2015年 64卷 第3期
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2015, 64(3): 033301.
doi: 10.7498/aps.64.033301
摘要:
钙钛矿太阳能电池是一种全新的全固态薄膜电池. 报道的能量转换效率已提高到19.3%, 成为可再生能源领域的热点研究方向. 空穴传输材料是构成高效钙钛矿太阳能电池的重要组分之一. 本文介绍了钙钛矿太阳能电池的基本结构, 对空穴传输材料的分子结构、能级水平和迁移率等对电池性能的影响进行了详细的总结和评述.
钙钛矿太阳能电池是一种全新的全固态薄膜电池. 报道的能量转换效率已提高到19.3%, 成为可再生能源领域的热点研究方向. 空穴传输材料是构成高效钙钛矿太阳能电池的重要组分之一. 本文介绍了钙钛矿太阳能电池的基本结构, 对空穴传输材料的分子结构、能级水平和迁移率等对电池性能的影响进行了详细的总结和评述.
2015, 64(3): 038103.
doi: 10.7498/aps.64.038103
摘要:
本文综述了石墨烯及其衍生物作为界面材料在有机太阳能电池中的应用, 包括作为阳极界面层、阴极界面层和叠层电池中间层等方面. 氧化石墨烯由于较好的透光性, 易于分散在水溶液中与溶液加工等优点已被应用在有机太阳能电池中. 对氧化石墨烯作为阳极界面层的研究包括通过部分还原或掺杂提高其导电性、通过引入高负电性原子提高其表面功函数, 以及通过与其他材料复合提高性能等. 同时, 本文综述了石墨烯衍生物及复合材料作为有机太阳能电池阴极界面层和叠层电池中间层的研究. 最后本文展望了石墨烯及其衍生物在有机太阳能电池与有机无机复合钙钛矿太阳能电池中的应用前景.
本文综述了石墨烯及其衍生物作为界面材料在有机太阳能电池中的应用, 包括作为阳极界面层、阴极界面层和叠层电池中间层等方面. 氧化石墨烯由于较好的透光性, 易于分散在水溶液中与溶液加工等优点已被应用在有机太阳能电池中. 对氧化石墨烯作为阳极界面层的研究包括通过部分还原或掺杂提高其导电性、通过引入高负电性原子提高其表面功函数, 以及通过与其他材料复合提高性能等. 同时, 本文综述了石墨烯衍生物及复合材料作为有机太阳能电池阴极界面层和叠层电池中间层的研究. 最后本文展望了石墨烯及其衍生物在有机太阳能电池与有机无机复合钙钛矿太阳能电池中的应用前景.
2015, 64(3): 038104.
doi: 10.7498/aps.64.038104
摘要:
利用具有钙钛矿结构的有机-无机杂化卤化物制备的太阳能电池, 由于具有溶液可加工性和高光电转换效率, 受到了广泛关注. 在目前报道的最高光电转换效率的器件中, 采用了CH3NH3PbI(3-x)Clx碘氯混合钙钛矿作为吸光层, 据报道在这种材料中光电子的扩散长度可以超过1 μm. 本文综述了在CH3NH3PbI(3-x)Clx方面现有的研究工作, 指出了薄膜制备条件的重要性, 并研究了CH3NH3I在PbCl2/CH3NH3I热解法制备CH3NH3PbI(3-x)Clx吸光层中的作用. 扫描电子显微镜研究表明CH3NH3I加入量为PbCl2的2倍到2.75倍时, CH3NH3I加入量的增加可以提高CH3NH3PbI(3-x)Clx吸光层的覆盖度和结晶度, CH3NH3I加入量进一步增加到3倍时, 形貌变化不大. X射线光电子能谱的数据证实了CH3NH3I加入量对覆盖度的影响, 并显示在CH3NH3I加入量大于PbCl2的2.5倍以后, CH3NH3PbI(3-x)Clx中氯的掺入量急剧下降. 光电测试表明器件性能随CH3NH3I加入量增加而增加, 在CH3NH3I/PbCl2为3/1时达到最高, 加入量略小于3/1对性能影响不大.
利用具有钙钛矿结构的有机-无机杂化卤化物制备的太阳能电池, 由于具有溶液可加工性和高光电转换效率, 受到了广泛关注. 在目前报道的最高光电转换效率的器件中, 采用了CH3NH3PbI(3-x)Clx碘氯混合钙钛矿作为吸光层, 据报道在这种材料中光电子的扩散长度可以超过1 μm. 本文综述了在CH3NH3PbI(3-x)Clx方面现有的研究工作, 指出了薄膜制备条件的重要性, 并研究了CH3NH3I在PbCl2/CH3NH3I热解法制备CH3NH3PbI(3-x)Clx吸光层中的作用. 扫描电子显微镜研究表明CH3NH3I加入量为PbCl2的2倍到2.75倍时, CH3NH3I加入量的增加可以提高CH3NH3PbI(3-x)Clx吸光层的覆盖度和结晶度, CH3NH3I加入量进一步增加到3倍时, 形貌变化不大. X射线光电子能谱的数据证实了CH3NH3I加入量对覆盖度的影响, 并显示在CH3NH3I加入量大于PbCl2的2.5倍以后, CH3NH3PbI(3-x)Clx中氯的掺入量急剧下降. 光电测试表明器件性能随CH3NH3I加入量增加而增加, 在CH3NH3I/PbCl2为3/1时达到最高, 加入量略小于3/1对性能影响不大.
2015, 64(3): 038401.
doi: 10.7498/aps.64.038401
摘要:
高效低成本太阳电池的研发是太阳能光伏技术大规模推广应用的关键. 近年来兴起的有机- 无机杂化钙钛矿(以下简称钙钛矿)太阳电池因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点, 引起了学术界和产业界的广泛关注, 具有广阔的发展前景. 其中平面异质结钙钛矿太阳电池因具有结构简单, 可低温制备等诸多优点, 成为目前研究的一个重要方向. 平面异质结钙钛矿太阳电池分为n-i-p型和p-i-n型两种结构. 其中钙钛矿分别与电子传输层和空穴传输层形成两个界面, 在这两个界面上实现电子和空穴的快速分离. 电子传输层和空穴传输层分别为电子和空穴提供了独立的输运通道. 平面异质结结构有利于钙钛矿太阳电池中电子和空穴的分离、传输和收集. 此外, 该结构不需要高温烧结的多孔结构氧化物骨架, 扩大了电子和空穴传输材料的选择范围. 可以根据钙钛矿材料的能带分布及载流子传输特性, 来选择能级和载流子传输速率更为匹配的传输材料. 本文对钙钛矿的材料特性, 平面异质结结构的由来及发展进行了简要的概述. 其中重点介绍了平面异质结钙钛矿太阳电池的结构特征、工作机理、钙钛矿/电荷传输层的界面特性, 以及电池性能的优化, 包括钙钛矿薄膜制备、空穴和电子传输层的优化等. 最后对钙钛矿电池的发展前景及存在问题进行了阐述, 为今后高效、稳定钙钛矿太阳电池的研究提供参考.
高效低成本太阳电池的研发是太阳能光伏技术大规模推广应用的关键. 近年来兴起的有机- 无机杂化钙钛矿(以下简称钙钛矿)太阳电池因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点, 引起了学术界和产业界的广泛关注, 具有广阔的发展前景. 其中平面异质结钙钛矿太阳电池因具有结构简单, 可低温制备等诸多优点, 成为目前研究的一个重要方向. 平面异质结钙钛矿太阳电池分为n-i-p型和p-i-n型两种结构. 其中钙钛矿分别与电子传输层和空穴传输层形成两个界面, 在这两个界面上实现电子和空穴的快速分离. 电子传输层和空穴传输层分别为电子和空穴提供了独立的输运通道. 平面异质结结构有利于钙钛矿太阳电池中电子和空穴的分离、传输和收集. 此外, 该结构不需要高温烧结的多孔结构氧化物骨架, 扩大了电子和空穴传输材料的选择范围. 可以根据钙钛矿材料的能带分布及载流子传输特性, 来选择能级和载流子传输速率更为匹配的传输材料. 本文对钙钛矿的材料特性, 平面异质结结构的由来及发展进行了简要的概述. 其中重点介绍了平面异质结钙钛矿太阳电池的结构特征、工作机理、钙钛矿/电荷传输层的界面特性, 以及电池性能的优化, 包括钙钛矿薄膜制备、空穴和电子传输层的优化等. 最后对钙钛矿电池的发展前景及存在问题进行了阐述, 为今后高效、稳定钙钛矿太阳电池的研究提供参考.
2015, 64(3): 038402.
doi: 10.7498/aps.64.038402
摘要:
本文从理论模拟和实验角度研究了钙钛矿太阳能电池的伏安特性, 并着重探讨了由于界面电荷输运受限而产生的S形特征. 理论模拟表明, 当电池界面电荷输运速度逐渐降低时, 出现界面电荷积累, 影响电池输出性能. 实验研究表明, 当电池的背接触, 光阳极等界面电荷输运速度受限时, 即出现S形伏安特性, 降低电池效率. 然而, 由于电子和空穴在界面输运性质方面的差异, 以及电池中可能存在的独特的界面能带结构, 不同界面电荷输运受限而产生的S形伏安曲线又各具特征, 与电池内部实际的电荷分布以及输运方向有关. 本文的研究结果有助于阐明钙钛矿太阳能电池中存在的影响电荷输运的界面因素, 进而为界面设计和界面优化提供理论依据.
本文从理论模拟和实验角度研究了钙钛矿太阳能电池的伏安特性, 并着重探讨了由于界面电荷输运受限而产生的S形特征. 理论模拟表明, 当电池界面电荷输运速度逐渐降低时, 出现界面电荷积累, 影响电池输出性能. 实验研究表明, 当电池的背接触, 光阳极等界面电荷输运速度受限时, 即出现S形伏安特性, 降低电池效率. 然而, 由于电子和空穴在界面输运性质方面的差异, 以及电池中可能存在的独特的界面能带结构, 不同界面电荷输运受限而产生的S形伏安曲线又各具特征, 与电池内部实际的电荷分布以及输运方向有关. 本文的研究结果有助于阐明钙钛矿太阳能电池中存在的影响电荷输运的界面因素, 进而为界面设计和界面优化提供理论依据.
2015, 64(3): 038403.
doi: 10.7498/aps.64.038403
摘要:
溶剂对钙钛矿太阳能电池器件有着至关重要的影响. 基于目前常用的N, N-二甲基甲酰胺(DMF)和丁内酯(GBL)溶剂, 一步溶液旋涂技术和介孔电池结构, 制备的钙钛矿薄膜的形貌、结晶性, 以及最终的器件光电转化效率存在较大的差异, 利用DMF作为溶剂, 效率仅为2.8%, 而基于GBL的电池效率可以达到10.1%. 结合SEM, HRTEM, XRD和UV等表征手段, 分析了钙钛矿从DMF溶液和GBL溶液中结晶析出的不同机理, 明确了溶剂跟PbI2的配位作用对钙钛矿的溶解、析出过程的制约作用, 揭示了造成器件效率差异的本质原因.
溶剂对钙钛矿太阳能电池器件有着至关重要的影响. 基于目前常用的N, N-二甲基甲酰胺(DMF)和丁内酯(GBL)溶剂, 一步溶液旋涂技术和介孔电池结构, 制备的钙钛矿薄膜的形貌、结晶性, 以及最终的器件光电转化效率存在较大的差异, 利用DMF作为溶剂, 效率仅为2.8%, 而基于GBL的电池效率可以达到10.1%. 结合SEM, HRTEM, XRD和UV等表征手段, 分析了钙钛矿从DMF溶液和GBL溶液中结晶析出的不同机理, 明确了溶剂跟PbI2的配位作用对钙钛矿的溶解、析出过程的制约作用, 揭示了造成器件效率差异的本质原因.
2015, 64(3): 038404.
doi: 10.7498/aps.64.038404
摘要:
钙钛矿太阳电池的迅速发展为解决未来能源问题带来一线曙光. 但是, 钙钛矿太阳电池在高效率电池器件的可重现性、稳定性以及性能评估等方面还面临着很多问题, 严重制约其今后的发展. 本文综述了钙钛矿太阳电池面世以来发生的重要进展, 以及存在的几个关键性问题. 从器件基本结构和基本工作原理出发, 本文重点讨论了光吸收层的光谱和形貌等性质对器件性能和可重现性的影响, 阐明了电子传输层和空穴阻隔层的重要作用, 论述了空穴传输层的相关进展以及其对器件稳定性的影响. 通过对以上关键问题的讨论和总结, 本文对钙钛矿太阳电池未来的研究发展进行了展望.
钙钛矿太阳电池的迅速发展为解决未来能源问题带来一线曙光. 但是, 钙钛矿太阳电池在高效率电池器件的可重现性、稳定性以及性能评估等方面还面临着很多问题, 严重制约其今后的发展. 本文综述了钙钛矿太阳电池面世以来发生的重要进展, 以及存在的几个关键性问题. 从器件基本结构和基本工作原理出发, 本文重点讨论了光吸收层的光谱和形貌等性质对器件性能和可重现性的影响, 阐明了电子传输层和空穴阻隔层的重要作用, 论述了空穴传输层的相关进展以及其对器件稳定性的影响. 通过对以上关键问题的讨论和总结, 本文对钙钛矿太阳电池未来的研究发展进行了展望.
2015, 64(3): 038405.
doi: 10.7498/aps.64.038405
摘要:
近年来, 由于钙钛矿材料优良的光学吸收和电荷传导特性, 有机无机杂化固态太阳能电池取得了突破性的进展. 自2009年首次报道了光电转换效率为3.8%的钙钛矿太阳能电池以来, 该类电池的效率不断突破. 基于介孔薄膜的电池已取得了超过16.7%的认证光电转换效率, 基于平板异质结结构电池光电转换效率达到19.3%, 已接近传统硅基太阳能电池的光电转换效率. 本文将介绍有机无机杂化钙钛矿作为光电材料的光学物理结构特性, 以及在固态太阳能电池中的应用. 基于固态钙钛矿太阳能电池结构上的差异, 分别介绍其在多孔结构、平板异质结结构、柔性结构以及无空穴传导材料结构电池工作特性和各自优势, 以及影响电池特性的主要影响因素, 特别是钙钛矿成膜控制等. 并阐述对钙钛矿电池的理解和进一步提高固态钙钛矿电池光电转换效率需要关注的重点以及展望.
近年来, 由于钙钛矿材料优良的光学吸收和电荷传导特性, 有机无机杂化固态太阳能电池取得了突破性的进展. 自2009年首次报道了光电转换效率为3.8%的钙钛矿太阳能电池以来, 该类电池的效率不断突破. 基于介孔薄膜的电池已取得了超过16.7%的认证光电转换效率, 基于平板异质结结构电池光电转换效率达到19.3%, 已接近传统硅基太阳能电池的光电转换效率. 本文将介绍有机无机杂化钙钛矿作为光电材料的光学物理结构特性, 以及在固态太阳能电池中的应用. 基于固态钙钛矿太阳能电池结构上的差异, 分别介绍其在多孔结构、平板异质结结构、柔性结构以及无空穴传导材料结构电池工作特性和各自优势, 以及影响电池特性的主要影响因素, 特别是钙钛矿成膜控制等. 并阐述对钙钛矿电池的理解和进一步提高固态钙钛矿电池光电转换效率需要关注的重点以及展望.
2015, 64(3): 038406.
doi: 10.7498/aps.64.038406
摘要:
硒化锑(Sb2Se3)是一种二元单相化合物, 原料储量大、毒性低、价格便宜; 同时其禁带宽度合适(～1.15 eV), 吸光系数大(>105 cm-1), 长晶温度低, 非常适合制作新型低成本低毒的薄膜太阳能电池, 理论光电转换效率可达30%以上. 目前文献报道的Sb2Se3薄膜太阳能电池效率已达3.7%, 初步证明了Sb2Se3材料在薄膜太阳能电池应用方面的巨大潜力. 本文综述了近年来Sb2Se3太阳能电池的研究进展, 着重介绍了Sb2Se3的材料特性和薄膜制备及相关理论研究, 阐述了不同结构电池器件的研究进展, 并对其发展趋势进行了展望.
硒化锑(Sb2Se3)是一种二元单相化合物, 原料储量大、毒性低、价格便宜; 同时其禁带宽度合适(～1.15 eV), 吸光系数大(>105 cm-1), 长晶温度低, 非常适合制作新型低成本低毒的薄膜太阳能电池, 理论光电转换效率可达30%以上. 目前文献报道的Sb2Se3薄膜太阳能电池效率已达3.7%, 初步证明了Sb2Se3材料在薄膜太阳能电池应用方面的巨大潜力. 本文综述了近年来Sb2Se3太阳能电池的研究进展, 着重介绍了Sb2Se3的材料特性和薄膜制备及相关理论研究, 阐述了不同结构电池器件的研究进展, 并对其发展趋势进行了展望.
2015, 64(3): 038802.
doi: 10.7498/aps.64.038802
摘要:
有机-无机杂化的卤素钙钛矿材料在2009年首次应用在光伏器件中, 而后有关此类型太阳能电池的报道数量呈井喷式增长. 至2014年5月钙钛矿电池光电转化效率已接近20%, 已超过有机及染料敏化太阳能电池的效率, 且有望达到单晶硅太阳能的水平, 成为光伏发电领域中的希望之星. 在钙钛矿电池中, 电子传输材料与吸收层的电子选择性接触对提高光电转化效率起到重要作用, 尤其在正置结构器件中, 电子传输层的介观结构直接影响钙钛矿的生长情况. 同时, 电子传输层的化学性质及其界面也会对电池的稳定性和寿命产生影响. 本文总结了电子传输材料在该类电池中的研究现状和热点, 并按材料的化学组分不同, 将电子传输材料分为三类: 金属氧化物、有机小分子和复合材料, 详细地介绍了电子传输材料在钙钛矿太阳能电池中的作用和近来的最新进展.
有机-无机杂化的卤素钙钛矿材料在2009年首次应用在光伏器件中, 而后有关此类型太阳能电池的报道数量呈井喷式增长. 至2014年5月钙钛矿电池光电转化效率已接近20%, 已超过有机及染料敏化太阳能电池的效率, 且有望达到单晶硅太阳能的水平, 成为光伏发电领域中的希望之星. 在钙钛矿电池中, 电子传输材料与吸收层的电子选择性接触对提高光电转化效率起到重要作用, 尤其在正置结构器件中, 电子传输层的介观结构直接影响钙钛矿的生长情况. 同时, 电子传输层的化学性质及其界面也会对电池的稳定性和寿命产生影响. 本文总结了电子传输材料在该类电池中的研究现状和热点, 并按材料的化学组分不同, 将电子传输材料分为三类: 金属氧化物、有机小分子和复合材料, 详细地介绍了电子传输材料在钙钛矿太阳能电池中的作用和近来的最新进展.
2015, 64(3): 038803.
doi: 10.7498/aps.64.038803
摘要:
自从2009年首次报道采用有机-无机杂化钙钛矿作为吸光材料用于太阳能电池以来, 钙钛矿太阳能电池效率的快速提升引起了人们广泛的关注, 这类电池同时具有制备工艺简单、成本低廉等优点, 引发了钙钛矿电池的研究热潮. 目前研究工作大多数集中在如何提高电池的光电转化效率, 但钙钛矿电池要真正实现产业化应用, 急需要解决材料及器件的稳定性问题. 本文探讨影响钙钛矿材料及器件的稳定性因素, 从温度及湿度等方面分析了材料的稳定性, 从传输材料及其界面问题讨论了器件的稳定性.
自从2009年首次报道采用有机-无机杂化钙钛矿作为吸光材料用于太阳能电池以来, 钙钛矿太阳能电池效率的快速提升引起了人们广泛的关注, 这类电池同时具有制备工艺简单、成本低廉等优点, 引发了钙钛矿电池的研究热潮. 目前研究工作大多数集中在如何提高电池的光电转化效率, 但钙钛矿电池要真正实现产业化应用, 急需要解决材料及器件的稳定性问题. 本文探讨影响钙钛矿材料及器件的稳定性因素, 从温度及湿度等方面分析了材料的稳定性, 从传输材料及其界面问题讨论了器件的稳定性.
2015, 64(3): 038804.
doi: 10.7498/aps.64.038804
摘要:
以有机共轭聚合物为电子给体和无机纳米结构为电子受体组成的杂化型聚合物太阳电池(HPSC), 是一类新型的光伏器件. HPSC将有机物和无机物的光学、电学和力学等性能集成在一起, 其最显著的优点体现在材料来源丰富、性能互补且可调控、易实现低成本组装及轻便等方面. 金属氧化物纳米结构具有环境友好、可见光区透明且易合成等特点, 是很有发展前景的电子受体材料. 本文首先简要介绍了HPSC电池的研究现状、工作原理、器件结构、和稳态及动态表征方法, 然后重点综述了在基于ZnO和TiO2纳米结构的HPSC方面的研究进展, 包括载流子传输动力学理论模型、高效电池材料与器件的设计和制备、及纳米结构特性相关的器件性能等. 最后, 对我们的研究成果进行了总结, 并展望了电池的后续研究方向和发展前景.
以有机共轭聚合物为电子给体和无机纳米结构为电子受体组成的杂化型聚合物太阳电池(HPSC), 是一类新型的光伏器件. HPSC将有机物和无机物的光学、电学和力学等性能集成在一起, 其最显著的优点体现在材料来源丰富、性能互补且可调控、易实现低成本组装及轻便等方面. 金属氧化物纳米结构具有环境友好、可见光区透明且易合成等特点, 是很有发展前景的电子受体材料. 本文首先简要介绍了HPSC电池的研究现状、工作原理、器件结构、和稳态及动态表征方法, 然后重点综述了在基于ZnO和TiO2纳米结构的HPSC方面的研究进展, 包括载流子传输动力学理论模型、高效电池材料与器件的设计和制备、及纳米结构特性相关的器件性能等. 最后, 对我们的研究成果进行了总结, 并展望了电池的后续研究方向和发展前景.
2015, 64(3): 038805.
doi: 10.7498/aps.64.038805
摘要:
基于有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbX3)制备的太阳电池效率自2009年从3.8%增长到19.6%, 因其较高的光吸收系数, 较低的成本及易于制备等优势获得了广泛关注. 钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层, 还可用作电子和空穴传输层, 以此制备出不同结构的钙钛矿太阳电池: 介孔结构、介观超结构、平面结构、无HTM层结构和有机结构. 除此之外, 钙钛矿材料制备方法的多样性使其更具吸引力, 目前已有一步溶液法、两步连续沉积法、双源共蒸发法和溶液-气相沉积法. 本文主要介绍了钙钛矿太阳电池的发展历程、工作原理及钙钛矿薄膜的制备方法等. 详细阐述了电池每一层的具体作用和针对现有的钙钛矿结构各层材料的优化, 最后介绍了钙钛矿太阳电池所面临的问题和发展前景, 以期对钙钛矿太阳电池有进一步的了解, 为制备新型高效的钙钛矿太阳电池打下坚实的基础.
基于有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbX3)制备的太阳电池效率自2009年从3.8%增长到19.6%, 因其较高的光吸收系数, 较低的成本及易于制备等优势获得了广泛关注. 钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层, 还可用作电子和空穴传输层, 以此制备出不同结构的钙钛矿太阳电池: 介孔结构、介观超结构、平面结构、无HTM层结构和有机结构. 除此之外, 钙钛矿材料制备方法的多样性使其更具吸引力, 目前已有一步溶液法、两步连续沉积法、双源共蒸发法和溶液-气相沉积法. 本文主要介绍了钙钛矿太阳电池的发展历程、工作原理及钙钛矿薄膜的制备方法等. 详细阐述了电池每一层的具体作用和针对现有的钙钛矿结构各层材料的优化, 最后介绍了钙钛矿太阳电池所面临的问题和发展前景, 以期对钙钛矿太阳电池有进一步的了解, 为制备新型高效的钙钛矿太阳电池打下坚实的基础.
2015, 64(3): 038806.
doi: 10.7498/aps.64.038806
摘要:
量子点太阳电池现已成为极具潜力的“第三代” 光伏器件, 其优点体现在材料成本低廉, 制备工艺简便, 以及其敏化剂特有的多激子效应(MEG) 潜能和吸光范围可方便调节等方面. 但是与染料分子敏化剂相比, 量子点敏化剂粒径更大、表面缺乏具有与TiO2结合的官能团, 这导致其在TiO2介孔中渗透阻力大、难以在TiO2表面吸附沉积, 所以量子点沉积手段在电池组装过程中尤为重要. 本文综述了电池组装过程中量子点的沉积方法, 分类阐述了直接生长量子点方法: 化学浴沉积(CBD)和连续离子层吸附生长(SILAR), 以及采用预先合成量子点的沉积方法: 连接分子辅助法(LA)、直接吸附法(DA)和电泳沉积(EPD)方法, 陈述了各沉积方法的发展过程及相应电池性能的改善, 对比了这些沉积方法的优缺点. 突出介绍了预先合成量子点的沉积方法, 特别是近年来不断优化而凸显优势的连接分子辅助法(LA). 总结了此方法快速、均匀沉积以及实现器件高性能的特点, 介绍了此方法沉积表面缺陷更少、结构更完善、材料更“绿色化”的量子点敏化剂的最新研究成果.
量子点太阳电池现已成为极具潜力的“第三代” 光伏器件, 其优点体现在材料成本低廉, 制备工艺简便, 以及其敏化剂特有的多激子效应(MEG) 潜能和吸光范围可方便调节等方面. 但是与染料分子敏化剂相比, 量子点敏化剂粒径更大、表面缺乏具有与TiO2结合的官能团, 这导致其在TiO2介孔中渗透阻力大、难以在TiO2表面吸附沉积, 所以量子点沉积手段在电池组装过程中尤为重要. 本文综述了电池组装过程中量子点的沉积方法, 分类阐述了直接生长量子点方法: 化学浴沉积(CBD)和连续离子层吸附生长(SILAR), 以及采用预先合成量子点的沉积方法: 连接分子辅助法(LA)、直接吸附法(DA)和电泳沉积(EPD)方法, 陈述了各沉积方法的发展过程及相应电池性能的改善, 对比了这些沉积方法的优缺点. 突出介绍了预先合成量子点的沉积方法, 特别是近年来不断优化而凸显优势的连接分子辅助法(LA). 总结了此方法快速、均匀沉积以及实现器件高性能的特点, 介绍了此方法沉积表面缺陷更少、结构更完善、材料更“绿色化”的量子点敏化剂的最新研究成果.
2015, 64(3): 038807.
doi: 10.7498/aps.64.038807
摘要:
本文介绍了新型铁电-半导体耦合光伏器件的发展历史和现状, 阐述了所观察到的非经典行为, 即开路电压在直流偏置电场控制下的迟滞的现象. 将之与含有光诱导偶极子场的有机光伏器件和量子点电池、压电光电子器件、铁电光伏器件、钙钛矿电池等进行比较, 发现偶极子极化电场在多种光伏器件中均存在, 甚至可能起到主导作用. 因此, 提出了偶极子场半导体器件的概念, 期望从更广义的范围涵盖结场型器件和非结场型偶极子器件, 为促进光伏发电领域更多的创新提供思路.
本文介绍了新型铁电-半导体耦合光伏器件的发展历史和现状, 阐述了所观察到的非经典行为, 即开路电压在直流偏置电场控制下的迟滞的现象. 将之与含有光诱导偶极子场的有机光伏器件和量子点电池、压电光电子器件、铁电光伏器件、钙钛矿电池等进行比较, 发现偶极子极化电场在多种光伏器件中均存在, 甚至可能起到主导作用. 因此, 提出了偶极子场半导体器件的概念, 期望从更广义的范围涵盖结场型器件和非结场型偶极子器件, 为促进光伏发电领域更多的创新提供思路.
2015, 64(3): 034101.
doi: 10.7498/aps.64.034101
摘要:
时间和空间上实时观测原子运动对于自然科学研究有着非常重大的意义, 而超快电子衍射(UED)技术同时具备飞秒激光脉冲的高时间分辨特性和电子衍射技术的高空间特性, 可以为实时观测原子级分辨尺度物质的结构变化提供一种有效工具. 本文综述了超快电子衍射技术的发展历史、实验方法以及相关应用, 并且展望了超快电子衍射技术未来的发展.
时间和空间上实时观测原子运动对于自然科学研究有着非常重大的意义, 而超快电子衍射(UED)技术同时具备飞秒激光脉冲的高时间分辨特性和电子衍射技术的高空间特性, 可以为实时观测原子级分辨尺度物质的结构变化提供一种有效工具. 本文综述了超快电子衍射技术的发展历史、实验方法以及相关应用, 并且展望了超快电子衍射技术未来的发展.
2015, 64(3): 030301.
doi: 10.7498/aps.64.030301
摘要:
通过负值度和测量诱导的扰动, 研究了非均匀磁场和杂质磁场对自旋为1的Heisenberg系统量子关联的影响. 研究发现非均匀磁场的增加会降低纠缠, 但也可用来产生纠缠, 并且会提高临界非线性作用Kc的值, 测量诱导的扰动的临界磁场要高于负值度的临界磁场, 而且测量诱导的扰动不会随着非线性作用|K| 的减小而消失, 它能全面反映量子关联的存在. 研究还发现, 不同杂质磁场对测量诱导的扰动的影响彼此间无交叉. 杂质磁场下, 相互作用|J| 必须小于非线性作用|K| 才会有纠缠存在, 但是测量诱导的扰动却可以在相互作用|J| 大于非线性作用|K| 时依然存在, |J| 与|K| 相同时只是测量诱导的扰动的最小取值点. 此外, 系统粒子数目对量子关联也具有重要影响.
通过负值度和测量诱导的扰动, 研究了非均匀磁场和杂质磁场对自旋为1的Heisenberg系统量子关联的影响. 研究发现非均匀磁场的增加会降低纠缠, 但也可用来产生纠缠, 并且会提高临界非线性作用Kc的值, 测量诱导的扰动的临界磁场要高于负值度的临界磁场, 而且测量诱导的扰动不会随着非线性作用|K| 的减小而消失, 它能全面反映量子关联的存在. 研究还发现, 不同杂质磁场对测量诱导的扰动的影响彼此间无交叉. 杂质磁场下, 相互作用|J| 必须小于非线性作用|K| 才会有纠缠存在, 但是测量诱导的扰动却可以在相互作用|J| 大于非线性作用|K| 时依然存在, |J| 与|K| 相同时只是测量诱导的扰动的最小取值点. 此外, 系统粒子数目对量子关联也具有重要影响.
2015, 64(3): 030302.
doi: 10.7498/aps.64.030302
摘要:
研究了囚禁于简谐+四次势中具有自旋轨道耦合相互作用的旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构; 考虑了自旋轨道耦合相互作用和旋转对基态结构的影响; 结果发现在自旋轨道耦合相互作用与旋转共同作用下, 系统呈现出丰富且新奇的基态结构, 如条形、双排和蛇皮花斑状等.
研究了囚禁于简谐+四次势中具有自旋轨道耦合相互作用的旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构; 考虑了自旋轨道耦合相互作用和旋转对基态结构的影响; 结果发现在自旋轨道耦合相互作用与旋转共同作用下, 系统呈现出丰富且新奇的基态结构, 如条形、双排和蛇皮花斑状等.
2015, 64(3): 030501.
doi: 10.7498/aps.64.030501
摘要:
以光滑三次型磁控忆阻器的蔡氏电路为例, 研究了两个同构忆阻混沌系统的脉冲控制同步方法.基于Lyapunov稳定性理论, 给出了忆阻混沌系统的脉冲同步渐近稳定条件; 结合误差系统的最大条件Lyapunov指数谱, 讨论了系统初值对脉冲同步性能的影响, 并进行了相应的数值仿真实验.结果表明, 在合适的脉冲控制参数条件下, 同构的忆阻混沌系统的脉冲同步是可行而有效的; 忆阻混沌系统的初值对脉冲同步性能存在一定的影响, 但可通过增大脉冲耦合强度来抑制系统初值的影响.
以光滑三次型磁控忆阻器的蔡氏电路为例, 研究了两个同构忆阻混沌系统的脉冲控制同步方法.基于Lyapunov稳定性理论, 给出了忆阻混沌系统的脉冲同步渐近稳定条件; 结合误差系统的最大条件Lyapunov指数谱, 讨论了系统初值对脉冲同步性能的影响, 并进行了相应的数值仿真实验.结果表明, 在合适的脉冲控制参数条件下, 同构的忆阻混沌系统的脉冲同步是可行而有效的; 忆阻混沌系统的初值对脉冲同步性能存在一定的影响, 但可通过增大脉冲耦合强度来抑制系统初值的影响.
2015, 64(3): 030502.
doi: 10.7498/aps.64.030502
摘要:
人类行为往往取决于经济社会的某种趋势性影响, 对其动力学的定量描述和准确理解是当前复杂系统研究的热点. 本文提出由迁移距离, 迁移人口年龄和迁出地经济人口密度所描述的群体迁移欲望函数, 及广义势. 借助于朗之万方程, 将其转变为Hamilton-Jacobi方程, 从而对群体决策行为进行统计理论分析. 采用高维最陡降线的方式求解Hamilton-Jacobi方程. 其解的形式揭示了群体迁移过程中信息熵随着迁移群体年龄的变化呈现一个单峰; 信息熵对迁移距离的二阶导随迁移距离而穿零变化(对应一种相变); 信息熵随着经济人口密度也呈现单峰. 进一步分析信息熵的这些变化规律所蕴含的意义及其机理, 从而获得对人类群体迁移行为的新理解, 为政府管理提供参考和启示.
人类行为往往取决于经济社会的某种趋势性影响, 对其动力学的定量描述和准确理解是当前复杂系统研究的热点. 本文提出由迁移距离, 迁移人口年龄和迁出地经济人口密度所描述的群体迁移欲望函数, 及广义势. 借助于朗之万方程, 将其转变为Hamilton-Jacobi方程, 从而对群体决策行为进行统计理论分析. 采用高维最陡降线的方式求解Hamilton-Jacobi方程. 其解的形式揭示了群体迁移过程中信息熵随着迁移群体年龄的变化呈现一个单峰; 信息熵对迁移距离的二阶导随迁移距离而穿零变化(对应一种相变); 信息熵随着经济人口密度也呈现单峰. 进一步分析信息熵的这些变化规律所蕴含的意义及其机理, 从而获得对人类群体迁移行为的新理解, 为政府管理提供参考和启示.
2015, 64(3): 030503.
doi: 10.7498/aps.64.030503
摘要:
本文首先根据能量转换理论建立了电磁辐射影响下神经元电流变量模型, 然后结合Hodgkin-Huxley(HH)神经元模型研究了电磁辐射对单个神经元以及耦合神经元放电行为的影响. 结果表明, 随着电磁辐射强度的增大, 神经元放电率逐渐减小, 最后达到一个比较稳定的值. 神经元原有的周期型放电由于辐射强度的增大而逐步过渡到簇放电状态, 并借助动态分岔理论解释了这种放电模式的转换. 同时证明了磁辐射对单个神经元放电的影响可以通过神经元间的耦合传递到临近其他神经元中.
本文首先根据能量转换理论建立了电磁辐射影响下神经元电流变量模型, 然后结合Hodgkin-Huxley(HH)神经元模型研究了电磁辐射对单个神经元以及耦合神经元放电行为的影响. 结果表明, 随着电磁辐射强度的增大, 神经元放电率逐渐减小, 最后达到一个比较稳定的值. 神经元原有的周期型放电由于辐射强度的增大而逐步过渡到簇放电状态, 并借助动态分岔理论解释了这种放电模式的转换. 同时证明了磁辐射对单个神经元放电的影响可以通过神经元间的耦合传递到临近其他神经元中.
2015, 64(3): 030504.
doi: 10.7498/aps.64.030504
摘要:
针对单模Lorenz-Haken激光系统中存在的混沌现象, 提出一种单变量间歇反馈控制方案. 数值结果表明, 通过选择不同的控制强度, 可将Lorenz-Haken激光混沌系统镇定到1周期态、2周期态、4周期态、6周期态、8周期态等. 同时, 利用该控制方案, 实现了Lorenz-Haken激光混沌系统的同步.
针对单模Lorenz-Haken激光系统中存在的混沌现象, 提出一种单变量间歇反馈控制方案. 数值结果表明, 通过选择不同的控制强度, 可将Lorenz-Haken激光混沌系统镇定到1周期态、2周期态、4周期态、6周期态、8周期态等. 同时, 利用该控制方案, 实现了Lorenz-Haken激光混沌系统的同步.
2015, 64(3): 030505.
doi: 10.7498/aps.64.030505
摘要:
分数阶混沌系统参数估计的本质是多维参数优化问题, 其对于实现分数阶混沌控制与同步至关重要. 提出一种基于量子并行特性的粒子群优化新算法, 用于解决分数阶混沌的系统参数估计问题. 利用量子计算的并行特性, 设计出了一种新的量子编码, 使每代运算的可计算次数呈指数增加. 在此基础上, 构建了由量子当前旋转角、个体最优旋转角和全局最优旋转角共同组成的粒子演化方程, 以约束粒子在量子空间中的运动行为, 使算法的搜索能力得到了较大提高. 以分数阶Lorenz混沌系统和分数阶Chen混沌系统的参数估计为例, 进行了未知参数估计的数值仿真, 结果显示本算法具有良好的有效性、鲁棒性和通用性.
分数阶混沌系统参数估计的本质是多维参数优化问题, 其对于实现分数阶混沌控制与同步至关重要. 提出一种基于量子并行特性的粒子群优化新算法, 用于解决分数阶混沌的系统参数估计问题. 利用量子计算的并行特性, 设计出了一种新的量子编码, 使每代运算的可计算次数呈指数增加. 在此基础上, 构建了由量子当前旋转角、个体最优旋转角和全局最优旋转角共同组成的粒子演化方程, 以约束粒子在量子空间中的运动行为, 使算法的搜索能力得到了较大提高. 以分数阶Lorenz混沌系统和分数阶Chen混沌系统的参数估计为例, 进行了未知参数估计的数值仿真, 结果显示本算法具有良好的有效性、鲁棒性和通用性.
2015, 64(3): 030506.
doi: 10.7498/aps.64.030506
摘要:
针对短期风速时间序列的预测问题进行了研究. 首先通过0-1混沌测试法确定短期风速时间序列具有混沌特性. 采用相空间重构技术, 利用C-C算法确定延迟时间, G-P 算法确定嵌入维数. 然后提出一种参数在线修正的最小二乘支持向量机预测模型, 采用改进的粒子群算法进行预测模型中参数的优化. 最后通过仿真对比实验表明提出的预测方法在预测精度、预测误差、预测效果方面都要优于其他常见的预测方法, 证明该预测方法是有效的.
针对短期风速时间序列的预测问题进行了研究. 首先通过0-1混沌测试法确定短期风速时间序列具有混沌特性. 采用相空间重构技术, 利用C-C算法确定延迟时间, G-P 算法确定嵌入维数. 然后提出一种参数在线修正的最小二乘支持向量机预测模型, 采用改进的粒子群算法进行预测模型中参数的优化. 最后通过仿真对比实验表明提出的预测方法在预测精度、预测误差、预测效果方面都要优于其他常见的预测方法, 证明该预测方法是有效的.
2015, 64(3): 033101.
doi: 10.7498/aps.64.033101
摘要:
HfO2因高k值、热稳定性良好和相对Si导带偏移良好等特点, 作为电荷俘获型存储器栅介质材料得到了广泛研究. 为了明确高k俘获层提高CTM电荷俘获效率的原因, 运用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了氧空位引起HfO2的晶格变化及其影响计算结果显示优化后氧空位最近邻氧原子间距明显减小, 次近邻O与Hf间距变化稍小. 优化后氧空位明显改变局部晶格, 而对较远晶格影响逐渐减弱, 即引起了局部晶格变化深能级和导带电子态密度主要是Hf原子贡献, 而价带则是O原子贡献. 优化后各元素局部电子态密度和总电子态密度都明显大于未优化体系, 局部电子态密度之和比总电子态密度小. 优化后俘获电荷主要在氧空位周围和相邻氧原子上, 而未优化时电荷遍布整个体系. 优化后缺陷体系电荷局域能增大, 电荷量增加时未优化体系电荷局域能明显减小, 即晶格变化无饱和特性对电荷局域影响大.说明晶格变化对电荷的俘获能力较强, 有利于改善存储器特性.
HfO2因高k值、热稳定性良好和相对Si导带偏移良好等特点, 作为电荷俘获型存储器栅介质材料得到了广泛研究. 为了明确高k俘获层提高CTM电荷俘获效率的原因, 运用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了氧空位引起HfO2的晶格变化及其影响计算结果显示优化后氧空位最近邻氧原子间距明显减小, 次近邻O与Hf间距变化稍小. 优化后氧空位明显改变局部晶格, 而对较远晶格影响逐渐减弱, 即引起了局部晶格变化深能级和导带电子态密度主要是Hf原子贡献, 而价带则是O原子贡献. 优化后各元素局部电子态密度和总电子态密度都明显大于未优化体系, 局部电子态密度之和比总电子态密度小. 优化后俘获电荷主要在氧空位周围和相邻氧原子上, 而未优化时电荷遍布整个体系. 优化后缺陷体系电荷局域能增大, 电荷量增加时未优化体系电荷局域能明显减小, 即晶格变化无饱和特性对电荷局域影响大.说明晶格变化对电荷的俘获能力较强, 有利于改善存储器特性.
2015, 64(3): 033401.
doi: 10.7498/aps.64.033401
摘要:
液体中空化现象的研究对减少空蚀破坏, 提高空化空泡的有效利用具有重要意义.本文采用分子动力学模拟的方法, 对正则系综条件下系统中空化的发生特性进行研究, 分析空化发生的机理, 讨论温度、数密度等因素对空化发生的影响, 并与格子Boltzmann方法进行了比较.模拟结果表明: 温度和数密度的变化, 都对系统中的空化产生显著影响.其中, 温度升高, 使系统中空化空泡的形成由稳定变得不稳定, 最终难以形成.数密度降低, 则会促进空化空泡的形成.随着数密度的减小, 温度对空化空泡形成的影响程度下降.
液体中空化现象的研究对减少空蚀破坏, 提高空化空泡的有效利用具有重要意义.本文采用分子动力学模拟的方法, 对正则系综条件下系统中空化的发生特性进行研究, 分析空化发生的机理, 讨论温度、数密度等因素对空化发生的影响, 并与格子Boltzmann方法进行了比较.模拟结果表明: 温度和数密度的变化, 都对系统中的空化产生显著影响.其中, 温度升高, 使系统中空化空泡的形成由稳定变得不稳定, 最终难以形成.数密度降低, 则会促进空化空泡的形成.随着数密度的减小, 温度对空化空泡形成的影响程度下降.
2015, 64(3): 034102.
doi: 10.7498/aps.64.034102
摘要:
基于两宽金属条中间引入两交叉细长金属线的双三角形结构, 提出了一种新型二维超材料结构.利用HFSS软件对该结构及其衍生结构进行仿真分析, 结果表明: 该类形结构在电磁波垂直和平行两种入射情况下都能实现双负特性, 通过比较分析归纳出该类形结构的一般规律: 电磁波以垂直和水平两种方式入射时, 中间引入的金属线个数每增加一根, 结构的谐振频率向高频方向分别移动0.5 GHz和4 GHz左右.对多维左手材料的发展提供了参考.
基于两宽金属条中间引入两交叉细长金属线的双三角形结构, 提出了一种新型二维超材料结构.利用HFSS软件对该结构及其衍生结构进行仿真分析, 结果表明: 该类形结构在电磁波垂直和平行两种入射情况下都能实现双负特性, 通过比较分析归纳出该类形结构的一般规律: 电磁波以垂直和水平两种方式入射时, 中间引入的金属线个数每增加一根, 结构的谐振频率向高频方向分别移动0.5 GHz和4 GHz左右.对多维左手材料的发展提供了参考.
2015, 64(3): 034201.
doi: 10.7498/aps.64.034201
摘要:
随着科技发展, 如何解决大视场和高分辨率之间的矛盾成为了众多科技人员的研究重心之一, 本文提出了双小凹成像系统的概念, 在传统仿真人眼的单小凹成像系统的基础上, 通过引入反射式液晶空间光调制器对光学系统进行两个视场内波像差的调制, 改善对应的像差, 从而实现了大视场内低分辨率成像的条件下, 在两个特定的视场内满足高分辨率成像, 因此可解决大视场和高分辨率的矛盾.本文通过设计一个参考波长为587 nm, 视场为60° (即± 30°),F数为F/8, 焦距为60 mm的双小凹光学成像系统, 并利用CODE V软件模拟仿真实现了5°和17°双视场高分辨率成像, 其余视场低分辨率成像, 并以32×32的采样分辨率计算了该系统的衍射效率, 验证了设计方法的科学性和准确性.
随着科技发展, 如何解决大视场和高分辨率之间的矛盾成为了众多科技人员的研究重心之一, 本文提出了双小凹成像系统的概念, 在传统仿真人眼的单小凹成像系统的基础上, 通过引入反射式液晶空间光调制器对光学系统进行两个视场内波像差的调制, 改善对应的像差, 从而实现了大视场内低分辨率成像的条件下, 在两个特定的视场内满足高分辨率成像, 因此可解决大视场和高分辨率的矛盾.本文通过设计一个参考波长为587 nm, 视场为60° (即± 30°),F数为F/8, 焦距为60 mm的双小凹光学成像系统, 并利用CODE V软件模拟仿真实现了5°和17°双视场高分辨率成像, 其余视场低分辨率成像, 并以32×32的采样分辨率计算了该系统的衍射效率, 验证了设计方法的科学性和准确性.
2015, 64(3): 034202.
doi: 10.7498/aps.64.034202
摘要:
天基空间目标观测时, 对于远距离目标, 通常只能得到一个点的相关信息, 包括目标的位置和灰度等, 损失了目标的材料、大小和状态等特征. 代表物体固有属性差异的光谱特性可作为目标特征提取与识别的一种重要手段. 从目标光谱特性的产生特点出发, 综合考虑目标的材料特性、结构特性、背景特性、轨道特性等因素, 建立了目标光谱特性的数学模型, 提出了基于光谱特性数学模型反演计算的目标特征提取与识别方法, 以环境一号卫星缩比模型为例, 进行了典型参数条件下的目标特征提取与识别实验验证, 实验结果验证了建模方法的正确性.
天基空间目标观测时, 对于远距离目标, 通常只能得到一个点的相关信息, 包括目标的位置和灰度等, 损失了目标的材料、大小和状态等特征. 代表物体固有属性差异的光谱特性可作为目标特征提取与识别的一种重要手段. 从目标光谱特性的产生特点出发, 综合考虑目标的材料特性、结构特性、背景特性、轨道特性等因素, 建立了目标光谱特性的数学模型, 提出了基于光谱特性数学模型反演计算的目标特征提取与识别方法, 以环境一号卫星缩比模型为例, 进行了典型参数条件下的目标特征提取与识别实验验证, 实验结果验证了建模方法的正确性.
2015, 64(3): 034203.
doi: 10.7498/aps.64.034203
摘要:
本文基于二维磁性柱周期阵列设计了具有等效零折射率的磁性特异电磁介质. 通过多重散射理论计算体系的光子能带和等效介质理论提取体系的等效电磁参量可以确定该磁性特异电磁介质可以实现等效介电常数和等效磁导率同时为零. 利用该双零磁性特异电磁介质可以实现电磁波在无相位延迟下的传输, 从而可以调控电磁波的空间相位变化. 进而, 通过设计具有不同电磁波输出界面的构型实现了高斯光束的波前由平面转变成柱面, 还可以实现高斯光束的聚焦和高斯光束的分束. 也可以根据需要设计具有更为一般的输出界面, 实现更为多样的电磁波波前的调控. 而且, 磁性材料的电磁特性可以通过温度和外加磁场进行调制, 因此该双零磁性特异电磁介质的工作频率可以灵活控制, 这更便于电磁波器件的设计和应用.
本文基于二维磁性柱周期阵列设计了具有等效零折射率的磁性特异电磁介质. 通过多重散射理论计算体系的光子能带和等效介质理论提取体系的等效电磁参量可以确定该磁性特异电磁介质可以实现等效介电常数和等效磁导率同时为零. 利用该双零磁性特异电磁介质可以实现电磁波在无相位延迟下的传输, 从而可以调控电磁波的空间相位变化. 进而, 通过设计具有不同电磁波输出界面的构型实现了高斯光束的波前由平面转变成柱面, 还可以实现高斯光束的聚焦和高斯光束的分束. 也可以根据需要设计具有更为一般的输出界面, 实现更为多样的电磁波波前的调控. 而且, 磁性材料的电磁特性可以通过温度和外加磁场进行调制, 因此该双零磁性特异电磁介质的工作频率可以灵活控制, 这更便于电磁波器件的设计和应用.
2015, 64(3): 034204.
doi: 10.7498/aps.64.034204
摘要:
本文提出一种利用非传统螺旋相位调控高阶涡旋光束拓扑结构的方法.数值模拟并实验研究了具有不均匀旋转梯度的非传统螺旋相位对高阶涡旋光束的调控行为.结果表明, 携带有非传统螺旋相位的高阶涡旋光束在传输过程中, 将退化为沿一条直线排列的多个一阶相位奇点, 并且, 这种非传统螺旋相位对高阶涡旋光束的调控特性, 可抑制相位噪声等扰动所引起的拓扑结构随机退化现象.本文的结论为涡旋光束拓扑结构的调控提供了一种可行的新途径, 在基于涡旋光束的光学通信、光学操控等方面具有潜在应用.
本文提出一种利用非传统螺旋相位调控高阶涡旋光束拓扑结构的方法.数值模拟并实验研究了具有不均匀旋转梯度的非传统螺旋相位对高阶涡旋光束的调控行为.结果表明, 携带有非传统螺旋相位的高阶涡旋光束在传输过程中, 将退化为沿一条直线排列的多个一阶相位奇点, 并且, 这种非传统螺旋相位对高阶涡旋光束的调控特性, 可抑制相位噪声等扰动所引起的拓扑结构随机退化现象.本文的结论为涡旋光束拓扑结构的调控提供了一种可行的新途径, 在基于涡旋光束的光学通信、光学操控等方面具有潜在应用.
2015, 64(3): 034205.
doi: 10.7498/aps.64.034205
摘要:
本文介绍了非均匀部分相干光束的概念, 并用数值模拟的方法详细研究了其在自由空间传输后的变化. 研究结果表明, 经过自由空间传输后非均匀部分相干光束会发生不同于传统相干模型光束的显著变化. 这种变化和光束传输距离、光源空间相干度分布、光源光强分布密切相关. 经过传输后, 源平面自相干附近点的空间相干度发生突变, 在短距离传输过程中源平面高相干区域的空间相干度会降低, 接收面各点的空间相干曲线不再相同, 随着传输距离增加, 非均匀空间相干度会逐渐趋于均匀.
本文介绍了非均匀部分相干光束的概念, 并用数值模拟的方法详细研究了其在自由空间传输后的变化. 研究结果表明, 经过自由空间传输后非均匀部分相干光束会发生不同于传统相干模型光束的显著变化. 这种变化和光束传输距离、光源空间相干度分布、光源光强分布密切相关. 经过传输后, 源平面自相干附近点的空间相干度发生突变, 在短距离传输过程中源平面高相干区域的空间相干度会降低, 接收面各点的空间相干曲线不再相同, 随着传输距离增加, 非均匀空间相干度会逐渐趋于均匀.
2015, 64(3): 034206.
doi: 10.7498/aps.64.034206
摘要:
研究了耦合光共振时Rb87冷原子D1线形能级体系中电磁感应透明吸收曲线的不对称现象.发现间隔为814 MHz的另一个激发态能级导致了不对称现象.不对称现象的根本原因是受激拉曼散射, 同时发现透明窗口两侧不对称的吸收峰的幅值比与耦合光强成正比.理论拟合与实验数据符合得较好.
研究了耦合光共振时Rb87冷原子D1线形能级体系中电磁感应透明吸收曲线的不对称现象.发现间隔为814 MHz的另一个激发态能级导致了不对称现象.不对称现象的根本原因是受激拉曼散射, 同时发现透明窗口两侧不对称的吸收峰的幅值比与耦合光强成正比.理论拟合与实验数据符合得较好.
2015, 64(3): 034207.
doi: 10.7498/aps.64.034207
摘要:
通过微型原子蒸汽室产生质量满足要求的相干布居囚禁(CPT)信号是实现芯片原子钟的关键之一.本实验通过对光源实施频率调制和对光场与87Rb原子作用产生的信号作相敏解调获得高信噪比的CPT微分谱线, 利用CPT微分谱线研究了CPT信号随工作参数变化的规律以及信号质量对原子钟频率稳定度的影响, 所获研究结果与理论模型预期相符合, 实验结果为芯片原子钟推荐了最佳工作参数.实验所采用的方法利用芯片原子钟自身的资源就可以实施, 因此为芯片原子钟开展性能研究和实施工作参数优化提供了实用的手段.
通过微型原子蒸汽室产生质量满足要求的相干布居囚禁(CPT)信号是实现芯片原子钟的关键之一.本实验通过对光源实施频率调制和对光场与87Rb原子作用产生的信号作相敏解调获得高信噪比的CPT微分谱线, 利用CPT微分谱线研究了CPT信号随工作参数变化的规律以及信号质量对原子钟频率稳定度的影响, 所获研究结果与理论模型预期相符合, 实验结果为芯片原子钟推荐了最佳工作参数.实验所采用的方法利用芯片原子钟自身的资源就可以实施, 因此为芯片原子钟开展性能研究和实施工作参数优化提供了实用的手段.
2015, 64(3): 034208.
doi: 10.7498/aps.64.034208
摘要:
基于广义Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov大气湍流折射率起伏谱密度函数, 采用Wigner分布函数的二阶矩方法, 推导出了在大气湍流中传输的部分相干双曲余弦厄米高斯光束束宽和M2因子的解析表达式. 研究表明: 相对束宽和归一化M2因子随传输距离的增大而增大; 光束阶数越大、相干长度越小、双曲余弦参数越小, 相对束宽和归一化M2因子受大气湍流影响越小; 相对束宽随束腰宽度的增大存在极大值, 在一定的相干长度范围内, 归一化M2因子随束腰宽度的增大存在极小值; 相对束宽和归一化M2因子随广义指数的变化均存在极大值, 随内尺度的增大而逐渐减小, 随外尺度的增大几乎没有变化.
基于广义Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov大气湍流折射率起伏谱密度函数, 采用Wigner分布函数的二阶矩方法, 推导出了在大气湍流中传输的部分相干双曲余弦厄米高斯光束束宽和M2因子的解析表达式. 研究表明: 相对束宽和归一化M2因子随传输距离的增大而增大; 光束阶数越大、相干长度越小、双曲余弦参数越小, 相对束宽和归一化M2因子受大气湍流影响越小; 相对束宽随束腰宽度的增大存在极大值, 在一定的相干长度范围内, 归一化M2因子随束腰宽度的增大存在极小值; 相对束宽和归一化M2因子随广义指数的变化均存在极大值, 随内尺度的增大而逐渐减小, 随外尺度的增大几乎没有变化.
2015, 64(3): 034209.
doi: 10.7498/aps.64.034209
摘要:
利用紧束缚方法分析了双局域态光子晶体产生双缺陷模的机理, 采用传输矩阵法研究了一维光子晶体的光学传输特性, 并得到了透射谱与晶体结构参数的关系, 在此基础上讨论了光子晶体在受到单轴应力时所表现出的介观压光效应, 据此设计了一种结构简单的应力调制的近红外波段的多通道滤波结构.通过数值模拟可以看出, 随着各介质层折射率或厚度的增加, 缺陷模发生红移.当对多系双局域态光子晶体施加单轴拉伸应力时, 各缺陷峰都向长波长移动, 且缺陷峰峰值基本不变.经过数值拟合, 缺陷峰中心波长与对光子晶体施加单轴拉伸应力所产生的应变呈线性关系.该滤波器结构简单、可调谐性好, 在一系列精巧的光子晶体激光器、波分复用器或者其他精密仪器的制造中有一定的应用价值.
利用紧束缚方法分析了双局域态光子晶体产生双缺陷模的机理, 采用传输矩阵法研究了一维光子晶体的光学传输特性, 并得到了透射谱与晶体结构参数的关系, 在此基础上讨论了光子晶体在受到单轴应力时所表现出的介观压光效应, 据此设计了一种结构简单的应力调制的近红外波段的多通道滤波结构.通过数值模拟可以看出, 随着各介质层折射率或厚度的增加, 缺陷模发生红移.当对多系双局域态光子晶体施加单轴拉伸应力时, 各缺陷峰都向长波长移动, 且缺陷峰峰值基本不变.经过数值拟合, 缺陷峰中心波长与对光子晶体施加单轴拉伸应力所产生的应变呈线性关系.该滤波器结构简单、可调谐性好, 在一系列精巧的光子晶体激光器、波分复用器或者其他精密仪器的制造中有一定的应用价值.
2015, 64(3): 034210.
doi: 10.7498/aps.64.034210
摘要:
本文研究了周期外力对单模激光增益模型所做的功, 结果表明: 功随周期外力角频率的变化出现一个极大值, 即出现能量随机共振现象, 并详细讨论了系统参数和噪声强度对共振峰的影响.
本文研究了周期外力对单模激光增益模型所做的功, 结果表明: 功随周期外力角频率的变化出现一个极大值, 即出现能量随机共振现象, 并详细讨论了系统参数和噪声强度对共振峰的影响.
2015, 64(3): 034211.
doi: 10.7498/aps.64.034211
摘要:
采用532 nm纳秒脉冲激光对热退火的铝(Al)/掺氟二氧化锡(FTO)、铜(Cu)/FTO和银(Ag)/FTO三种双层复合薄膜表面分别进行处理, 结果显示薄膜样品的光电性能都得到提高.其中, 热退火Ag/FTO薄膜的平均透光率(400–800 nm)增幅最大, 从72.6%提高到80.5%, 主要是由于其表面产生了具有减反增透作用的光栅结构.激光辐照后热退火Ag/FTO薄膜的导电性也略有提高, 其方块电阻从5.6 Ω/sq下降到5.3 Ω/sq, 原因主要是激光辐照的热效应造成的退火作用使薄膜的晶粒尺寸增大, 减少了晶界散射而使载流子迁移率提高.计算结果显示, 激光辐照后热退火Ag/FTO薄膜的品质因子从0.73×10-2Ω-1增大为2.16×10-2Ω-1, 表明其综合光电性能得到显著提高.激光辐照可同步实现薄膜表面光栅结构的制备和附加退火作用, 这为金属层复合透明导电薄膜光电性能的综合优化提供了新的思路.
采用532 nm纳秒脉冲激光对热退火的铝(Al)/掺氟二氧化锡(FTO)、铜(Cu)/FTO和银(Ag)/FTO三种双层复合薄膜表面分别进行处理, 结果显示薄膜样品的光电性能都得到提高.其中, 热退火Ag/FTO薄膜的平均透光率(400–800 nm)增幅最大, 从72.6%提高到80.5%, 主要是由于其表面产生了具有减反增透作用的光栅结构.激光辐照后热退火Ag/FTO薄膜的导电性也略有提高, 其方块电阻从5.6 Ω/sq下降到5.3 Ω/sq, 原因主要是激光辐照的热效应造成的退火作用使薄膜的晶粒尺寸增大, 减少了晶界散射而使载流子迁移率提高.计算结果显示, 激光辐照后热退火Ag/FTO薄膜的品质因子从0.73×10-2Ω-1增大为2.16×10-2Ω-1, 表明其综合光电性能得到显著提高.激光辐照可同步实现薄膜表面光栅结构的制备和附加退火作用, 这为金属层复合透明导电薄膜光电性能的综合优化提供了新的思路.
2015, 64(3): 034212.
doi: 10.7498/aps.64.034212
摘要:
利用包含拉曼增益的耦合非线性薛定谔方程, 导出了斯托克斯参量表示的含拉曼增益的杜芬方程, 通过椭圆积分求出了杜芬方程的解析解, 重点分析了光波在低双折射光纤中传播时, 拉曼增益对其偏振态演化的影响结果表明当输入功率与运动常量满足一定关系时, 拉曼增益改变了光波传输时其偏振态演化周期.
利用包含拉曼增益的耦合非线性薛定谔方程, 导出了斯托克斯参量表示的含拉曼增益的杜芬方程, 通过椭圆积分求出了杜芬方程的解析解, 重点分析了光波在低双折射光纤中传播时, 拉曼增益对其偏振态演化的影响结果表明当输入功率与运动常量满足一定关系时, 拉曼增益改变了光波传输时其偏振态演化周期.
2015, 64(3): 034213.
doi: 10.7498/aps.64.034213
摘要:
本文测量了不同氘含量K(H1-xDx)2PO4晶体(DKDP晶体)在Z(XX)Y散射配置下的自发拉曼散射光谱, 并详细分析了氘含量对与横向受激拉曼散射(TSRS)增益系数有关的拉曼频移、半峰宽和散射强度的影响. 然后通过与去离子水拉曼散射对比得出了不同氘含量DKDP晶体的TSRS增益系数. 结果表明随着氘含量的增加DKDP晶体的TSRS增益系数先减小至KDP晶体的40.1%, 后增大至68.9%; 本文认为掺氘后拉曼半峰宽的变化是引起TSRS增益系数随氘含量变化的主要原因.
本文测量了不同氘含量K(H1-xDx)2PO4晶体(DKDP晶体)在Z(XX)Y散射配置下的自发拉曼散射光谱, 并详细分析了氘含量对与横向受激拉曼散射(TSRS)增益系数有关的拉曼频移、半峰宽和散射强度的影响. 然后通过与去离子水拉曼散射对比得出了不同氘含量DKDP晶体的TSRS增益系数. 结果表明随着氘含量的增加DKDP晶体的TSRS增益系数先减小至KDP晶体的40.1%, 后增大至68.9%; 本文认为掺氘后拉曼半峰宽的变化是引起TSRS增益系数随氘含量变化的主要原因.
2015, 64(3): 034214.
doi: 10.7498/aps.64.034214
摘要:
超短飞秒脉冲激光(脉冲时间2纳微薄膜(厚度150–200 nm). 光限幅测试结果表明, 针对超短脉冲激光, 此纳微薄膜在低光强下增透, 高光强下减透(光限幅); 且能通过改变入射波长, 调控其光限幅阈值, 可用于聚光太阳能电池的效率增强和损伤保护.利用此方法, 对已商用的砷化镓太阳能电池进行涂膜, 发现转换效率降低50%.
超短飞秒脉冲激光(脉冲时间2纳微薄膜(厚度150–200 nm). 光限幅测试结果表明, 针对超短脉冲激光, 此纳微薄膜在低光强下增透, 高光强下减透(光限幅); 且能通过改变入射波长, 调控其光限幅阈值, 可用于聚光太阳能电池的效率增强和损伤保护.利用此方法, 对已商用的砷化镓太阳能电池进行涂膜, 发现转换效率降低50%.
2015, 64(3): 034215.
doi: 10.7498/aps.64.034215
摘要:
采用有限元法对实验室自制的非线性微结构光纤进行理论分析, 表明该光纤具有良好的非线性和色散波产生的相位匹配特性. 为实现微结构光纤非线性的全光纤化, 本实验采用中心波长为1032 nm的光纤飞秒激光器作为抽运源, 获得了753–789 nm 的近红外色散波. 实验中发现色散波中心波长和带宽随着抽运功率的改变会产生明显变化, 并且在不同光纤长度时, 色散波的频移量不同, 脉冲展宽及频谱也会有明显的变化. 实验结果与理论分析一致. 这些结果对实现微结构光纤非线性的全光纤化具有良好的借鉴作用, 为生物医疗应用特别是非线性光学显微成像术的近红外光源研究打下基础.
采用有限元法对实验室自制的非线性微结构光纤进行理论分析, 表明该光纤具有良好的非线性和色散波产生的相位匹配特性. 为实现微结构光纤非线性的全光纤化, 本实验采用中心波长为1032 nm的光纤飞秒激光器作为抽运源, 获得了753–789 nm 的近红外色散波. 实验中发现色散波中心波长和带宽随着抽运功率的改变会产生明显变化, 并且在不同光纤长度时, 色散波的频移量不同, 脉冲展宽及频谱也会有明显的变化. 实验结果与理论分析一致. 这些结果对实现微结构光纤非线性的全光纤化具有良好的借鉴作用, 为生物医疗应用特别是非线性光学显微成像术的近红外光源研究打下基础.
2015, 64(3): 034216.
doi: 10.7498/aps.64.034216
摘要:
为了分析背景辐射对基于氧气吸收被动测距精度的影响, 利用高光谱成像光谱仪作为测量设备, 卤钨灯作为目标, 进行了实验研究.首先, 介绍了基于氧气吸收被动测距技术的基本原理; 接着, 利用高光谱成像仪采集了夜间不同距离下的卤钨灯目标光谱分布, 根据氧气吸收被动测距原理, 计算了目标的氧气吸收率, 建立了氧气吸收率与路径关系的模型; 然后采集并计算了晴天2360 m处目标在不同时刻下的氧气吸收率分布, 根据所建模型, 利用白天测得的氧气吸收率数据解算距离并分析测距误差, 最终获得背景辐射对被动测距误差的影响.结果表明: 依据所建立的模型, 白天测距误差最大6.74%, 并且随着太阳高度角变小, 所处背景变暗, 误差逐渐变小, 到夜间时最小相对误差仅1.10%, 可达到较高测距精度.
为了分析背景辐射对基于氧气吸收被动测距精度的影响, 利用高光谱成像光谱仪作为测量设备, 卤钨灯作为目标, 进行了实验研究.首先, 介绍了基于氧气吸收被动测距技术的基本原理; 接着, 利用高光谱成像仪采集了夜间不同距离下的卤钨灯目标光谱分布, 根据氧气吸收被动测距原理, 计算了目标的氧气吸收率, 建立了氧气吸收率与路径关系的模型; 然后采集并计算了晴天2360 m处目标在不同时刻下的氧气吸收率分布, 根据所建模型, 利用白天测得的氧气吸收率数据解算距离并分析测距误差, 最终获得背景辐射对被动测距误差的影响.结果表明: 依据所建立的模型, 白天测距误差最大6.74%, 并且随着太阳高度角变小, 所处背景变暗, 误差逐渐变小, 到夜间时最小相对误差仅1.10%, 可达到较高测距精度.
2015, 64(3): 034217.
doi: 10.7498/aps.64.034217
摘要:
本文主要介绍了一种快速测量区域大气痕量气体二维分布的方法——机载成像差分吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)技术. 该技术基于成像光谱仪, 利用DOAS算法, 对痕量气体大范围分布快速扫描成像, 可实现污染源扩散趋势的可视化观测, 应用于污染源定位、污染源排放率监测、污染物传输演化等研究. 文中详细介绍了研制的机载成像DOAS系统, 并利用该系统开展飞行实验, 快速获取了飞行轨迹上空的NO2浓度分布. 实验中针对重点关注区域进行扫描测量, 成功获取了高分辨率的NO2二维分布图, 分析了污染扩散趋势, 并结合风场数据, 估算污染点源的NO2排放率为1570 kg/h.
本文主要介绍了一种快速测量区域大气痕量气体二维分布的方法——机载成像差分吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)技术. 该技术基于成像光谱仪, 利用DOAS算法, 对痕量气体大范围分布快速扫描成像, 可实现污染源扩散趋势的可视化观测, 应用于污染源定位、污染源排放率监测、污染物传输演化等研究. 文中详细介绍了研制的机载成像DOAS系统, 并利用该系统开展飞行实验, 快速获取了飞行轨迹上空的NO2浓度分布. 实验中针对重点关注区域进行扫描测量, 成功获取了高分辨率的NO2二维分布图, 分析了污染扩散趋势, 并结合风场数据, 估算污染点源的NO2排放率为1570 kg/h.
2015, 64(3): 034218.
doi: 10.7498/aps.64.034218
摘要:
光码分多址系统中, 光编解码器是影响系统性能的关键因素之一.自相关峰值旁瓣比(P/W)、自互相关峰值比(P/C)是衡量编解码器性能的两个重要指标.以硅基SOI微环谐振腔为载体, 提出了一种串联三环阵列的二维相干OCDMA编解码器模型.详细研究了耦合系数、损耗系数、阵列间距以及通道间隔对微环谐振腔编解码器性能的影响.结果表明, 半径为50 μm的微环, 环与直波导间耦合系数在0.6–0.7之间, 环与环间耦合系数在0.1–0.2之间, 损耗系数 < 2 dB/cm, 阵列间距大于3 mm, 通道间隔在25–36 GHz间时, 编解码器能够获得良好的性能.
光码分多址系统中, 光编解码器是影响系统性能的关键因素之一.自相关峰值旁瓣比(P/W)、自互相关峰值比(P/C)是衡量编解码器性能的两个重要指标.以硅基SOI微环谐振腔为载体, 提出了一种串联三环阵列的二维相干OCDMA编解码器模型.详细研究了耦合系数、损耗系数、阵列间距以及通道间隔对微环谐振腔编解码器性能的影响.结果表明, 半径为50 μm的微环, 环与直波导间耦合系数在0.6–0.7之间, 环与环间耦合系数在0.1–0.2之间, 损耗系数 < 2 dB/cm, 阵列间距大于3 mm, 通道间隔在25–36 GHz间时, 编解码器能够获得良好的性能.
2015, 64(3): 034301.
doi: 10.7498/aps.64.034301
摘要:
微波热致超声成像技术通过向物体发射微波脉冲, 导致物体吸收电磁波温度迅速升高, 产生瞬时压力波, 从而激发产生超声波信号, 通过传感器对产生的超声波信号进行采集并成像, 最终还原了反映物体吸收电磁波能量特性的图像, 由于此方法兼具了微波成像的高对比性和超声成像的高分辨率特点, 理论上验证了热声成像技术对早期乳腺肿瘤检测的可行性. 本实验兼顾系统成像深度和分辨率, 采用S波段的微波脉冲信号源对物体进行辐射, 利用圆形扫描方式对待测物体进行检测, 同时为了更好的验证成像性能, 本实验同时使用了肿瘤仿体及实际生物组织进行成像实验. 通过实验分析, 验证了该系统对肿瘤仿体和生物组织检测的有效性, 以及系统的高分辨率和高对比度特性, 为早期乳房肿瘤检测提供了进一步的理论支撑.
微波热致超声成像技术通过向物体发射微波脉冲, 导致物体吸收电磁波温度迅速升高, 产生瞬时压力波, 从而激发产生超声波信号, 通过传感器对产生的超声波信号进行采集并成像, 最终还原了反映物体吸收电磁波能量特性的图像, 由于此方法兼具了微波成像的高对比性和超声成像的高分辨率特点, 理论上验证了热声成像技术对早期乳腺肿瘤检测的可行性. 本实验兼顾系统成像深度和分辨率, 采用S波段的微波脉冲信号源对物体进行辐射, 利用圆形扫描方式对待测物体进行检测, 同时为了更好的验证成像性能, 本实验同时使用了肿瘤仿体及实际生物组织进行成像实验. 通过实验分析, 验证了该系统对肿瘤仿体和生物组织检测的有效性, 以及系统的高分辨率和高对比度特性, 为早期乳房肿瘤检测提供了进一步的理论支撑.
2015, 64(3): 034501.
doi: 10.7498/aps.64.034501
摘要:
将基于多项式点插值的无网格方法用于旋转悬臂梁的动力学分析. 利用无网格点插值方法对柔性梁的变形场进行离散, 考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形, 并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短, 即非线性耦合项, 运用第二类Lagrange方程推导得到系统刚柔耦合动力学方程. 与有限元法相比, 该方法只需节点信息, 无需定义单元, 具有前处理简单的优势; 构造的形函数采用更多的节点插值, 具有高阶连续性. 将无网格点插值方法的仿真结果与有限元和假设模态法进行比较分析, 验证了该方法的正确性, 并表明其作为一种柔性体离散方法在刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性.
将基于多项式点插值的无网格方法用于旋转悬臂梁的动力学分析. 利用无网格点插值方法对柔性梁的变形场进行离散, 考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形, 并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短, 即非线性耦合项, 运用第二类Lagrange方程推导得到系统刚柔耦合动力学方程. 与有限元法相比, 该方法只需节点信息, 无需定义单元, 具有前处理简单的优势; 构造的形函数采用更多的节点插值, 具有高阶连续性. 将无网格点插值方法的仿真结果与有限元和假设模态法进行比较分析, 验证了该方法的正确性, 并表明其作为一种柔性体离散方法在刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性.
2015, 64(3): 034502.
doi: 10.7498/aps.64.034502
摘要:
研究El-Nabulsi动力学模型下非Chetaev型非完整系统精确不变量与绝热不变量问题. 首先, 导出El-Nabulsi-d'Alembert-Lagrange原理并建立系统的运动微分方程. 其次, 建立El-Nabulsi模型下未受扰动的非Chetaev 型非完整系统的Noether对称性与Noether对称性导致的精确不变量之间的关系; 再次, 引入力学系统的绝热不变量概念, 研究受小扰动作用下非Chetaev型非完整系统Noether对称性的摄动导致绝热不变量问题, 给出了绝热不变量存在的条件及其形式. 作为特例, 本文讨论了El-Nabulsi模型下Chetaev型非完整系统的精确不变量与绝热不变量问题. 最后分别给出非Chetaev型和Chetaev型两种约束下的算例以说明结果的应用.
研究El-Nabulsi动力学模型下非Chetaev型非完整系统精确不变量与绝热不变量问题. 首先, 导出El-Nabulsi-d'Alembert-Lagrange原理并建立系统的运动微分方程. 其次, 建立El-Nabulsi模型下未受扰动的非Chetaev 型非完整系统的Noether对称性与Noether对称性导致的精确不变量之间的关系; 再次, 引入力学系统的绝热不变量概念, 研究受小扰动作用下非Chetaev型非完整系统Noether对称性的摄动导致绝热不变量问题, 给出了绝热不变量存在的条件及其形式. 作为特例, 本文讨论了El-Nabulsi模型下Chetaev型非完整系统的精确不变量与绝热不变量问题. 最后分别给出非Chetaev型和Chetaev型两种约束下的算例以说明结果的应用.
2015, 64(3): 034601.
doi: 10.7498/aps.64.034601
摘要:
对延性金属层裂自由面速度曲线上典型特征所蕴含的物理涵义进行了新的解读. 揭示了自由面速度曲线上宏观响应特征和微孔洞成核、长大和聚集的微损伤演化动力学之间的关联: Pullback信号的临界点对应于微孔洞的成核,Pullback幅值表征了损伤成核或起始的条件——成核强度; Pullback信号之后的回跳斜率代表了损伤演化速率, Pullback 信号后速度回跳幅值从一定程度上反映了损伤程度; Pullback信号之后的振荡周期模式反映了损伤的局域化状态.
对延性金属层裂自由面速度曲线上典型特征所蕴含的物理涵义进行了新的解读. 揭示了自由面速度曲线上宏观响应特征和微孔洞成核、长大和聚集的微损伤演化动力学之间的关联: Pullback信号的临界点对应于微孔洞的成核,Pullback幅值表征了损伤成核或起始的条件——成核强度; Pullback信号之后的回跳斜率代表了损伤演化速率, Pullback 信号后速度回跳幅值从一定程度上反映了损伤程度; Pullback信号之后的振荡周期模式反映了损伤的局域化状态.
2015, 64(3): 034701.
doi: 10.7498/aps.64.034701
摘要:
基于构形理论, 以基于(火积)耗散率定义的当量热阻最小为优化目标对复杂肋片进行构形优化, 得到同时考虑肋片导热和对流换热(火积)耗散性能的肋片最优构形, 并比较不同形状和不同优化目标下的肋片最优构形. 结果表明: 存在最佳单元级直肋、中部空腔以及肋片末梢高度和长度比使得复杂肋片当量热阻取得三重最小值. 当量热阻最小的复杂肋片最优构形与T-Y形肋片最优构形相比, 复杂肋片结构使得肋片整体传热性能大大提高. 当肋片传热为二维传热且根部较宽时, 肋片根部温度越不均匀, 当量热阻最小和最大热阻最小的复杂肋片最优构形差别越大. 在保证热安全性的前提下, 工程上对肋片进行优化设计时可选择当量热阻最小的肋片构形设计方案以降低其平均传热温差、提高整体传热性能. 本文从传热优化角度为复杂肋片的优化设计提供了参考.
基于构形理论, 以基于(火积)耗散率定义的当量热阻最小为优化目标对复杂肋片进行构形优化, 得到同时考虑肋片导热和对流换热(火积)耗散性能的肋片最优构形, 并比较不同形状和不同优化目标下的肋片最优构形. 结果表明: 存在最佳单元级直肋、中部空腔以及肋片末梢高度和长度比使得复杂肋片当量热阻取得三重最小值. 当量热阻最小的复杂肋片最优构形与T-Y形肋片最优构形相比, 复杂肋片结构使得肋片整体传热性能大大提高. 当肋片传热为二维传热且根部较宽时, 肋片根部温度越不均匀, 当量热阻最小和最大热阻最小的复杂肋片最优构形差别越大. 在保证热安全性的前提下, 工程上对肋片进行优化设计时可选择当量热阻最小的肋片构形设计方案以降低其平均传热温差、提高整体传热性能. 本文从传热优化角度为复杂肋片的优化设计提供了参考.
2015, 64(3): 034702.
doi: 10.7498/aps.64.034702
摘要:
湍流旋涡运动研究中一个基本理论问题是: 相对于Lamb矢量本身的大小而言, 对Lamb矢量的Helmholtz 分解中的有势部分占多大比例, 本文利用发展的基于精确解的各向同性湍流统计理论的结果, 给出了新的解析理论预测结果.
湍流旋涡运动研究中一个基本理论问题是: 相对于Lamb矢量本身的大小而言, 对Lamb矢量的Helmholtz 分解中的有势部分占多大比例, 本文利用发展的基于精确解的各向同性湍流统计理论的结果, 给出了新的解析理论预测结果.
2015, 64(3): 034703.
doi: 10.7498/aps.64.034703
摘要:
针对横流中的侧向射流能够减小仿生射流表面摩擦阻力问题, 建立仿生射流表面模型, 利用SST k-湍模型对不同射流孔形状的仿生射流表面模型进行数值模拟, 并对数值模拟结果进行了实验验证. 结果表明: 当射流孔的流向长度和展向长度不变时, 3号模型的折线形射流孔减阻效果最好; 将折线形射流孔简化为圆弧形, 当r=35 mm时, 减阻率随着射流速度的增大而增大, 当r=4 mm时减阻效果最好, 最大减阻率为9.51%. 减阻原因: 通过射流孔向横向主流场中注入射流流体, 改变了射流表面附近边界层的流场结构, 使得边界层黏性底层厚度增加, 垂直于射流表面的法向速度梯度减小, 从而减小了壁面剪应力; 低速的射流流体被封锁在边界层内, 降低了高速流体对壁面的扫掠, 达到了减阻目的.
针对横流中的侧向射流能够减小仿生射流表面摩擦阻力问题, 建立仿生射流表面模型, 利用SST k-湍模型对不同射流孔形状的仿生射流表面模型进行数值模拟, 并对数值模拟结果进行了实验验证. 结果表明: 当射流孔的流向长度和展向长度不变时, 3号模型的折线形射流孔减阻效果最好; 将折线形射流孔简化为圆弧形, 当r=35 mm时, 减阻率随着射流速度的增大而增大, 当r=4 mm时减阻效果最好, 最大减阻率为9.51%. 减阻原因: 通过射流孔向横向主流场中注入射流流体, 改变了射流表面附近边界层的流场结构, 使得边界层黏性底层厚度增加, 垂直于射流表面的法向速度梯度减小, 从而减小了壁面剪应力; 低速的射流流体被封锁在边界层内, 降低了高速流体对壁面的扫掠, 达到了减阻目的.
2015, 64(3): 036801.
doi: 10.7498/aps.64.036801
摘要:
本文利用离子束表面改性技术对基底表面进行不同时间的轰击, 形成不同规则的纳米织构, 对不同织构的变化规律进行了研究, 同时, 利用磁过滤真空阴极电弧技术, 在具有不同纳米织构的各基底上沉积相同时间的四面体非晶碳薄膜. 采用原子力显微镜对各基底的织构进行形貌分析, 结果表明, 高能粒子束的轰击对基底表面形貌有较大的影响, 根据离子束轰击时间的不同, 可以在基底表面形成各种不同规则的纳米织构, 轰击15 min后发现基底表面形成点阵纳米织构, 之后随着时间的增加, 基本维持点阵结构. 通过X射线光电子能谱仪和摩擦磨损试验仪对沉积在具有不同织构的基底上的ta-C薄膜进行测试, 研究表明, 基底表面纳米织构的非晶层结构引起薄膜内部sp3键的含量降低, 释放了薄膜的内应力, 同时发现基底表面纳米织构将ta-C薄膜磨损时间从不足10 min提高到约70 min, 有效提高了薄膜的耐磨性.
本文利用离子束表面改性技术对基底表面进行不同时间的轰击, 形成不同规则的纳米织构, 对不同织构的变化规律进行了研究, 同时, 利用磁过滤真空阴极电弧技术, 在具有不同纳米织构的各基底上沉积相同时间的四面体非晶碳薄膜. 采用原子力显微镜对各基底的织构进行形貌分析, 结果表明, 高能粒子束的轰击对基底表面形貌有较大的影响, 根据离子束轰击时间的不同, 可以在基底表面形成各种不同规则的纳米织构, 轰击15 min后发现基底表面形成点阵纳米织构, 之后随着时间的增加, 基本维持点阵结构. 通过X射线光电子能谱仪和摩擦磨损试验仪对沉积在具有不同织构的基底上的ta-C薄膜进行测试, 研究表明, 基底表面纳米织构的非晶层结构引起薄膜内部sp3键的含量降低, 释放了薄膜的内应力, 同时发现基底表面纳米织构将ta-C薄膜磨损时间从不足10 min提高到约70 min, 有效提高了薄膜的耐磨性.
2015, 64(3): 037501.
doi: 10.7498/aps.64.037501
摘要:
尖晶石型铁氧体是十分重要的磁性材料之一, 具有独特的物理性质、化学特性、磁学特性和电子特性. 其中尖晶石型钴铁氧体具有较好的电磁性质而被广泛应用. 本文基于密度泛函理论(DFT) 的第一性原理平面波赝势法, 结合广义梯度近似(GGA+U), 研究了CoRE0.125Fe1.875O4 (RE = Nd, Eu, Gd)体系的电子结构和磁性能. 结果表明随着稀土元素从Nd到Gd掺杂体系晶胞的晶格常数呈递减趋势. 磁性能依赖于稀土离子(RE3+)4f轨道未配对的电子数, 掺杂Eu和Gd能够提高钴铁氧体体系的磁矩, 主要因为它们3+价态离子具有较多未配对的4f电子, 因而对磁性能的影响较大. 然而Nd 的掺杂对体系磁性能的影响很小, 这是由于它的离子半径较大, 导致晶格发生畸变.
尖晶石型铁氧体是十分重要的磁性材料之一, 具有独特的物理性质、化学特性、磁学特性和电子特性. 其中尖晶石型钴铁氧体具有较好的电磁性质而被广泛应用. 本文基于密度泛函理论(DFT) 的第一性原理平面波赝势法, 结合广义梯度近似(GGA+U), 研究了CoRE0.125Fe1.875O4 (RE = Nd, Eu, Gd)体系的电子结构和磁性能. 结果表明随着稀土元素从Nd到Gd掺杂体系晶胞的晶格常数呈递减趋势. 磁性能依赖于稀土离子(RE3+)4f轨道未配对的电子数, 掺杂Eu和Gd能够提高钴铁氧体体系的磁矩, 主要因为它们3+价态离子具有较多未配对的4f电子, 因而对磁性能的影响较大. 然而Nd 的掺杂对体系磁性能的影响很小, 这是由于它的离子半径较大, 导致晶格发生畸变.
2015, 64(3): 037801.
doi: 10.7498/aps.64.037801
摘要:
为了克服共振干涉法在液体的热力学声速和高频声速测量方面精度不高的问题, 本文建立了一种基于自发布里渊散射原理的测定液体声速的实验装置. 利用法布里-珀罗干涉仪对散射光进行扫描滤波, 数据采集卡结合光子计数器对散射光进行探测, 设计了一种散射光信息采集分析方法. 该实验方法有效的解决了传统布里渊散射方法中信号失真的问题, 显著地提升了液体声速测量精度. 对308.6–906.2 MHz内298.15 K饱和液相CCl4声速进行了测量, 测量结果与文献值具有较好一致性. 利用法布里-珀罗干涉仪周期性扫描的滤波原理, 通过在测量得到的布里渊频移上加减整数倍个自由波谱区, 得到了更大频率的波谱信息, 进而设计一种测定介质高频声速的方法. 对CCl4在5406.1–5521.0 MHz频段内的声速进行了测量. 实验结果显示, CCl4的热力学声速随频率无明显变化, 而高频声速随频率的增大呈增大趋势且远大于热力学声速, 证实CCl4具有色散现象.
为了克服共振干涉法在液体的热力学声速和高频声速测量方面精度不高的问题, 本文建立了一种基于自发布里渊散射原理的测定液体声速的实验装置. 利用法布里-珀罗干涉仪对散射光进行扫描滤波, 数据采集卡结合光子计数器对散射光进行探测, 设计了一种散射光信息采集分析方法. 该实验方法有效的解决了传统布里渊散射方法中信号失真的问题, 显著地提升了液体声速测量精度. 对308.6–906.2 MHz内298.15 K饱和液相CCl4声速进行了测量, 测量结果与文献值具有较好一致性. 利用法布里-珀罗干涉仪周期性扫描的滤波原理, 通过在测量得到的布里渊频移上加减整数倍个自由波谱区, 得到了更大频率的波谱信息, 进而设计一种测定介质高频声速的方法. 对CCl4在5406.1–5521.0 MHz频段内的声速进行了测量. 实验结果显示, CCl4的热力学声速随频率无明显变化, 而高频声速随频率的增大呈增大趋势且远大于热力学声速, 证实CCl4具有色散现象.
2015, 64(3): 038101.
doi: 10.7498/aps.64.038101
摘要:
本文设计了一种基于开口谐振环(split ring resonator, SRR)混合排列单元格的小型化双频带超材料(metamaterial, MM). 该MM的单元结构为发卡式SRR, 所设计的双频带MM可以应用于无线局域网(2.4 GHz) 和全球微波互联接入(3.5GHz)系统. 并且, 采用柔性介质作为基板增加了MM的柔韧度和普适性, 实验和测试结果表明: 双频带MM的中心频率可以通过调节SRR的尺寸进行控制. 此外, 本文也对MM在不同入射角的情况进行了分析, 结果表明MM对入射角度不敏感.最后, 通过MM的表面电流分布情况研究, 进一步解释了其双频带谐振频率的产生原理.
本文设计了一种基于开口谐振环(split ring resonator, SRR)混合排列单元格的小型化双频带超材料(metamaterial, MM). 该MM的单元结构为发卡式SRR, 所设计的双频带MM可以应用于无线局域网(2.4 GHz) 和全球微波互联接入(3.5GHz)系统. 并且, 采用柔性介质作为基板增加了MM的柔韧度和普适性, 实验和测试结果表明: 双频带MM的中心频率可以通过调节SRR的尺寸进行控制. 此外, 本文也对MM在不同入射角的情况进行了分析, 结果表明MM对入射角度不敏感.最后, 通过MM的表面电流分布情况研究, 进一步解释了其双频带谐振频率的产生原理.
2015, 64(3): 038102.
doi: 10.7498/aps.64.038102
摘要:
本文提出一种基于微纳结构及金属纳米层的颜色调控方法. 通过理论分析研究, 建立了基于多孔氧化铝(PA) 微纳结构与金属纳米层的颜色调控物理模型. 以此为基础, 在孔深分别为250 nm和410 nm的PA模板表面磁控溅射铝(Al)金属纳米层, 对其反射干涉光谱分析可知, 通过控制PA模板的孔深可实现可见光谱范围内的颜色调控. 此外, 基于掩膜在孔深为410 nm的PA模板表面局域溅射铬(Cr)金属纳米层, 通过对其反射干涉光谱分析并与相同孔深的镀Al金属纳米层的PA颜色进行对比, 可以发现改变金属纳米层的材料和厚度同样可以实现颜色调控, 并通过局域颜色调控制备出彩色图案. 研究结果表明, 基于微纳结构及金属纳米层的颜色调控是一种切实可行和有效的方法.
本文提出一种基于微纳结构及金属纳米层的颜色调控方法. 通过理论分析研究, 建立了基于多孔氧化铝(PA) 微纳结构与金属纳米层的颜色调控物理模型. 以此为基础, 在孔深分别为250 nm和410 nm的PA模板表面磁控溅射铝(Al)金属纳米层, 对其反射干涉光谱分析可知, 通过控制PA模板的孔深可实现可见光谱范围内的颜色调控. 此外, 基于掩膜在孔深为410 nm的PA模板表面局域溅射铬(Cr)金属纳米层, 通过对其反射干涉光谱分析并与相同孔深的镀Al金属纳米层的PA颜色进行对比, 可以发现改变金属纳米层的材料和厚度同样可以实现颜色调控, 并通过局域颜色调控制备出彩色图案. 研究结果表明, 基于微纳结构及金属纳米层的颜色调控是一种切实可行和有效的方法.
2015, 64(3): 038201.
doi: 10.7498/aps.64.038201
摘要:
利用仿真方法从原子尺度研究薄膜生长过程是当前薄膜研究领域的热点. 目前, 仿真方法主要在纳米尺度模型实现, 时空需求很大. 针对这一问题, 本文提出元胞和蒙特卡洛相结合的模拟方法, 实现对微米尺度模型薄膜生长过程的模拟. 利用元胞方法来实现模型表示以及演化计算, 从而降低对内存空间的要求, 提高计算效率, 并使用蒙特卡洛方法计算粒子的扩散概率. 通过对氮化硅薄膜生长过程进行具体研究, 将模拟结果与实际实验结果和分子动力学演化结果进行表面形貌和成分的比较, 验证了该方法的有效性.
利用仿真方法从原子尺度研究薄膜生长过程是当前薄膜研究领域的热点. 目前, 仿真方法主要在纳米尺度模型实现, 时空需求很大. 针对这一问题, 本文提出元胞和蒙特卡洛相结合的模拟方法, 实现对微米尺度模型薄膜生长过程的模拟. 利用元胞方法来实现模型表示以及演化计算, 从而降低对内存空间的要求, 提高计算效率, 并使用蒙特卡洛方法计算粒子的扩散概率. 通过对氮化硅薄膜生长过程进行具体研究, 将模拟结果与实际实验结果和分子动力学演化结果进行表面形貌和成分的比较, 验证了该方法的有效性.
2015, 64(3): 038501.
doi: 10.7498/aps.64.038501
摘要:
应变Ge材料因其载流子迁移率高, 且与硅工艺兼容等优点, 已成为硅基CMOS研究发展的重点和热点. 本文基于压应变Ge/(001)Si1-xGex价带结构模型, 研究了压应变Ge/(001)Si1-xGex空穴各散射概率、空穴迁移率与Ge组分(x)的关系, 包括空穴离化杂质散射概率、声学声子散射、非极性光学声子散射、总散射概率以及空穴各向同性、各向异性迁移率, 获得了有实用价值的相关结论. 本文量化模型可为应力致Ge改性半导体物理的理解及相关器件的研究设计提供有重要的理论参考.
应变Ge材料因其载流子迁移率高, 且与硅工艺兼容等优点, 已成为硅基CMOS研究发展的重点和热点. 本文基于压应变Ge/(001)Si1-xGex价带结构模型, 研究了压应变Ge/(001)Si1-xGex空穴各散射概率、空穴迁移率与Ge组分(x)的关系, 包括空穴离化杂质散射概率、声学声子散射、非极性光学声子散射、总散射概率以及空穴各向同性、各向异性迁移率, 获得了有实用价值的相关结论. 本文量化模型可为应力致Ge改性半导体物理的理解及相关器件的研究设计提供有重要的理论参考.
2015, 64(3): 038801.
doi: 10.7498/aps.64.038801
摘要:
为了探求过渡金属催化剂对催化合成储氢材料NaAlH4效果的影响, 本文采用第一性原理方法研究了多种金属原子取代Al (111)表面铝原子形成的合金表面对氢的催化分解的影响. 计算结果表明, Sc, V, Fe, Ti原子掺杂的表面对氢分子分解具有催化作用. H2在对应的掺杂表面催化分解所需要的活化能分别为0.54 eV, 0.29 eV, 0.51 eV, 0.12 eV. H原子在Sc, V, Ti掺杂表面扩散需要的活化能分别为0.51 eV, 0.66 eV, 0.57 eV. 同时, 过渡金属掺杂在Al表面时倾向于分散分布, 增加掺杂表面的掺杂原子个数, 掺杂表面的催化效果体现为单个掺杂过渡金属原子的催化效果. 本研究将为金属掺杂Al (111)表面催化加氢合成NaAlH4提供理论参考.
为了探求过渡金属催化剂对催化合成储氢材料NaAlH4效果的影响, 本文采用第一性原理方法研究了多种金属原子取代Al (111)表面铝原子形成的合金表面对氢的催化分解的影响. 计算结果表明, Sc, V, Fe, Ti原子掺杂的表面对氢分子分解具有催化作用. H2在对应的掺杂表面催化分解所需要的活化能分别为0.54 eV, 0.29 eV, 0.51 eV, 0.12 eV. H原子在Sc, V, Ti掺杂表面扩散需要的活化能分别为0.51 eV, 0.66 eV, 0.57 eV. 同时, 过渡金属掺杂在Al表面时倾向于分散分布, 增加掺杂表面的掺杂原子个数, 掺杂表面的催化效果体现为单个掺杂过渡金属原子的催化效果. 本研究将为金属掺杂Al (111)表面催化加氢合成NaAlH4提供理论参考.
