 Jones, 并且具有快速的响应速度, 响应反应时间为23.8 ms. 结果表明二硒化锡在可见光光探测器和新一代光电子器件中具有潜在的应用前景.

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开放式多通道多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器
肖士妍, 贾大功, 聂安然, 余辉, 吉喆, 张红霞, 刘铁根
2020, 69 (13): 137802. doi: 10.7498/aps.69.20200353
摘要 +
基于多芯少模光纤结构特性, 提出了一种具有开放式感知通道的多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器. 建立了多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器的模型, 利用有限元方法分析了纤芯气孔间距、膜层厚度、膜层材料以及不同传输模式对传感器性能的影响, 并讨论了传感器多通道感知性能. 仿真分析发现, 纤芯气孔间距决定了倏逝波的耦合强度, 材料特性和模式共同影响了表面等离子体共振峰的位置和灵敏度. 经过计算可知: 当单个凹槽传感通道上沉积100 nm铟锡氧化物薄膜, 分析物折射率范围为1.33—1.39时, LP11ax模式对应的平均光谱灵敏度为12048 nm/RIU(其中RIU为折射率单位, 即refractive index unit), 最高灵敏度为20824.66 nm/RIU, 最大折射率分辨率可达4.8 × 10–6 RIU; 当光纤外围凹槽镀上不同厚度的金膜、银膜和铟锡氧化物膜时, 既可以单独探测生物物质, 也可以联合检测同一生物物质, 实现了传感通道的控制灵活性和测试物质的多样性.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
基于机械剥离β-Ga2O3的Ni/Au垂直结构肖特基器件的温度特性
龙泽, 夏晓川, 石建军, 刘俊, 耿昕蕾, 张赫之, 梁红伟
2020, 69 (13): 138501. doi: 10.7498/aps.69.20200424
摘要 +
本文制备了基于机械剥离β-Ga2O3的Ni/Au垂直结构肖特基器件, 对该器件进行了温度特性I-V曲线测试. 器件表现出了良好的二极管特性, 随着温度从300 K升高至473 K, 势垒高度从1.08 eV上升至1.35 eV, 理想因子从1.32降低至1.19, 二者表现出了较强的温度依赖特性, 这表明器件的肖特基势垒存在势垒高度不均匀的问题. 串联电阻随温度升高而降低, 这主要是热激发载流子浓度升高导致的. 本文利用势垒高度的高斯分布对器件的温度特性进行了修正, 修正后的势垒高度为1.54 eV, 理查孙常数为26.35 A·cm–2·K–2, 更接近理论值, 这表明利用高斯分布势垒高度的热电子发射模型能够很好地解释Au/Ni/β-Ga2O3肖特基二极管的I-V温度特性问题, 这种方法更适合用来测量β-Ga2O3肖特基二极管的电学参数.

封面文章

基于缺陷态钝化的高效稳定蓝光钙钛矿发光二极管
吴海妍, 唐建新, 李艳青
2020, 69 (13): 138502. doi: 10.7498/aps.69.20200566
摘要 +
钙钛矿材料由于具备带隙易调、光致发光量子产率高、色纯度高、载流子迁移率高、可低温溶液加工、电荷传输性能优良等优点, 在照明显示领域大放异彩. 近年来, 通过控制化学计量比、尺寸工程和钝化缺陷等多种策略对钙钛矿微观结构进行调控, 极大地提高了钙钛矿发光二极管(perovskite light emitting diodes, PeLEDs)的性能. 目前,除蓝光外, 绿光、红光、近红外PeLEDs的外量子效率(EQE)均已超过20%. 造成蓝光器件性能停滞不前的主要原因是蓝光钙钛矿薄膜较差的覆盖率以及光谱不稳定. 为提高钙钛矿薄膜质量及器件性能, 本文在准二维钙钛矿材料PEAxCsPbBr3–yCly的基础上, 通过引入双添加剂聚乙二醇(PEG)和溴化钾(KBr), 钝化薄膜表面缺陷态, 减小晶粒尺寸, 抑制离子迁移与非辐射复合损耗, 进而提升蓝光钙钛矿器件的效率及光谱稳定性. 最终在488 nm处获得最大亮度为1049 cd·m–2, 电流效率为5.68 cd·A–1, 外量子效率为4.6%的蓝光PeLEDs. 相比于不含添加剂的器件, 效率提升了近3倍, 且具有良好的光谱稳定性和工作寿命.
基于时变状态网络的银行风险传导研究
邱路, 黄国妍
2020, 69 (13): 138901. doi: 10.7498/aps.69.20200221
摘要 +
银行风险传导研究是系统性金融风险测度与防范的重点. 文献中主要研究静态银行网络拓扑结构和银行系统性风险量化, 较少考虑银行网络之间的状态转变. 针对上述问题, 提出时变状态网络模型. 根据模型, 首先用kmeans方法对各个时间段的银行网络分类, 然后通过有向最小生成树(DMST, directed minimum spanning tree)分析每一类银行网络的拓扑结构, 最后联合利用平面最大过滤图(PMFG, planar maximally filtered graph)方法构建时变银行状态网络, 该网络可用作银行风险源头的寻找和传导时变性分析. 利用时变状态网络模型研究我国15家上市商业银行2007年第四季度到2019第一季度同业拆借数据. 结果表明, 银行状态网络之间的短期连续跳跃性可有效描述金融危机的发生, 比如2008年全球金融危机发生前后出现了两个状态间的短期跳跃, 从2013年“钱荒”到2015年的股灾阶段, 先后出现了四个状态间的短期跳跃. 同时, 各个有向银行状态网络的出度和传染效应成正比, 入度和银行面临风险的稳健程度成反比. 时序的银行状态网络具有记忆性特征, 这可以为央行防范系统性风险提供决策依据.