Vol. 70, No. 16 (2021)
2021年08月20日
封面文章
量子存储器是构建未来大规模量子网络的核心器件. 由于具有超长的量子相干寿命, 稀土掺杂晶体逐渐成为最有希望实现实用量子存储的材料之一. 然而掺杂晶体中不可避免的晶格畸变限制了该类材料的吸收深度和存储效率. 纯稀土化合物晶体则同时满足了低晶格畸变和高稀土离子密度的需求, 有望实现高光存储效率. EuCl3·6H2O晶体是目前研究较多的一种纯稀土化合物晶体, 已经实现了低于超精细能级间距的光学非均匀展宽, 并且理论预测的自旋相干寿命可达1000 s, 是一种颇具潜力的量子存储材料. 目前光存储或量子存储功能仅仅在稀土掺杂晶体中实现过, 尚无实验报道纯稀土化合物晶体中的光存储现象. 本文报告了在EuCl3·6H2O晶体中实现了原子频率梳型光存储. 通过降温法生长得到了EuCl3·6H2O单晶, 实验测得其$^7{\rm{F}}_0 \rightarrow {}^5{\rm D}_0$ 跃迁相干时间为55.7 μs, 存储时间1 μs时的存储效率为1.71%, 展现了这种材料实现光量子存储的原理可行性. 通过分析温度依赖的吸收线频率移动, 指出在这一材料中实现高效率光存储的主要挑战在于高效率的光谱烧孔.
李宗峰,
刘端程,
周宗权,
李传锋
物理学报.2021, 70(16): 160302.
特邀综述
编辑推荐
2021, 70 (16): 160702.
doi: 10.7498/aps.70.20210685
摘要 +
基于石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)的气体传感技术具有系统体积小、成本低、环境适应性强等优点, 是目前一种重要的光谱式痕量气体检测方法. 探测灵敏度是传感器系统的重要指标, 关系到能否满足实际应用, 因此, 本文从提高QEPAS传感系统灵敏度的角度出发, 总结了常见的技术手段, 包括采用高功率激发光源增大激发强度、采用与分子基频/强吸收带相匹配的激光源来增大吸收强度、采用声波共振腔增大音叉处的声波强度、采用低共振频率石英音叉提高能量积累时间、采用多光程来增大光与气体的相互作用长度等方法, 并对其优缺点分别进行了阐述. 针对工程应用问题, 本文主要讨论了全光纤化和传感系统小型化, 并以载人航天领域的应用为例进行了例证. 最后, 对进一步提高QEPAS传感技术灵敏度的方法进行了展望.
总论
2021, 70 (16): 160301.
doi: 10.7498/aps.70.20201981
摘要 +
多组份量子导引是一种重要的量子资源, 是安全量子通信网络的基础. 本文设计了串联级联四波混频和混合级联四波混频两种不同的方案, 并基于这两种方案分别产生了三组份量子导引和五组份量子导引, 通过构建系统量子态的协方差矩阵, 理论研究了两种方案产生不同模式组合间的导引参数随四波混频过程振幅增益的变化. 结果表明, 利用这两种方案可以实现多种类型的量子导引, 这一结果不仅有助于理解量子导引在多组份系统的分布而且在实际的安全量子通信网络中具有重要的意义.
封面文章
2021, 70 (16): 160302.
doi: 10.7498/aps.70.20210648
摘要 +
量子存储器是构建未来大规模量子网络的核心器件. 由于具有超长的量子相干寿命, 稀土掺杂晶体逐渐成为最有希望实现实用量子存储的材料之一. 然而掺杂晶体中不可避免的晶格畸变限制了该类材料的吸收深度和存储效率. 纯稀土化合物晶体则同时满足了低晶格畸变和高稀土离子密度的需求, 有望实现高光存储效率. EuCl3·6H2O晶体是目前研究较多的一种纯稀土化合物晶体, 已经实现了低于超精细能级间距的光学非均匀展宽, 并且理论预测的自旋相干寿命可达1000 s, 是一种颇具潜力的量子存储材料. 目前光存储或量子存储功能仅仅在稀土掺杂晶体中实现过, 尚无实验报道纯稀土化合物晶体中的光存储现象. 本文报告了在EuCl3·6H2O晶体中实现了原子频率梳型光存储. 通过降温法生长得到了EuCl3·6H2O单晶, 实验测得其$^7{\rm{F}}_0 \rightarrow {}^5{\rm D}_0$ 跃迁相干时间为55.7 μs, 存储时间1 μs时的存储效率为1.71%, 展现了这种材料实现光量子存储的原理可行性. 通过分析温度依赖的吸收线频率移动, 指出在这一材料中实现高效率光存储的主要挑战在于高效率的光谱烧孔.
2021, 70 (16): 160701.
doi: 10.7498/aps.70.20210247
摘要 +
基于光力谐振腔的磁力仪在应用时主要受限于灵敏度和检测带宽两个指标. 本文设计了一种厘米尺寸的回音壁模式谐振腔结构, 可探测6 Hz至1 MHz频率范围内的交变磁场, 在无磁屏蔽、室温环境下、无直流偏置磁场时, 其最佳灵敏度在123.8 kHz可达530 pT·Hz–1/2, 探测带宽和最佳灵敏度分别为同尺寸谐振腔的11倍和1.67倍. 该磁场传感器仅需100 μW的光功率, 功耗很低. 后续通过优化系统噪声、提升器件磁场响应能力等手段可进一步提升其传感性能, 有望在电力系统故障监测和医学诊断等领域发挥其应用潜力.
2021, 70 (16): 160703.
doi: 10.7498/aps.70.20210029
摘要 +
惯性约束核聚变成功的关键之一在于靶丸内要形成均匀的燃料冰层, 靶丸外表面温度特性对惯性约束聚变低温靶内形成均匀的燃料冰层有着决定性的影响. 为使得靶丸外表面温度场尽可能均匀, 需采用定向红外的方式对靶丸外表面温度进行局部调控. 采用全三维低温靶物理模型, 建立定向红外光路追踪与温度场计算耦合计算的光热耦合数值模型, 研究了定向红外条件下光纤布置形式及光源参数对低温靶温度场的影响规律. 结果表明: 在光纤总功率不变的前提下, 光纤数量越多, 靶丸外表面温度场均匀性越好. 光纤数量小于等于2时, 靶丸外表面温度场无法得到明显改善; 光纤数量大于2时, 靶丸外表面最大温差和加权温差降低幅值极限为61.94%和76.33%. 光纤投射的光斑向南北两极适量偏移可以改善靶丸外表面温度场均匀性, 其他的偏移方式会恶化温度场均匀性.
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2021, 70 (16): 160704.
doi: 10.7498/aps.70.20210156
摘要 +
基于同步辐射的X射线纳米成像技术是无损研究物质内部纳米尺度结构的强大工具, 本文总结了图像配准技术在纳米CT成像领域的研究和应用, 并根据发展阶段进行分类分析. 首先, 通过统计近年以来图像配准文献的发表情况, 分析并预测纳米尺度图像配准的未来研究方向. 其次, 基于图像经典配准算法理论, 详细介绍了图像配准算法在纳米成像领域最有效的前沿应用. 最后, 介绍了基于深度学习的图像配准方法的前沿研究, 并讨论深度学习在纳米分辨图像配准领域的适用性及发展潜能, 根据纳米尺度图像数据的特点及各种深度学习网络模型的特性, 展望了同步辐射纳米尺度图像配准技术的未来研究方向及挑战.
基本粒子物理学与场
2021, 70 (16): 161201.
doi: 10.7498/aps.70.20210030
摘要 +
格点量子色动力学(格点QCD)是一种以量子色动力学为基础, 被广泛应用于强相互作用相关计算的理论, 作为一种可以给出精确可靠理论结果的研究方法, 近年来随着计算机能力的提升, 正在发挥着越来越重要的作用. 蒸馏算法是格点QCD中计算强子关联函数的一种重要数值方法, 可以提高所计算物理量的信噪比. 但用它来构造关联函数时, 同样面临着数据量大和数据维数多的问题, 需要进一步提升计算效率. 本文开发了一套利用蒸馏算法产生夸克双线性算符的关联函数的程序, 利用MPI (message passing interface, 消息传递接口, https://www.open-mpi.org), OpenMP (open multi-processing, 共享存储并行) 和SIMD (single instruction multiple data, 单指令多数据流)多级别优化技术解决其中计算性能瓶颈问题. 对程序进行了多方面的测试, 结果表明本文的设计方案能够支持大规模的计算, 在强扩展性测试下512个进程并行计算仍能达到70%左右的效率, 大大提升了计算关联函数的能力.
核物理学
2021, 70 (16): 162401.
doi: 10.7498/aps.70.20210503
摘要 +
利用蒙特卡罗方法, 模拟计算了不同线性能量传输(liner energy transfer, LET)的重离子在碳化硅中的能量损失, 模拟结果表明: 重离子在碳化硅中单位深度的能量损失受离子能量和入射深度共同影响; 能量损失主要由初级重离子和次级电子产生, 非电离能量损失只占总能量损失的1%左右; 随着LET的增大, 次级电子的初始角度和能量分布越来越集中; 重离子诱导产生的电荷沉积峰值位置在重离子径迹中心, 在垂直于入射深度方向上呈高斯线性减小分布. 利用锎源进行碳化硅MOSFET单粒子烧毁试验, 结合TCAD模拟得到不同漏极电压下器件内部电场分布, 在考虑电场作用的蒙特卡罗模拟中发现: 碳化硅MOSFET外延层的电场强度越大, 重离子受电场作用在外延层运动的路径越长、沉积能量越多, 次级电子越容易偏向电场方向运动导致局部能量沉积过高.
原子和分子物理学
2021, 70 (16): 163101.
doi: 10.7498/aps.70.20202039
摘要 +
基于第一性原理计算了2, 3-二呋喃基马来酸酐(2, 3-difurylmaleic anhydride, DFMA)的光致变色开关机理. 在获得DFMA分子开环(O-DFMA)和闭环(C-DFMA)稳定构型的基础上, 应用微动弹性带(NEB)法找到了开环与闭环之间的最小能量路径(MEP)及过渡态构型(TS-DFMA), 得出O-DFMA和C-DFMA的势垒分别是24959 cm–1(3.0945 eV)和23328 cm–1(2.8923 eV), 预示着DFMA分子可能为热稳定双稳态分子. 基于MEP曲线(基态S0)对应的分子构型, 计算了DFMA最低8个单重激发态的势能曲线, 发现仅第1激发态(S1态)在TS-DFMA构型时出现极小值. 结合分子轨道跃迁及其图像, DFMA分子光致变色的机理为: 1)闭环→开环: 在S1–S0共振跃迁的波长激光作用下, C-DFMA分子从S0跃迁至S1态, 然后分子沿S1态势能曲线退激发, 在TS-DFMA构型处发生从S1态到S0态的交叉跳变回到O-DFMA构型, 完成由闭环→开环的开关动作. 这一开关过程中S1态势能曲线单调下降, 预示着开环动作不会有荧光辐射发生; 2)开环→闭环: 在S1–S0共振跃迁的波长激光作用下, O-DFMA分子从S0跃迁至S1态. 从O-DFMA构型到TS-DFMA构型, S1态势能曲线存在一段相对“平坦”的区域, 仅在接近TS-DFMA构型时才明显单调下降. 这意味着O-DFMA分子可能需要借助振动激发才能跨越S1这段“平坦”区从而接近到TS-DFMA构型, 然后顺着单调下降的S1态势能曲线退激发, 在TS-DFMA构型处发生从S1态到S0态的交叉跳变, 完成由开环→闭环的开关动作. 也正因为有起初S1态势能曲线的平坦区, 这一激发开关过程中同时伴有荧光辐射发生. DFMA分子的光致变色机理预示着其适合制作荧光分子开关.
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2021, 70 (16): 163201.
doi: 10.7498/aps.70.20210193
摘要 +
铀同位素比(235U/238U)高精度测量在核能安全领域具有重要的研究意义和应用价值, 本文基于高灵敏度可调谐吸收光谱技术, 结合脉冲激光烧蚀产生等离子体的样品处理方式, 实现了固体材料中235U和238U铀同位素比的高精度测量. 实验测量选择λ = 394.4884 nm/394.4930 nm (vacuum)作为235U/238U分析线, 详细研究了缓冲气体及其压力对激光烧蚀等离子体中铀原子存在时间的影响. 结果表明氦气作为缓冲气体更有利于铀原子吸收光谱测量. 实验获得了测量铀原子吸收光谱的最佳测量条件, 并测量了235U含量分别为4.95%, 4.10%, 3.00%, 1.10%和0.25%的五种样品, 获得了235U和238U的高分辨率吸收光谱信号. 不同含量样品吸收光谱测量与统计分析表明, 235U吸收信号的线性度良好, 拟合相关系数为0.989, 检测限为0.033% (3σ), 吸收光谱测量重现性优于固定波长法. 激光烧蚀结合可调谐吸收光谱技术适用于铀同位素比测量分析, 在核燃料的同位素快速分析方面有很大的应用潜力.
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2021, 70 (16): 163202.
doi: 10.7498/aps.70.20210405
摘要 +
相干布居振荡(coherent population oscillations, CPO)光谱是一种原子布居数调制光谱, 主要利用两束位相锁定、频率差小于原子自发辐射线宽的耦合光和探测光与原子相互作用, 激光强度调制会导致原子布居数相干振荡, 实现窄带宽的探测光透射. 本文基于Λ型原子能级结构, 在室温铯原子系综中实现了相干布居振荡光谱, 光谱典型线宽小于50 kHz, 远低于5.2 MHz的自发辐射线宽. Λ型能级结构的相干布居振荡光谱线宽依赖多个简并能级系统的布居数关联振荡, 其不要求原子态的相位关联, 有利于在长激发态寿命的Rydberg原子系统中基于相干布居振荡获得窄线宽光谱, 从而提高基于Rydberg原子光谱的精密测量的灵敏度.
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2021, 70 (16): 163301.
doi: 10.7498/aps.70.20210100
摘要 +
基于双光程气体多通吸收池, 提出了一种单吸收池双光程(长光程: 72.46 m; 短光程: 36.23 m)同步测量水分子吸收光谱的测量方法, 并结合窄线宽外腔半导体激光器和高精度Fabry-Perot标准具, 发展了一套1 μm波段的高分辨率水分子吸收光谱双光程同步测量装置. 在测量装置建立后, 精确测量了Fabry-Perot标准具的自由光谱范围, 并详细评估了该系统中Fabry-Perot标准具以及双光程气体多通吸收池内压力和温度的稳定性. 利用该装置测量了9152.53 cm–1处水分子在双光程下的吸收光谱, 分别反演得到了长光程和短光程下的分子吸收线强和自加宽系数. 双光程吸收线强和自加宽系数的平均值与HITRAN2016数据库相应数据的相对偏差分别为0.78 %和3.8 %, 该结果验证了双光程同步测量方法的可行性和测量装置的可靠性.
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2021, 70 (16): 163302.
doi: 10.7498/aps.70.20210522
摘要 +
冷分子是当下物理学的前沿领域和热点研究方向之一, 早在2004年就有科学家提出将CaH分子作为激光冷却与磁光囚禁的候选分子. 本文首先用三种方法(莫尔斯势法、闭合近似法和RKR反演法)计算CaH分子的弗兰克-康登因子, 证实了CaH的$ {\mathrm{X}}^{2}\Sigma _{1/2} $ 态和$ {\mathrm{A}}^{2}\Pi _{1/2} $ 态之间具有高度对角化的弗兰克-康登因子矩阵. 随后, 采用有效哈密顿量的方法研究了基态$ {\mathrm{X}}^{2}\Sigma _{1/2} $ 的超精细能级结构和$ {\mathrm{A}}^{2}\Pi _{1/2}\left(J=1/2, \mathrm{ }+\right)\leftarrow {\mathrm{X}}^{2}\Sigma _{1/2}\left(N=1, \mathrm{ }-\right) $ 跃迁的超精细跃迁分支比, 并提出可同时覆盖超精细能级的边带调制方案. 最后, 为探究CaH分子磁光囚禁的相关性质, 计算了$ |X, \mathrm{ }N=1, -\rangle $ 态的塞曼效应和 J 混合下的朗德 g 因子. 以上工作不仅证明了激光冷却和磁光囚禁CaH分子的可行性, 而且对天体物理学中的光谱分析、超冷分子碰撞以及探索基本对称性破缺等基础物理学的相关研究也具有一定的参考意义.
2021, 70 (16): 163303.
doi: 10.7498/aps.70.20202044
摘要 +
磁共振测深法(magnetic resonance sounding, MRS)具有无需钻探即可直接探测地下水含量的优势, 但是极低的信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)限制了该方法的大范围应用, 目前的研究工作主要集中在消除MRS信号中的尖峰噪声和工频谐波噪声上, 而随机噪声由于其无规律性导致难以消除, 但是它的影响不容忽视. 目前MRS随机噪声的消减常采用叠加法, 需要重复采集数据叠加平均来达到消噪目的, 探测时间长且消噪效果有限. 针对这一问题, 本文提出了一种改进的短时傅里叶变换方法, 该方法通过处理单次采集的MRS包络信号来降低数据量, 提高数据处理效率. 改进的短时傅里叶变换方法采用解析信号代替常规短时傅里叶变换中的实值信号, 提高MRS信号时频域瞬时幅度的准确度, 得到MRS信号的高精度时频分布, 然后提取时频域峰值幅度和峰值相位重构信号来消除随机噪声. 仿真实验和实测数据处理结果表明, 该方法能够直接处理单次采集数据, 在信噪比高于–17.21 dB的情况下可有效提取MRS信号, 实现随机噪声的压制, 且与传统叠加法相比, 信噪比最多可提高27.88 dB, 均方根误差最多缩小36.44倍, 参数估计值更加准确. 本文的研究结果为利用MRS获取准确的地下水分布情况奠定了良好的基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (16): 164101.
doi: 10.7498/aps.70.20210334
摘要 +
针对舰船磁场混合模型建模中存在的建模精度不高和稳定性差的问题, 提出一种高精度稳定模型建立方法, 结合混合模型中磁偶极子参数与舰船结构的相关性, 以建模精度和模型稳定性为目标构造了多目标函数, 通过对多目标函数优化获得合理的磁偶极子参数, 间接地将建模求解问题转化为多目标函数优化问题.利用多目标粒子群优化算法进行求解, 得到了建模问题求解结果的可选集, 以建模精度为基准设计了从可选集中选取最佳结果的选择规则. 三种类型的舰船船模实测数据建模结果表明: 本文方法所建模型相对误差小于3%, 换算误差小于6%, 能够有效对舰船磁场进行建模; 当存在测量数据误差时, 本文方法建模求解结果稳定, 验证了文本方法建模具有较好的稳定性. 海上的某型舰船实测数据建模结果表明, 本文方法建模具有较高的建模精度和换算精度, 能够有效地在相关的工程中应用.
2021, 70 (16): 164201.
doi: 10.7498/aps.70.20210314
摘要 +
针对浑浊水体偏振成像时由于强散射作用导致的背景散射光分布不均匀且目标信息被淹没, 无法有效解译, 难以实现清晰化成像的问题, 提出基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术. 该技术利用散射光场中偏振信息的共模抑制特性消除非均匀性, 结合水下散射光场中背景信息纹理单一、信息相关性高以及目标信息空间占比小的特点, 建立偏振域的稀疏-低秩信息分析处理模型, 有效分离目标和背景信息, 重建高对比度清晰目标图像. 实验结果表明, 基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术不仅能够有效地提升浑浊水下图像的对比度, 复原细节信息, 而且能够有效地抑制非均匀强散射, 在水下偏振成像领域具有良好的应用前景.
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2021, 70 (16): 164202.
doi: 10.7498/aps.70.20210287
摘要 +
本文报导了一种二极管叠阵侧面折返泵浦的多边形薄片Nd:YAG激光器, 通过对其增益特性和光学特性的优化, 得到了泵浦光耦合效率为97%, 增益介质吸收效率达87%, 增益介质内泵浦吸收分布均匀性为3.21% (root mean square, RMS)的结果. 实验测得与模拟数据吻合较好的增益介质荧光分布. 在泵浦能量为2.2 J时, 获得了能量0.85 J的激光输出, 光-光效率达38.8%, 斜效率为40.1%. 在1 Hz~100 Hz的频率范围内输出能量保持稳定，在重复频率1 Hz时测得单脉冲能量稳定性为2.7%(RMS), 在稳腔下测得激光衍射极限倍数β约为10.
2021, 70 (16): 164203.
doi: 10.7498/aps.70.20210095
摘要 +
利用柔性电子技术对半导体材料性能调控研究具有重大的科学意义及应用价值. 该研究一方面突破了传统应变工程中受限于无机材料硬而脆的特性, 且引入应变多为固定值的局限; 另一方面也为基于无机功能材料的可延展柔性电子器件在大变形环境下的性能评估提供了理论基础. 因此, 柔性电子技术为针对半导体材料或其他功能材料的应变调控提供了一种新方法, 将有望应用在诸多需要材料性能周期性改变的新颖领域之中. 本文将首先简介柔性无机电子技术, 并对其中的两大关键技术: 基于纳米金刚石颗粒的减薄及转印技术进行重点阐述, 并探究两大关键技术对半导体电子器件性能的影响; 随后介绍半导体材料近些年在应变-能带结构耦合关系方向的研究成果, 并以基于屈曲砷化镓纳米薄膜条带及量子阱结构的研究为例, 阐明柔性电子技术运用于半导体材料性能调控的独特优势; 最后展望应变调控半导体特性的应用方向与发展前景.
气体、等离子体和放电物理
2021, 70 (16): 165201.
doi: 10.7498/aps.70.20210461
摘要 +
系统电磁脉冲难以有效屏蔽, 会显著影响低轨航天器等重要装置和基础设施的性能. 为了评估二次电子对系统电磁脉冲的影响, 本文基于粒子云网格方法, 建立了三维非稳态系统电磁脉冲模型, 计算并比较了不同电流密度、金属材料等条件下, 两种典型结构的电磁脉冲响应. 结果表明, 在计算模型中忽略二次电子发射会使部分位置的峰值电场强度被低估2—3倍, 电场响应持续的时间也会被低估10%以上. 在各类二次电子中, 背散射电子对系统电磁脉冲的影响占主导, 而真二次电子的作用约为背散射电子的1/5. 二次电子发射对系统电磁脉冲的影响随着系统所用材料原子序数的增高而加大. 空间电荷效应较强时, 二次电子才会对腔体外系统电磁脉冲产生影响. 本研究有助于更好地通过数值模拟来获得具体装置在强辐射环境下的系统电磁脉冲响应.
2021, 70 (16): 165202.
doi: 10.7498/aps.70.20210441
摘要 +
脉冲强磁场装置是磁化激光等离子体实验的核心设备. 本文研制了一种用于优化脉冲强磁场设备的电感耦合线圈, 相对于单匝磁场线圈可以进一步提高磁场强度. 通过实验和模拟研究了电感耦合线圈的初级螺线管匝数和直径对磁场强度的影响, 发现对于2.4 μF电容的放电系统, 电感耦合线圈的初级螺线管在35匝、35 mm直径时, 可以在5 mm内径的次级磁场线圈中获得最高的峰值磁场强度, 是相同尺寸单匝磁场线圈产生磁场强度的3.6倍. 在充电电压20 kV时, 峰值磁场强度达到19 T, 使用铍铜材料的电感耦合线圈克服强磁场中线圈炸裂问题, 在35 kV的充电电压下得到了33 T的峰值磁场强度. 这种新方法产生了更强的磁场、降低了对回路电感的要求、提升了实验排布的灵活性, 为研究强磁场下的激光等离子体行为创造了条件.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2021, 70 (16): 166101.
doi: 10.7498/aps.70.20210515
摘要 +
以碳化硅场效应晶体管器件作为研究对象, 对其开展了不同电压、不同温度下的钴源辐照实验以及辐照后的退火实验. 使用半导体参数分析仪测试了器件的直流参数, 研究了器件辐照敏感参数在辐照和退火过程中的变化规律, 分析了电压、温度对器件辐照退化产生影响的原因, 也探索了退火恢复的机理. 结果表明: 辐照感生的氧化物陷阱电荷是造成碳化硅场效应晶体管器件电学参数退化的主要原因, 电压和温度条件会影响氧化物陷阱电荷的最终产额, 从而导致器件在不同电压、不同温度下辐照后的退化程度存在差异; 退火过程中由于氧化物陷阱电荷发生了隧穿退火, 导致器件电学性能得到了部分恢复.
编辑推荐
2021, 70 (16): 166201.
doi: 10.7498/aps.70.20210089
摘要 +
采用气炮作为加载手段, 结合反向碰撞技术和多台阶三层组合飞片技术, 通过精细的样品/窗口波剖面测量, 对典型加载-卸载-再加载路径下铁的相变动力学特性进行了研究. 观测到一次卸载阶段的多波结构及再加载段的双波结构. 获得首次逆相变阈值约为(11.3 ± 0.5) GPa, 首次加卸载相变特征时间为30 ns; 再加载相变起始压力为10—12 GPa, 且随着再加载初始态ε相质量分数降低而降低. 实验显示二次相变压力阈值与ε相残余质量分数以及逆相变子相所含孪晶、缺陷相关, 同时二次加载相转变速率比首次加载更快. 上述结果揭示了多晶铁相变动力学行为与加载路径的强耦合, 为相关研究提供了新的视角和实验支撑.
2021, 70 (16): 166301.
doi: 10.7498/aps.70.20210271
摘要 +
碲烯是性质优异的新型二维半导体材料, 研究缺陷碲烯的电子结构有助于理解载流子掺杂、散射等效应, 对其在电子和光电器件中的应用有重要意义. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了常见点缺陷对单层β相碲烯电子结构和光学性质的影响, 包括单空位、双空位及Stone Wales缺陷. 研究发现, 单层β相碲烯中单空位、双空位和Stone Wales缺陷的形成能在0.83—2.06 eV范围, 低于石墨烯、硅烯、磷烯和砷烯中对应缺陷的形成能, 说明实验上单层β相碲烯中容易形成点缺陷. 点缺陷出现后, 单层β相碲烯带隙宽度少有变化, 禁带中出现依赖于缺陷类型的局域能级, 部分双空位缺陷和Stone Wales缺陷使其由直接带隙变为间接带隙. 同时我们发现, 单层β相碲烯的光吸收性质与缺陷类型密切相关. 部分缺陷能增大其静态介电常数, 使它的复介电函数的实部、虚部及吸收系数在0—3 eV能量范围内出现新的峰, 增强它在低能区的光响应、极化能力及光吸收. 本文研究可为碲烯在电子和光电子器件中的应用提供理论参考.
2021, 70 (16): 166302.
doi: 10.7498/aps.70.20210268
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CdS/CdMnTe异质结是具有集成分立光谱结构的叠层电池的“核芯”元件, 是驱动第三代太阳能电池发展的核心引擎, 其界面相互作用对大幅度提高太阳能电池的转换效率至关重要. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算构建CdS (002), CdMnTe (111)表面模型及Mn原子占据不同位置的CdS/CdMnTe异质结界面结构模型, 分析CdS (002), CdMnTe (111)表面及异质结界面的电子性质和光学性质. 晶格结构分析表明, CdS/CdMnTe异质结的晶格失配度约为3.5%, 弛豫后原子位置与键长均在界面处发生一定程度的变化. 态密度分析发现异质结界面的费米能级附近不存在界面态, 并且界面处的Cd, S, Te原子之间的轨道杂化可增强界面的结合能力. 差分电荷密度分析显示, 界面处发生了电荷的重新分配, 电子由CdMnTe转移到CdS侧. 光学分析显示, CdS/CdMnTe异质结主要吸收紫外光, 吸收系数可达105 cm–1, 但不同Mn原子位置的异质结光学性质也稍有差别. 在200—250 nm范围, Mn原子位于中间层的异质结的吸收系数更大, 但在250—900 nm范围内, Mn原子位于界面层的异质结吸收峰更高. 本文合理构建了CdS/CdMnTe异质结模型, 计算分析了其界面光电性能, 可为提高叠层电池的光电转换效率提供一定的理论参考, 为实现多带隙异质结的实验研究提供一定的理论依据.
2021, 70 (16): 166401.
doi: 10.7498/aps.70.20210361
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基于第一性原理的密度泛函理论计算了B在fcc-Fe的Σ3(112), Σ5(210), Σ5(310), Σ9(114), Σ9(221)和Σ11(113)六种对称倾斜晶界的偏析行为, 从原子和电子层次揭示了B的偏析机制. 结果表明: B更易偏析于Σ5(210), Σ5(310)和Σ9(114)晶界, 而在Σ9(221), Σ3(112) 和Σ11(113)晶界偏析的倾向较弱; B优先占据配位数最大、五面体或六面体构型的位置; 拉伸实验和Rice-Wang热力学模型计算表明, B在晶界的偏析可提高界面的结合能力; B在Σ9(114)晶界偏析后电子结构引起局部电荷密度增加导致的化学效应优于结构变化带来的不利影响, B-p电子与Fe-s电子间的强相互作用提高了界面的结合能力. 本研究结果对B优化奥氏体不锈钢界面结构具有一定指导作用.
2021, 70 (16): 166801.
doi: 10.7498/aps.70.20210386
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六方氮化硼(hexagonal boron nitride, h-BN)因其良好的润滑性和绝缘性, 在微纳机电系统中有巨大的应用潜力. 本文通过基底刻蚀的工艺, 在SiO2/Si基底上制备了微孔阵列, 然后将h-BN转移到微孔基底上形成悬浮结构, 利用原子力显微镜研究电场对悬浮h-BN摩擦特性的影响. 结果表明: 悬浮状态的h-BN的表面摩擦力小于有基底支撑的h-BN的表面摩擦力, 原因是更大的面内拉伸削弱了褶皱效应. 电场作用下, 针尖与h-BN之间的静电相互作用增强, 悬浮h-BN表面的摩擦力随偏压的增大而增大, 且正偏压的影响大于负偏压的影响. 同时, 在电场下针尖在悬浮h-BN表面的黏滑行为出现单步黏滑向多步黏滑的转变. 此外, 与有基底支撑的h-BN相比, 悬浮状态的h-BN受电场的影响更大, 这是由于针尖与基底界面距离的缩小以及基底氧化层的缺失导致静电力增强. 本文提出了通过施加外电场来调节悬浮h-BN表面摩擦的方法, 对研究二维材料摩擦特性提供了一定的理论指导.
2021, 70 (16): 166802.
doi: 10.7498/aps.70.20201594
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真空稳定性问题是粒子加速器设计中的关键问题之一, 对高能量的超级质子-质子对撞机而言更是如此. 质子束流在弯转区产生的同步辐射将会引起束屏壁面吸附的气体分子发生解吸和裂解, 从而引发真空不稳定问题, 导致束流品质和寿命的降低, 甚至引起束流的崩溃. 本文通过建立超级质子-质子对撞机束屏内的气体动态模型, 首次计算分析了束屏内气体密度随束流运行时间的演化规律, 并探究了将非蒸散型吸气剂涂层应用于束屏设计的优化方案. 结果表明: H2是束屏内的主要解吸气体, 其次是CO, 而CO2和CH4分子密度被分子裂解所限制. 束屏内最高气体密度出现在运行初期, 气体密度随时间呈下降趋势. 考虑到非蒸散型吸气剂涂层具有强化吸附降低解吸的特性, 讨论了不锈钢镀TiZrV涂层的束屏方案, 计算得到最高等效H2密度相比不锈钢镀铜降低接近两个数量级. 计算结果定性地反映束流运行过程中束屏内的动态真空演化情况, 可为真空系统设计提供参考.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2021, 70 (16): 167101.
doi: 10.7498/aps.70.20210536
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本文制备了硫系玻璃Ge11.5As24Se64.5–xSx (x = 0, 16.125%, 32.25%, 48.375%和64.5%)并研究了其光学性质, 目的在于筛选可用于光学器件的最佳组分. 通过测试该系列玻璃的激光损伤阈值、折射率、三阶非线性折射率以及吸收光谱, 结果发现, 玻璃中的Se被S原子逐渐替代后, 玻璃的线性和三阶非线性折射率逐渐降低, 玻璃光学带隙和激光损伤阈值不断升高. 我们进一步利用拉曼散射光谱和高分辨率X射线光电子能谱研究导致这些物理性能变化的结构起源, 通过分析玻璃中不同结构单元的演变过程, 发现在这些玻璃网络结构中均以异极键(Ge—Se/S, As—Se/S)为主, 且相对于Se而言, Ge和As优先与S结合成键. 随着玻璃结构中S/Se比例的增加, 与Se相关的化学键(Ge—Se, As—Se和Se—Se)数量逐渐减少, S相关化学键(Ge—S, As—S和S—S)数量逐渐增加, 但这对玻璃的拓扑结构几乎没有影响. 由此可以断定引起玻璃物理性质变化的主要原因是玻璃结构体系中各个化学键强度之间的差异.
2021, 70 (16): 167201.
doi: 10.7498/aps.70.20210454
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运用激光拉曼光谱研究了450—1050 ℃退火处理对氧化镍中二阶磁振子散射的增强效应, 同时分析了激光功率对氧化镍中二阶磁振子散射的影响. 研究发现, 退火处理可显著增强氧化镍中二阶磁振子散射, 在450—1050 ℃范围内, 退火温度越高, 增强效应越明显, 经过1050 ℃退火处理后二阶磁振子散射增强效应可达两个数量级以上. 该显著增强效应与高温退火处理后氧化镍样品中镍缺陷的显著减少紧密相关, 同时也与镍离子的晶格排列结构紧密相关. 而且高温退火处理还可显著降低激光功率对氧化镍中二阶磁振子散射的影响. 当退火温度较低时, 氧化镍中二阶磁振子散射随激光功率的增加快速减弱并消失, 而经过1050 ℃退火处理后, 氧化镍中二阶磁振子散射在较高激光功率下仍非常显著.
2021, 70 (16): 167501.
doi: 10.7498/aps.70.20210448
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两个尺寸差异较大的永磁体在同极性相对时, 若迫使二者间距减小, 磁铁间的相互作用力会由斥力转变为吸引力, 大磁铁局部退磁, 从而形成单面双极性磁铁. 本文基于磁化电流理论, 构建了单面双极性磁铁空间磁感应强度的分析模型, 该模型能计算表面局部退磁的单面双极性磁铁的空间磁感应强度. 以中心局部退磁的圆柱形永磁体为例, 探讨了小磁铁尺寸和磁化强度对于该类单面双极性磁铁空间磁场的影响, 证明了该单面双极性磁铁可等效为一种可调控局部空间磁场的环形磁铁, 因而可为应用环形磁铁的机电系统提供新思路和理论依据.
2021, 70 (16): 167801.
doi: 10.7498/aps.70.20210357
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稀土掺杂的LiMgPO4(LMP)磷光体是一种很有前景的辐射剂量计材料, 热释光谱技术是研究材料中载流子陷阱和发光中心的有效手段. 为研究稀土掺杂LMP的发光机制, 用高温固相法研制了LMP:Tm, LMP:Tb和LMP:Tm, Tb磷光体, 用线性升温法测量了磷光体的热释光发光曲线和热释光谱, 并将之与荧光谱进行了对比分析. 实验结果表明: 在LiMgPO4磷光体中, Tm3+, Tb3+共掺可使磷光体在300 ℃左右的热释光显著增强; LMP磷光体的热释光谱中可观测到比一般荧光谱更丰富的Tm3+离子和Tb3+离子的跃迁; Tm3+和Tb3+虽然都可成为发光中心, 但Tm3+起主要作用; 结合对热释光谱和荧光谱的深入分析, 可知磷光体中存在Tb3+→Tm3+的能量转移.
2021, 70 (16): 167802.
doi: 10.7498/aps.70.20210443
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超表面可以对入射光场的相位、偏振、幅度等自由度进行精确调控, 为发展下一代基于量子态片上实验平台提供了一种新途径, 具有重要的应用前景. 本文提出了一种新型的超表面结构, 即具有不同占空比的硅结构光栅单元构成的超透镜, 在焦平面上可形成聚焦光环. 研究了在焦平面上环形光场的强度分布和不同数值孔径超透镜的聚焦特性. 采用这种超透镜聚焦光环来构建一个氟化镁(MgF)分子的光学存储环, 计算了MgF分子在聚焦光场中所受的光学势和偶极力, 对MgF分子束在存储环运动过程进行了Monte-Carlo模拟. 研究结果表明, 设计的超表面结构具有很好的聚焦特性, 聚焦光环的光场强度比入射光增强了55.1倍; 同时可以实现对MgF分子的装载并囚禁在表面存储环内.
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2021, 70 (16): 167803.
doi: 10.7498/aps.70.20210438
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钾掺杂钨合金是一种典型的弥散强化钨基材料, 钾掺入在提高钨材料抗冲击能力的同时, 也引入大量缺陷, 这些缺陷会对合金在服役过程中氢原子和氦原子的存在形态以及演变产生影响. 本文使用正电子湮没谱学方法从微观角度研究辐照后钨钾合金中的缺陷信息, 通过对氢氦相关缺陷的正电子湮没参数进行模拟, 发现氢原子对正电子寿命的影响比氦原子小, 弥散在位错或晶界中的氢、氦原子会影响正电子湮没区域, 而单个钾原子的存在对氢氦相关缺陷的正电子寿命影响甚微; 结合扫描电镜与正电子湮没寿命谱和慢正电子束多普勒展宽谱, 测试结果确认了钨钾合金中钾泡以及其钉扎的位错等缺陷对氢原子和氦原子的影响, 与纯钨相比, 在纯H和H+6%He中性束辐照下钾泡等缺陷会促进氢原子的释放, 同时成为氦原子的捕获中心, 促使其形成氦-空位复合体, 并在此成核, 生长为尺寸更大的氦泡, 在应力和温度梯度的作用下促进其从表面释放, 有利于相关缺陷的恢复, 降低其损伤程度.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2021, 70 (16): 168101.
doi: 10.7498/aps.70.20210062
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本文提出了一种双频带太赫兹超材料吸波器, 该超材料吸波器在0.387和0.694 THz两个谐振点的吸收率可达到99%以上, 实现了对入射太赫兹波的“完美吸收”. 该双频带太赫兹超材料吸波体传感器在两个谐振频率处的Q值分别为28.1和29.3, 折射率灵敏度$S(f)$ 分别为39.5和85 GHz/RIU, 均具有较优的传感特性. 研究结果表明, 对于该太赫兹超材料吸波器来说, 除了可以选用折射率较小的中间介质层材料提高传感特性外, 还可以根据待测物折射率的不同选取相应的待测物厚度来提高传感特性. 本文设计的双频带超材料吸波体传感器可实现谐振频率与待测物质特征频率间的多点匹配, 增加反映被测物质差异的信息量, 从而提升物质探测的准确性和灵敏度. 通过对三种食用油样本的分析, 验证了本文所设计的双频带太赫兹超材料吸波体传感器的实际应用价值. 本次研究丰富了双频带超材料吸波体传感器的种类, 在传感检测领域具有广阔的发展空间.
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2021, 70 (16): 168201.
doi: 10.7498/aps.70.20202130
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近年来镁离子电池正极材料的研发成为研究热点, 提高电池的高倍率性能和循环稳定性成为主要研究目标. 本文采用水热法制备了纳米线和纳米片共混结构的钠锰氧化物(Na0.55Mn2O4·1.5H2O)纳米材料, 并用X−射线衍射和扫描电子显微镜进行表征, 通过充放电测试仪和电化学工作站进行变倍率充放电循环和变扫速循环伏安测试. 结果表明水热反应时间对材料的相结构和形貌组成影响显著, 其中水热反应72 h样品(NMO-72)中纳米片和纳米线形成紧密共混, 纳米片有效填充到纳米线交叉空隙中, 提高了材料的振实密度. 并且NMO-72材料具有更高的放电比容量和倍率循环性能. 在50 mA·g–1电流密度下, NMO-72的放电比容量达到229.1 mAh·g–1; 在1000 mA·g–1电流密度下, NMO-72材料的放电比容量稳定在81 mAh·g–1; 而电流密度再次回到50 mA·g–1时, 其放电比容量稳定保持在164.7 mAh·g–1. 同时, 循环伏安测试表明NMO-72材料与其他材料相比, 具有最佳的镁离子扩散动力学性能, 由此NMO-72材料具有更为优异的可逆比容量、高倍率性能和循环稳定性.
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2021, 70 (16): 168501.
doi: 10.7498/aps.70.20210368
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本文研究了镨掺杂铟镓氧化物 (PrIGO)薄膜晶体管 (thin film transistor, TFT) 的低频噪声特性. 根据低频噪声测试分析结果得知: IGO-TFT和PrIGO-TFT器件沟道电流的功率谱密度与频率的关系均满足1/fγ (γ ≈ 0.8) 的关系, 符合载流子数涨落模型. 通过研究不同沟道长度对器件低频噪声的影响, 明确了器件的噪声主要来源于沟道区而非源/漏接触区. 基于载流子数涨落模型, 提取界面处的缺陷态, 发现Pr元素掺杂会在IGO体系中诱导出缺陷态. 而该缺陷态可以作为电离氧空位和电子的复合中心, 进而改善氧化物TFT器件中由氧空位所导致的光照负偏压 (negative bias illumination stability, NBIS) 稳定性问题.
2021, 70 (16): 168701.
doi: 10.7498/aps.70.20210084
摘要 +
利用有限元分析软件COMSOL模拟包层管内壁涂敷有二氧化钒的太赫兹反谐振光纤, 研究二氧化钒的相变对反谐振光纤传输特性的影响. 研究表明, 在太赫兹波段, 二氧化钒的相变会促使反谐振光纤的反谐振周期发生极大的改变, 在此过程中, 光纤包层管对入射光束的作用效果由反谐振状态变为谐振状态, 在不改变反谐振光纤结构的情况下, 仅通过控制二氧化钒的相变即可实现对反谐振光纤纤芯中太赫兹波的有效调控. 二氧化钒相变对反谐振光纤的这种调控效果在太赫兹调控器件领域有很广泛的应用前景, 基于涂敷二氧化钒的反谐振光纤, 本文提出一种太赫兹光开关及一种偏振调控器. 其中, 在波长为120 μm处, 光开关处于不同状态时对应的光纤损耗分别为0.5 dB/m与110 dB/m, 并且通过激励光源诱导二氧化钒发生快速相变, 有望实现快速光开关. 在偏振调控器中, 可以对反谐振光纤纤芯中太赫兹波的偏振状态以及偏振方向进行控制, 偏振状态下光纤的双折射系数大于1.4 × 10–4.
2021, 70 (16): 168702.
doi: 10.7498/aps.70.20210403
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在基于激光技术的现代光学实验和光学应用中, 光学元器件表面的微杂质和微缺陷是影响光学系统精密程度的主要因素之一, 因而光学表面杂质和缺陷的定位检测是一个重要的问题. 本文提出利用深度神经网络来辅助光学杂质检测的理论方案. 模拟了一束探测激光脉冲照射到具有单个微小杂质的光学表面时, 反射信号和透射信号中所携带杂质的位置信息可被一个深度卷积神经网络学习并定位. 此外, 通过改变杂质大小、折射率等属性生成了一系列泛化数据集, 并讨论了神经网络在泛化数据集上的表现. 泛化结果表明, 神经网络对杂质位置的预测能力具有较高的鲁棒性. 最后, 还对比了卷积神经网络和全连接神经网络这两种不同架构网络的学习能力.
2021, 70 (16): 168801.
doi: 10.7498/aps.70.20210353
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采用第一性原理在MP2/aug-cc-PVTZ 水平下优化得到CH3NH3多聚体的几何构型, 发现多聚体中CH3NH3沿C-N轴取向, 多聚体随着CH3NH3数量增加有收缩趋势, 这有利于无机框架的结构稳定, 多聚体的总偶极矩随着CH3NH3数量线性增加, 这导致了CH3NH3PbI3异质结的强极化. CH3NH3多聚体中未配对电子分布在每个CH3NH3的NH3-端, 轨道能量在–4.4—–3.2 eV之间. 计算静电势矢量场发现CH3NH${}_3^+ $ 具有强亲电性, NH3-端比CH3-端有更强的亲电性, CH3NH3单体和CH3NH3多聚体具有弱亲电性和亲核性, CH3NH3多聚体的形成有效地减少CH3NH3与无机[PbI3]–框架之间的非谐振声子振动模式, 这有利于提高CH3NH3PbI3异质结中载流子传输. 电场作用下CH3NH3五聚体中未配对电子通过量子跃迁机制沿着C-N轴发生转移, 施加不同方向电场电子的转移效率是不一样的, 转移电子数量随着电场强度增加而增加, 通过这样的跃迁机制在外电场作用下电子很容易注入CH3NH3PbI3形成CH3NH3多聚体. 这些计算结果将有助于更深刻地理解有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池高光电转换效率的根源.
2021, 70 (16): 168802.
doi: 10.7498/aps.70.20210134
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甲胺铅碘(CH3NH3PbI3 MAPbI3)和甲脒铅碘(CH(NH2)2PbI3 FAPbI3)是目前最常用于太阳电池研究的有机铅碘钙钛矿材料. 对于层状结构的钙钛矿太阳电池来说, 每层薄膜的光学性质和厚度都影响着电池的光电转换效率. 本文利用光学导纳法和严格耦合波分析法计算了金属氧化物透明导电薄膜掺锡氧化铟(In2O3:Sn)、掺氟氧化锡(SnO2:F), TiO2, MAPbI3和FAPbI3的吸收率和透射率, 分析了各层厚度以及器件结构对电池短路电流密度的影响. 结果表明: 对于FTO(ITO)/TiO2/MAPbI3结构, FTO薄膜的厚度在50—450 nm, ITO厚度在10—150 nm时对入射光波长在360—800 nm的平均透射率为85%, 对于FTO(ITO)/TiO2/FAPbI3结构, FTO和ITO薄膜的厚度分别在50—250 nm和10—150 nm时对入射光波长在360—840 nm的平均透射率分别为81.6%和78%. 在FTO和TiO2最优厚度下, MAPbI3和FAPbI3的厚度从300—1000 nm变化时, 对应太阳电池短路电流密度分别在21.9—23.7 mA·cm–2和23.0—24.4 mA·cm–2范围. 本文的研究对于设计和制备高转换效率的钙钛矿太阳电池具有指导意义.
