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百岁铁电: 新材料、新应用专题

  

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高性能铌酸钾钠基无铅陶瓷的压电和电卡性能
魏晓薇, 陶红, 赵纯林, 吴家刚
2020, 69 (21): 217705. doi: 10.7498/aps.69.20200540
摘要 +
压电陶瓷作为一种能够实现机械能和电能相互转换的功能材料, 在民用和军事方面都有着广泛应用. 随着人们环保及健康意识的提高, 高性能兼具环境协调性的无铅压电陶瓷的研究成为了一项紧迫任务. 在众多无铅材料中, (K, Na)NbO3 (KNN)基陶瓷因其优异的综合性能而受到关注, 但是利用相界同时调控高压电和电卡性能的研究偏少. 本文采用传统固相方法制备了0.944K0.48Na0.52Nb0.95Sb0.05O3-0.04Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5ZrO3-1.6%(AgxNa1–x)SbO3-0.4%Fe2O3 (x = 0—1.0)无铅压电陶瓷, 重点研究了AgSbO3/NaSbO3对陶瓷相结构、压电和电卡性能的影响. 研究结果表明: 陶瓷在研究组分范围内均为“三方-正交-四方”三相共存; 随着AgSbO3含量的增加, 该陶瓷的压电及铁电性能均有所波动(d33 = 518—563 pC/N, kp = 0.45—0.56, Pmax = 21—23 μC/cm2Pr = 14—17 μC/cm2). 同时, 利用间接法表征了该陶瓷的电卡效应, 在居里温度附近得到了较高的电卡温变值(>0.6 K). 因此, 在KNN基陶瓷中通过相界构建能够同时实现高压电和良好的电卡性能.

研究快讯

  

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高压下非铅双钙钛矿Cs2TeCl6的结构和光学性质
姚盼盼, 王玲瑞, 王家祥, 郭海中
2020, 69 (21): 218801. doi: 10.7498/aps.69.20200988
摘要 +
无毒环保且稳定的非铅双钙钛矿材料因具有和铅基钙钛矿相似的三维结构, 被认为是铅基钙钛矿材料最有前景的替代品之一. 本文采用溶液法制备了一种新型非铅双钙钛矿材料Cs2TeCl6, 利用金刚石对顶砧高压装置和高压原位同步辐射X射线衍射、紫外-可见吸收光谱技术, 对其在高压下的晶体结构、光学带隙和电子结构演化进行了深入研究. 研究表明, 在实验压力范围(0—50.0 GPa)内Cs2TeCl6晶体结构并未发生改变, 始终保持Fm-3m的结构对称性, 表明该样品具有良好的稳定性; Cs2TeCl6的体积随压力的增加曲线变化比较平滑, 通过三阶Birch-Mumaghan状态方程得到了体弹模量B0 = (18.77 ± 2.88) GPa; Cs2TeCl6为间接带隙半导体, 在0—20.0 GPa范围内其光学带隙随着压力的增大逐渐减小, 这与高压下八面体[TeCl6]2–的收缩相关. 完全卸压后, Cs2TeCl6恢复到加压前的初始状态. 研究结果为深入理解此类材料的晶体结构和光学性质提供科学依据, 并为调控其晶格结构、光学带隙及电子结构提供思路.

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X波段高重频长脉冲高功率多注相对论速调管放大器的设计与实验研究
刘振帮, 黄华, 金晓, 王腾钫, 李士锋
2020, 69 (21): 218401. doi: 10.7498/aps.69.20201013
摘要 +
多注相对论速调管放大器向工程化和实用化方向发展, 需要进一步提高其工作重频和使用寿命. 针对高功率多注相对论速调管放大器在输出腔间隙电子束换能后, 会出现电子返流轰击输出腔表面, 以及输出腔间隙电场过高产生射频击穿导致输出腔表面出现烧蚀的问题, 本文分析了强流相对论电子束在器件中的返流过程, 在此基础上设计了四间隙扩展互作用提取结构以避免电子返流和降低间隙电场, 并提高器件工作寿命. 同时针对高工作频段高过模器件中常规水冷却通道会影响输出微波模式的问题, 设计了同轴TEM模-扇形TE10模-同轴TEM模-圆波导TM01模的模式变换结构, 模式转换效率大于99.9%, 避免了收集极水冷却通道对输出微波模式的影响, 以提高器件工作重频. 在重频45 Hz工作条件下, 实验实现X波段长脉冲GW级高功率微波稳定输出, 器件累计运行约10000次, 输出微波参数无明显下降.

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基于斜驻点模型的剪切层撞击壁面流动及传热特性
方芳, 鲍麟, 童秉纲
2020, 69 (21): 214401. doi: 10.7498/aps.69.20201000
摘要 +
高速流体以一定角度冲击壁面可以简化为斜驻点流动, 包括正驻点流动分量和剪切流动分量. 以往研究集中在不可压缩的斜驻点流动, 本文针对高速可压缩的斜驻点流动模型, 给出了新的自相似求解方案. 通过与数值结果对比验证, 发现该模型能很好地模拟高超声速再附产生的均匀剪切层撞击壁面流动. 通过对比流动中能量输运项和做功项的贡献, 发现斜驻点流动的剪切分量带来较强的压缩效应和耗散效应, 造成流动具有显著的流向对流传热, 表现为再附后近壁流体温度迅速升高, 最终产生壁面上的高热流值. 参数分析表明壁面热流系数与无量纲壁面温度梯度和边界层厚度相关, 前者主要受斜驻点剪切分量参数控制, 后者与驻点分量参数呈负相关.

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超快光脉冲照射GaAs晶体产生的干涉环
尚玲玲, 钱轩, 孙天娇, 姬扬
2020, 69 (21): 214202. doi: 10.7498/aps.69.20201055
摘要 +
用飞秒脉冲激光照射砷化镓(gallium arsenide, GaAs)晶体, 透射光出现了多级的干涉环. 利用透射式Z-扫描光路, 改变飞秒脉冲激光入射到GaAs晶体表面时的功率密度, 观察到干涉环有规律地收缩(或扩张): 功率密度越大, 出现的干涉环越多, 张角也越大. 高强度飞秒脉冲激光的非线性效应局部地改变了GaAs晶体的折射率, 从而导致光程差的出现, 这是一种非线性效应(克尔透镜). 超快光脉冲在GaAs晶体里产生的克尔透镜不能像理想的薄透镜那样把光束聚焦, 而是让透镜光束形成了干涉环. 通过分析干涉环的变化, 可以得到GaAs晶体的非线性吸收系数和非线性折射率.

专题:太赫兹自旋光电子

  

封面文章

强磁场在ZnCr2Se4中诱导的各向异性太赫兹共振吸收
张朋, 刘政, 戴建明, 杨昭荣, 苏付海
2020, 69 (20): 207501. doi: 10.7498/aps.69.20201507
摘要 +
$ \langle 111\rangle $晶向配置下, 当磁场强度高于7 T时, 其太赫兹共振明显劈裂为高频和低频两个吸收峰, 并且其高频吸收表现出非线性磁场依赖关系. 这种奈尔温度以下特有的各向异性太赫兹自旋动力学效应可能与最近发现的量子临界区域有关.">作为典型的具有螺旋磁结构的材料, ZnCr2Se4承载着诸如磁电耦合、磁致伸缩和负热膨胀等有趣特性, 并可能具备多种不同的量子基态. 本文利用太赫兹时域光谱技术研究了ZnCr2Se4在低温强磁场(T = 4—60 K, H = 0—10 T)下的自旋动力学行为. 当外加磁场高于4 T时, 可以观察到亚太赫兹频率范围的磁共振吸收, 并呈现出随磁场增加蓝移特征. 当磁场( H )方向垂直于太赫兹波矢( k )方向时, 仅观察到单个共振吸收, 且其磁场行为符合线性拉莫尔进动关系. 这种磁场依赖性对应传统的铁磁共振, 意味着螺旋自旋态在高磁场下演化为线性铁磁态. 然而, 在 Hk 同时平行于样品的$ \langle 111\rangle $晶向配置下, 当磁场强度高于7 T时, 其太赫兹共振明显劈裂为高频和低频两个吸收峰, 并且其高频吸收表现出非线性磁场依赖关系. 这种奈尔温度以下特有的各向异性太赫兹自旋动力学效应可能与最近发现的量子临界区域有关.

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分子结拉伸与界面识别: 破解4, 4′-二吡啶分子结拉伸过程中高低电导之谜
索雨晴, 刘然, 孙峰, 牛乐乐, 王双双, 刘琳, 李宗良
2020, 69 (20): 208502. doi: 10.7498/aps.69.20201297
摘要 +
4,4′-二吡啶分子结在拉伸过程中呈现出独特的高低电导现象, 是分子电子学近十几年研究中的未解之谜. 根据实验测量过程以及所采用的技术手段, 发展了基于第一性原理计算的分子结绝热拉伸模拟方法, 对4,4′-二吡啶分子结的拉伸过程进行了模拟计算. 并利用一维透射结合三维修正近似(OTCTCA)方法计算了拉伸过程中体系电导的变化, 成功破解了4,4′-二吡啶分子结在拉伸过程中的高低电导之谜. 结果显示, 在4,4′-二吡啶分子结的拉伸过程中, 分子末端的氮原子很容易吸附到探针电极的第二层金原子上, 并且导致分子对尖端金原子产生特有的侧向推动作用, 将探针尖端金原子推向一侧, 从而在拉伸过程中出现高电导平台. 进一步拉伸分子结, 分子上端氮原子移动并吸附到探针尖端金原子上, 同时尖端金原子重新回到原来的晶格位置上. 体系电导也因此降低大约5—8倍, 形成低电导平台. 根据计算结果, 4,4′-二吡啶分子结双电导平台的出现同时表明基底电极很容易存在表面金原子, 且只有分子吸附到表面金原子上才会出现高低电导现象. 可见, 利用分子结拉伸过程中测量到的电导曲线并借助理论计算可以有效识别分子结界面结构. 另外, 对4,4′-二吡啶分子结高低电导现象物理过程和内在物理机制的破译, 为更好利用含吡啶末端分子构建分子开关、分子存储器、分子传感器等功能分子器件提供了重要技术信息与依据.

专题:太赫兹自旋光电子

  

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准二维范德瓦耳斯磁性半导体CrSiTe3的THz光谱
索鹏, 夏威, 张文杰, 朱晓青, 国家嘉, 傅吉波, 林贤, 郭艳峰, 马国宏
2020, 69 (20): 207302. doi: 10.7498/aps.69.20200682
摘要 +
准二维范德瓦耳斯磁性材料CrSiTe3同时具有本征磁性与半导体能带结构, 在光电子学和纳米自旋电子学领域中具有广泛的应用, 近年来吸引了广大科研工作者的兴趣. 利用超快太赫兹光谱技术, 本文对准二维范德瓦耳斯铁磁半导体CrSiTe3进行了系统的研究, 包括太赫兹时域光谱, 光抽运-太赫兹探测光谱及太赫兹发射光谱. 实验结果表明, 样品的太赫兹电导率随温度的变化表现得十分稳定, 且样品ab面对太赫兹波的响应呈现为各向同性; 800 nm光抽运后的光生载流子表现为一种双指数形式的弛豫变化, 复光电导率可以用Drude-Smith模型很好地拟合, 光载流子的弛豫过程由电子-空穴对的复合所主导; 飞秒脉冲入射到样品表面后可以产生太赫兹辐射, 且具有0—2 THz的带宽. 本文给出了CrSiTe3在光学及太赫兹波段的光谱, 为其在电子及光电子器件方面的设计和优化提供了借鉴与参考.

综述

  

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流感病毒和冠状病毒的细胞表面结合与内化
鲍美美, 杨恺, 元冰
2020, 69 (20): 208701. doi: 10.7498/aps.69.20201161
摘要 +
病毒是一种在活细胞内寄生并以复制方式增殖的非细胞型生物. 不同病毒侵入细胞的方式不同, 但大都需要通过结合至细胞表面特定的受体蛋白或脂质结构来实现细胞内化, 从而启动入侵程序和感染宿主细胞. 因此揭示病毒结合和内化侵入细胞的具体过程及机制有助于从源头上开发靶向药物或疫苗. 本文以流感病毒和冠状病毒为例, 首先介绍了流感病毒的结构, 其与细胞膜上特定种类蛋白或脂质结构的结合方式, 其完成细胞内吞的途径及诱导其内化的细胞因子种类, 以及侵入细胞后的作用过程, 继而对冠状病毒尤其针对目前仍在全球范围内肆意传播的新型冠状病毒(SARS-CoV-2), 扼要阐述了其结构特点、与细胞受体血管紧张素转化酶ACE2的结合及实现细胞内化的研究进展.

综述

  

封面文章

面向显示应用的微米发光二极管外延和芯片关键技术综述
潘祚坚, 陈志忠, 焦飞, 詹景麟, 陈毅勇, 陈怡帆, 聂靖昕, 赵彤阳, 邓楚涵, 康香宁, 李顺峰, 王琦, 张国义, 沈波
2020, 69 (19): 198501. doi: 10.7498/aps.69.20200742
摘要 +
随着显示技术的不断发展, 高度微型化和集成化成为显示领域主要的发展趋势. 微米发光二极管(light-emitting diode, LED)显示是一种由微米级半导体发光单元组成的阵列显示技术, 在亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度和稳定性等方面相比于液晶显示和有机发光二极管显示均具有巨大的优势, 应用前景十分广阔, 同时也被视为下一代显示技术. 目前商用的5G通信技术与显示领域的虚拟现实、增强现实和超高清视频等技术的结合, 将进一步推动微米LED显示产业的发展. 在面临发展机遇的同时, 微米LED显示领域也存在着一些基础科学技术问题需要解决. 本文主要总结了微米LED显示从2000年以来的一些研究进展, 重点介绍了微米LED显示在外延生长和芯片工艺两方面存在的主要问题和可能的解决方案. 在外延生长方面主要介绍了缺陷控制、极化电场控制和波长均匀性等研究进展, 芯片工艺方面主要介绍了全彩色显示、巨量转移和检测技术等进展情况, 并对微米LED显示在这两方面的发展趋势进行了讨论.
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