2019年 68卷 第1期
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2019, 68(1): 017101.
doi: 10.7498/aps.68.20181211
摘要:
自旋是基本粒子（电子、光子）角动量的内在形式.固体中体现自旋特征的集体电子行为如拓扑绝缘体等是当前凝聚态物理领域关注的焦点，是基态行为.激子作为电子空穴对的激发态且寿命很短，可复合发光，它是否能体现自旋极化主导的行为?对此人们的认识远不如针对基态的电子.激子磁极化子（exciton magnetic polaron，EMP）是由磁性半导体微结构中铁磁自旋耦合态与自由激子相互作用形成的复合元激发，但其研究很有限.本文概述了我们在稀磁半导体微纳米结构中的EMP及其发光动态学光谱、自旋极化激子凝聚态的形成方面取得的一些进展，展望了未来可能在自旋光电子器件、磁控激光、光致磁性等量子技术方面的潜在应用.
自旋是基本粒子（电子、光子）角动量的内在形式.固体中体现自旋特征的集体电子行为如拓扑绝缘体等是当前凝聚态物理领域关注的焦点，是基态行为.激子作为电子空穴对的激发态且寿命很短，可复合发光，它是否能体现自旋极化主导的行为?对此人们的认识远不如针对基态的电子.激子磁极化子（exciton magnetic polaron，EMP）是由磁性半导体微结构中铁磁自旋耦合态与自由激子相互作用形成的复合元激发，但其研究很有限.本文概述了我们在稀磁半导体微纳米结构中的EMP及其发光动态学光谱、自旋极化激子凝聚态的形成方面取得的一些进展，展望了未来可能在自旋光电子器件、磁控激光、光致磁性等量子技术方面的潜在应用.
2019, 68(1): 018202.
doi: 10.7498/aps.68.20181312
摘要:
利用阳光直接将水分解为不含碳的氢气燃料和氧气是面向全球能源危机环保且低成本的解决方案.得益于电子结构理论和量子模拟方法的进步，人们已经能够直接研究在纳米颗粒上等离激元诱导光解水过程在原子尺度上的反应机理和超快动力学.本文简述近年来的相关工作进展.吸附在氧化物薄膜上的金纳米颗粒很有希望成为水分解的高效新型光催化剂.在光激发条件下，水分解反应速率和光强、热电子转移之间有强相关性.水分解速率不仅取决于光吸收强度，还受到等离激元量子振动模式的调控.这对于太阳能光解水器件中纳米颗粒的设计有借鉴意义.我们发现液态水在金团簇等离激元催化下100 fs内就能产生氢气.超快量子动力学模拟表明，该过程中场增强起主导作用，从金属到水反键态的超快电荷转移也扮演着重要角色.综合这些原子尺度上的量子动力学研究，我们提出受激水分子中氢原子高速碰撞（速度远远超出其热速度）合成氢分子的“链式反应”机理.
利用阳光直接将水分解为不含碳的氢气燃料和氧气是面向全球能源危机环保且低成本的解决方案.得益于电子结构理论和量子模拟方法的进步，人们已经能够直接研究在纳米颗粒上等离激元诱导光解水过程在原子尺度上的反应机理和超快动力学.本文简述近年来的相关工作进展.吸附在氧化物薄膜上的金纳米颗粒很有希望成为水分解的高效新型光催化剂.在光激发条件下，水分解反应速率和光强、热电子转移之间有强相关性.水分解速率不仅取决于光吸收强度，还受到等离激元量子振动模式的调控.这对于太阳能光解水器件中纳米颗粒的设计有借鉴意义.我们发现液态水在金团簇等离激元催化下100 fs内就能产生氢气.超快量子动力学模拟表明，该过程中场增强起主导作用，从金属到水反键态的超快电荷转移也扮演着重要角色.综合这些原子尺度上的量子动力学研究，我们提出受激水分子中氢原子高速碰撞（速度远远超出其热速度）合成氢分子的“链式反应”机理.
2019, 68(1): 016803.
doi: 10.7498/aps.68.20182180
摘要:
水的催化反应在界面进行，对新能源开发和环境保护等领域具有至关重要的作用.理解催化反应中材料界面水分子的结构、物性和分子机制，对于解决清洁能源、污水处理等关系国计民生的重大问题具有关键意义.由于水的复杂性，对于水分子在催化反应中的作用至今仍存在很大争议.界面水分子在催化反应中作为反应物、催化剂、溶剂，或是兼而有之，一直是科学界争论的热点话题.近年来，随着原位实验技术和计算机能力的快速提高，人们已经能够在原子尺度对催化反应中的界面水分子行为进行实时观测和理论模拟，为解析水在催化反应中的作用提供了实验依据和理论基础.本文简述当前催化反应中界面水研究面临的巨大机遇和挑战，以及现有实验和理论方法的最新进展和所遇到的困难，为设计优化与水应用相关的高效催化剂提供可行的思路.
水的催化反应在界面进行，对新能源开发和环境保护等领域具有至关重要的作用.理解催化反应中材料界面水分子的结构、物性和分子机制，对于解决清洁能源、污水处理等关系国计民生的重大问题具有关键意义.由于水的复杂性，对于水分子在催化反应中的作用至今仍存在很大争议.界面水分子在催化反应中作为反应物、催化剂、溶剂，或是兼而有之，一直是科学界争论的热点话题.近年来，随着原位实验技术和计算机能力的快速提高，人们已经能够在原子尺度对催化反应中的界面水分子行为进行实时观测和理论模拟，为解析水在催化反应中的作用提供了实验依据和理论基础.本文简述当前催化反应中界面水研究面临的巨大机遇和挑战，以及现有实验和理论方法的最新进展和所遇到的困难，为设计优化与水应用相关的高效催化剂提供可行的思路.
2019, 68(1): 015101.
doi: 10.7498/aps.68.20181742
摘要:
水溶液中溶质的结合水具有不同于远离溶质的自由水的结构和性质.结合水的存在对水和溶质结构和动力学性质均具有显著甚至决定性的影响.然而，对结合水动力学和热力学性质的定量理解在诸多方面一直存在争议甚至严重分歧，其中重点包括如何定义和量化结合水，如何表征结合水和自由水的动力学差别，结合水如何参与生物大分子各种生物功能过程，以及溶质或界面影响结合水结构与性质的途径等.给出结合水定义的物理学依据和量化方法，是深入理解上述问题的第一步.本文简述了各种不同谱学方法定义结合水的基本原理及量化的困难，强调具有不同时间和空间响应尺度的测试方法所得结合水数不必完全可比.此外，系列水溶液物性随浓度升高会明显改变其浓度依赖关系，相应拐点浓度常被用于量化稀溶液中的溶质结合水数.我们近期研究的水溶液玻璃化转变温度-浓度关系，为结合水的定义、量化和水溶液的三区划分提供了物理依据，同时揭示了上述利用性质-浓度关系拐点浓度量化结合水方法的不足.
水溶液中溶质的结合水具有不同于远离溶质的自由水的结构和性质.结合水的存在对水和溶质结构和动力学性质均具有显著甚至决定性的影响.然而，对结合水动力学和热力学性质的定量理解在诸多方面一直存在争议甚至严重分歧，其中重点包括如何定义和量化结合水，如何表征结合水和自由水的动力学差别，结合水如何参与生物大分子各种生物功能过程，以及溶质或界面影响结合水结构与性质的途径等.给出结合水定义的物理学依据和量化方法，是深入理解上述问题的第一步.本文简述了各种不同谱学方法定义结合水的基本原理及量化的困难，强调具有不同时间和空间响应尺度的测试方法所得结合水数不必完全可比.此外，系列水溶液物性随浓度升高会明显改变其浓度依赖关系，相应拐点浓度常被用于量化稀溶液中的溶质结合水数.我们近期研究的水溶液玻璃化转变温度-浓度关系，为结合水的定义、量化和水溶液的三区划分提供了物理依据，同时揭示了上述利用性质-浓度关系拐点浓度量化结合水方法的不足.
2019, 68(1): 018801.
doi: 10.7498/aps.68.20182131
摘要:
低维限域结构中水与物质的输运研究，对于解决界面化学和流体力学中的遗留问题十分关键.近年来，研究人员采用分子动力学模拟和实验手段研究低维限域结构中水与物质的输运，并将其应用于物质输运、纳米限域化学反应、纳米材料制备等领域.本文从理论和实验的角度总结一维和二维纳米通道的水与物质输运，介绍了本研究组提出的“量子限域超流体”概念，并用于解释纳米通道中超快物质的输运现象；在此基础上概述了一维纳米通道中的分子动力学模拟和水浸润性，以及外部环境（如温度和电压）对限域结构中水浸润性的调控，同时阐述了低维限域结构中的液体输运；对二维纳米通道中的分子动力学模拟、液体浸润性以及液体输运进行了综述；讨论了纳米通道限域结构在物质输运、纳米限域化学反应和纳米材料制备等领域的应用；对低维限域结构中水与物质输运面临的挑战和前景进行了展望.
低维限域结构中水与物质的输运研究，对于解决界面化学和流体力学中的遗留问题十分关键.近年来，研究人员采用分子动力学模拟和实验手段研究低维限域结构中水与物质的输运，并将其应用于物质输运、纳米限域化学反应、纳米材料制备等领域.本文从理论和实验的角度总结一维和二维纳米通道的水与物质输运，介绍了本研究组提出的“量子限域超流体”概念，并用于解释纳米通道中超快物质的输运现象；在此基础上概述了一维纳米通道中的分子动力学模拟和水浸润性，以及外部环境（如温度和电压）对限域结构中水浸润性的调控，同时阐述了低维限域结构中的液体输运；对二维纳米通道中的分子动力学模拟、液体浸润性以及液体输运进行了综述；讨论了纳米通道限域结构在物质输运、纳米限域化学反应和纳米材料制备等领域的应用；对低维限域结构中水与物质输运面临的挑战和前景进行了展望.
2019, 68(1): 013101.
doi: 10.7498/aps.68.20181273
摘要:
生物结合水在维护生物大分子的结构、稳定性以及调控动力学性质和生理功能等方面起着决定性的作用.从分子水平上理解生物结合水分子的结构与性质及其影响生物结构和功能的本质与规律，是揭示生物大分子生理功能机理的关键.目前生物结合水的结构与动力学相关研究尚处于初步阶段.本文从三个方面介绍当前生物结合水的相关研究及其进展：首先介绍结合水对蛋白质折叠、质子给予与迁移、配体结合与药物设计以及变构效应等生物结构和功能的影响；然后介绍生物分子周围的水分子结构研究情况；最后从时间尺度、动力学属性、生物分子与水分子之间的动力学耦合作用、蛋白质表面结合水次扩散运动等角度介绍生物分子水合动力学的研究进展，并归纳出一些目前尚待进一步解决的科学问题.
生物结合水在维护生物大分子的结构、稳定性以及调控动力学性质和生理功能等方面起着决定性的作用.从分子水平上理解生物结合水分子的结构与性质及其影响生物结构和功能的本质与规律，是揭示生物大分子生理功能机理的关键.目前生物结合水的结构与动力学相关研究尚处于初步阶段.本文从三个方面介绍当前生物结合水的相关研究及其进展：首先介绍结合水对蛋白质折叠、质子给予与迁移、配体结合与药物设计以及变构效应等生物结构和功能的影响；然后介绍生物分子周围的水分子结构研究情况；最后从时间尺度、动力学属性、生物分子与水分子之间的动力学耦合作用、蛋白质表面结合水次扩散运动等角度介绍生物分子水合动力学的研究进展，并归纳出一些目前尚待进一步解决的科学问题.
2019, 68(1): 019201.
doi: 10.7498/aps.68.20181357
摘要:
土壤是粮食安全、水安全和更广泛的生态系统安全的基础.我国水资源贫乏，且分布不均.传统农业采用的大水漫灌方式用水量大，还会破坏土壤团粒结构，造成土壤板结、土地盐碱化等土壤退化现象.地下滴灌技术节水效果明显，水的有效利用率超过95%；但也会在一定程度上破坏土壤结构.研究表明，使用加气水滴灌不但能增加作物产量，还能提高作物品质.本文综述了滴头埋深、加气滴灌频率、灌水量、植物生育期、加气方式与设备等几个因素对加气水滴灌效果的影响，总结了加气水滴灌对土壤水环境、气环境、微生物环境、营养环境和矿物环境的影响规律，并提出加气水滴灌对土壤环境的调节机理.加气水滴灌会改变土壤结构，其水、气、微生物、营养和矿物质等土壤环境的变化一方面是土壤结构变化的结果，另一方面又会促进土壤结构的变化.同步辐射X射线计算机断层扫描的原位实验结果也证实了加气水滴灌能改变土壤的结构.
土壤是粮食安全、水安全和更广泛的生态系统安全的基础.我国水资源贫乏，且分布不均.传统农业采用的大水漫灌方式用水量大，还会破坏土壤团粒结构，造成土壤板结、土地盐碱化等土壤退化现象.地下滴灌技术节水效果明显，水的有效利用率超过95%；但也会在一定程度上破坏土壤结构.研究表明，使用加气水滴灌不但能增加作物产量，还能提高作物品质.本文综述了滴头埋深、加气滴灌频率、灌水量、植物生育期、加气方式与设备等几个因素对加气水滴灌效果的影响，总结了加气水滴灌对土壤水环境、气环境、微生物环境、营养环境和矿物环境的影响规律，并提出加气水滴灌对土壤环境的调节机理.加气水滴灌会改变土壤结构，其水、气、微生物、营养和矿物质等土壤环境的变化一方面是土壤结构变化的结果，另一方面又会促进土壤结构的变化.同步辐射X射线计算机断层扫描的原位实验结果也证实了加气水滴灌能改变土壤的结构.
2019, 68(1): 018203.
doi: 10.7498/aps.68.20181639
摘要:
天然气水合物是与能源和环境相关的物质，可以进行甲烷等能源气体的存储和提取，也可以用于对二氧化碳等废气的封存.天然气水合物主要分为三种结构：sI，sⅡ和sH，在本文中对其稳定性、水笼类型和大小以及可俘获气体进行了论述.中子衍射技术是研究水合物的重要手段之一，有着独特的优势.如中子的穿透性可以研究在高压状态下压力腔体内的大块样品；中子对于轻元素的敏感性可以很好地确定水合物当中的碳、氢、氧元素.通过中子衍射和非弹散射可以得到水合物中H/D原子的位置、各向异性振动因子、不同温度压力下的客体分子的水笼占据率、客体分子在水笼中的无序分布、原子核密度分布（通过最大熵方法）；通过时间分辨中子，可以检测水合物形成及分解过程的热力学和动力学过程.而利用非弹中子可以得到气体分子平移和旋转振动模式以及分子的量子态转变.通过二氧化碳气体注入对天然气水合物的开采可以实现能源气体甲烷的开采和废气二氧化碳的水合物封存，在减小地质灾害和开采成本上有着独特的优势.
天然气水合物是与能源和环境相关的物质，可以进行甲烷等能源气体的存储和提取，也可以用于对二氧化碳等废气的封存.天然气水合物主要分为三种结构：sI，sⅡ和sH，在本文中对其稳定性、水笼类型和大小以及可俘获气体进行了论述.中子衍射技术是研究水合物的重要手段之一，有着独特的优势.如中子的穿透性可以研究在高压状态下压力腔体内的大块样品；中子对于轻元素的敏感性可以很好地确定水合物当中的碳、氢、氧元素.通过中子衍射和非弹散射可以得到水合物中H/D原子的位置、各向异性振动因子、不同温度压力下的客体分子的水笼占据率、客体分子在水笼中的无序分布、原子核密度分布（通过最大熵方法）；通过时间分辨中子，可以检测水合物形成及分解过程的热力学和动力学过程.而利用非弹中子可以得到气体分子平移和旋转振动模式以及分子的量子态转变.通过二氧化碳气体注入对天然气水合物的开采可以实现能源气体甲烷的开采和废气二氧化碳的水合物封存，在减小地质灾害和开采成本上有着独特的优势.
2019, 68(1): 016802.
doi: 10.7498/aps.68.20182201
摘要:
表面和界面水在自然界、人们的日常生活以及现代科技中无处不在.它在物理、化学、环境学、材料学、生物学、地质学等诸多基础学科和应用领域起到至关重要的作用.因此，表面和界面水的功能与特性的研究，是水基础科学的一项核心任务.然而，由于水分子之间氢键相互作用的复杂性，及其与水-固界面相互作用的竞争，使得表（界）面水对于局域环境的影响非常敏感，往往需要深入到分子层次研究其微观结构和动力学过程.近年来，新型扫描探针技术的发展使得人们可以在单分子甚至亚分子尺度上对表（界）面水展开细致的实空间研究.本文着重介绍几种代表性的扫描探针技术及其在表（界）面水体系中的应用，包括：超高真空扫描隧道显微术、单分子振动谱技术、电化学扫描隧道显微术和非接触式原子力显微术.此外，本文还将对表（界）面水扫描探针技术研究面临的挑战和未来发展方向进行了展望.
表面和界面水在自然界、人们的日常生活以及现代科技中无处不在.它在物理、化学、环境学、材料学、生物学、地质学等诸多基础学科和应用领域起到至关重要的作用.因此，表面和界面水的功能与特性的研究，是水基础科学的一项核心任务.然而，由于水分子之间氢键相互作用的复杂性，及其与水-固界面相互作用的竞争，使得表（界）面水对于局域环境的影响非常敏感，往往需要深入到分子层次研究其微观结构和动力学过程.近年来，新型扫描探针技术的发展使得人们可以在单分子甚至亚分子尺度上对表（界）面水展开细致的实空间研究.本文着重介绍几种代表性的扫描探针技术及其在表（界）面水体系中的应用，包括：超高真空扫描隧道显微术、单分子振动谱技术、电化学扫描隧道显微术和非接触式原子力显微术.此外，本文还将对表（界）面水扫描探针技术研究面临的挑战和未来发展方向进行了展望.
2019, 68(1): 018101.
doi: 10.7498/aps.68.20181645
摘要:
悬浮液凝固是将固体颗粒均匀分散于液体中，并对液体进行凝固.它涉及冷冻铸造法多孔材料制备、冻土冻胀、海上浮冰、生物组织冷藏等多个学科和领域.近年来通过悬浮液凝固的方法，人们相继开发出了众多性能优异的新材料，这更为悬浮液凝固的研究注入了新的活力.悬浮液凝固过程中存在众多不同于传统合金凝固的独特现象，如颗粒密堆层、层片晶组织、周期性冰透镜体组织等，但这些凝固微观组织的形成机理尚不清楚.揭示颗粒对悬浮液凝固界面形态演化的影响机理，建立悬浮液体系的凝固理论，不仅帮助人们理解冻土冻胀等自然现象，也为高性能材料的制备与开发提供理论依据.本文首先回顾了悬浮液凝固的研究历史，然后对当前悬浮液凝固微观组织及颗粒动态堆积等方面的研究进展进行述评，并简要介绍本课题组近年来在悬浮液凝固方面的工作进展，最后对悬浮液凝固研究的未来发展进行了展望.
悬浮液凝固是将固体颗粒均匀分散于液体中，并对液体进行凝固.它涉及冷冻铸造法多孔材料制备、冻土冻胀、海上浮冰、生物组织冷藏等多个学科和领域.近年来通过悬浮液凝固的方法，人们相继开发出了众多性能优异的新材料，这更为悬浮液凝固的研究注入了新的活力.悬浮液凝固过程中存在众多不同于传统合金凝固的独特现象，如颗粒密堆层、层片晶组织、周期性冰透镜体组织等，但这些凝固微观组织的形成机理尚不清楚.揭示颗粒对悬浮液凝固界面形态演化的影响机理，建立悬浮液体系的凝固理论，不仅帮助人们理解冻土冻胀等自然现象，也为高性能材料的制备与开发提供理论依据.本文首先回顾了悬浮液凝固的研究历史，然后对当前悬浮液凝固微观组织及颗粒动态堆积等方面的研究进展进行述评，并简要介绍本课题组近年来在悬浮液凝固方面的工作进展，最后对悬浮液凝固研究的未来发展进行了展望.
2019, 68(1): 010301.
doi: 10.7498/aps.68.20181634
摘要:
尽管几何动量最初的引入是为了描述超面上的运动粒子的动量，却不需要限制在真实的曲面上.如果一个曲线坐标系包含了超面族和超面上的法向矢量作为一个坐标轴的单位矢量，几何动量可以定义在超面族上，并参与构造对易力学量完全集.在三维各向同性谐振子中，采用球坐标描述，存在等效球面，并在球面族上建立对易力学量完全集.因此，三维各向同性谐振子同时具有动量和几何动量分布.这两个动量的差，可以定义为径向动量，从而使得径向动量可以测量.那么，通过几何动量，可以显示出狄拉克引进的径向动量的物理意义，而不是一直认为的那样完全不具有观测意义.
尽管几何动量最初的引入是为了描述超面上的运动粒子的动量，却不需要限制在真实的曲面上.如果一个曲线坐标系包含了超面族和超面上的法向矢量作为一个坐标轴的单位矢量，几何动量可以定义在超面族上，并参与构造对易力学量完全集.在三维各向同性谐振子中，采用球坐标描述，存在等效球面，并在球面族上建立对易力学量完全集.因此，三维各向同性谐振子同时具有动量和几何动量分布.这两个动量的差，可以定义为径向动量，从而使得径向动量可以测量.那么，通过几何动量，可以显示出狄拉克引进的径向动量的物理意义，而不是一直认为的那样完全不具有观测意义.
2019, 68(1): 010501.
doi: 10.7498/aps.68.20181714
摘要:
运用弹性力学有限变形基本理论推导出了压电材料双曲壳在外激力和温度场作用下的非线性振动方程和协调方程.通过Bubnov-Galerkin原理，得到该结构的非线性动力学方程.利用Melnikov方法，得到系统产生Smale马蹄变换意义下混沌的条件，用四阶Runge-Kutta法编写程序对系统进行数值求解，并绘制出相应的分岔图、Lyapunov指数图、相轨迹图以及Poincaré截面图，分析了温度场对压电材料双曲壳系统的非线性特性的影响.仿真结果表明，随着温度的升高，系统的混沌与周期区交替出现，温度场的改变可影响和控制系统的振动特性.
运用弹性力学有限变形基本理论推导出了压电材料双曲壳在外激力和温度场作用下的非线性振动方程和协调方程.通过Bubnov-Galerkin原理，得到该结构的非线性动力学方程.利用Melnikov方法，得到系统产生Smale马蹄变换意义下混沌的条件，用四阶Runge-Kutta法编写程序对系统进行数值求解，并绘制出相应的分岔图、Lyapunov指数图、相轨迹图以及Poincaré截面图，分析了温度场对压电材料双曲壳系统的非线性特性的影响.仿真结果表明，随着温度的升高，系统的混沌与周期区交替出现，温度场的改变可影响和控制系统的振动特性.
2019, 68(1): 014301.
doi: 10.7498/aps.68.20181761
摘要:
在深海声道条件下，海水折射效应会使得声场出现会聚效应；在不完全声道条件下，深海海底对声场具有重要影响.利用在中国南海海域收集到的一次深海声传播实验数据，研究了深海不完全声道环境下的海底反射对声传播的影响.实验观测到不同于深海会聚区的海底反射会聚现象，在直达声区范围内的海底地形隆起可导致海底反射会聚区提前形成，并使得部分影区的声强明显提高.由于不平坦海底和海面的反射破坏了完全声道环境下的会聚区结构，在60 km范围内存在两个海底反射会聚区，会聚区增益可达10 dB以上，同时在11 km附近的影区和51 km附近形成高声强区域.当接收深度与声源深度相同时，第二会聚区的增益高于第一会聚区.在第一会聚区内，随着接收深度的增加，声线到达结构趋于复杂，多途效应更加明显.使用抛物方程数值分析结合射线理论对深海海底反射会聚区现象产生的物理原因进行了分析解释.研究结果对于声纳在深海复杂环境下的性能分析具有重要的指导意义.
在深海声道条件下，海水折射效应会使得声场出现会聚效应；在不完全声道条件下，深海海底对声场具有重要影响.利用在中国南海海域收集到的一次深海声传播实验数据，研究了深海不完全声道环境下的海底反射对声传播的影响.实验观测到不同于深海会聚区的海底反射会聚现象，在直达声区范围内的海底地形隆起可导致海底反射会聚区提前形成，并使得部分影区的声强明显提高.由于不平坦海底和海面的反射破坏了完全声道环境下的会聚区结构，在60 km范围内存在两个海底反射会聚区，会聚区增益可达10 dB以上，同时在11 km附近的影区和51 km附近形成高声强区域.当接收深度与声源深度相同时，第二会聚区的增益高于第一会聚区.在第一会聚区内，随着接收深度的增加，声线到达结构趋于复杂，多途效应更加明显.使用抛物方程数值分析结合射线理论对深海海底反射会聚区现象产生的物理原因进行了分析解释.研究结果对于声纳在深海复杂环境下的性能分析具有重要的指导意义.
2019, 68(1): 015201.
doi: 10.7498/aps.68.20181796
摘要:
光子与相对论麦克斯韦分布电子散射的描述及能谱角度谱计算非常复杂且费时.本文提出了一种光子与相对论麦克斯韦速度分布电子散射的蒙特卡罗（MC）模拟方法，该方法能够细致模拟高温等离子体中任意能量光子与任意温度电子的Compton和逆Compton散射问题.对于散射后光子的能谱和角度谱参数，可以根据电子温度抽样若干不同状态的电子，分别模拟其与光子发生散射，可以得到各次散射后的光子能量和偏转角度，取统计平均后的结果即可获得该光子与该温度电子散射的能谱和角度谱分布.根据该方法编写了光子与相对论电子散射MC模拟程序，开展了高温全电离等离子体中光子与相对论电子散射的能谱角度谱计算和分析，分析结果显示：热运动电子将展宽出射光子能谱，且低能光子与高温电子散射后的蓝移现象明显；出射光子的角度谱很复杂，其决定于入射光子能量、出射光子能量及电子温度.基于该方法计算并以数表形式给出的光子-相对论电子散射能谱角度谱数据，可以供辐射输运数值模拟程序使用.
光子与相对论麦克斯韦分布电子散射的描述及能谱角度谱计算非常复杂且费时.本文提出了一种光子与相对论麦克斯韦速度分布电子散射的蒙特卡罗（MC）模拟方法，该方法能够细致模拟高温等离子体中任意能量光子与任意温度电子的Compton和逆Compton散射问题.对于散射后光子的能谱和角度谱参数，可以根据电子温度抽样若干不同状态的电子，分别模拟其与光子发生散射，可以得到各次散射后的光子能量和偏转角度，取统计平均后的结果即可获得该光子与该温度电子散射的能谱和角度谱分布.根据该方法编写了光子与相对论电子散射MC模拟程序，开展了高温全电离等离子体中光子与相对论电子散射的能谱角度谱计算和分析，分析结果显示：热运动电子将展宽出射光子能谱，且低能光子与高温电子散射后的蓝移现象明显；出射光子的角度谱很复杂，其决定于入射光子能量、出射光子能量及电子温度.基于该方法计算并以数表形式给出的光子-相对论电子散射能谱角度谱数据，可以供辐射输运数值模拟程序使用.
2019, 68(1): 016101.
doi: 10.7498/aps.68.20181498
摘要:
铜合金以低电阻率为特征，由于电阻率与强度存在着共同的微观结构机理，两者往往协同变化，而导致难以对合金进行性能的全面评估和选材.本文以Cu-Ni-Mo合金作为研究对象，以团簇结构[Mo1-Ni12]构建固溶体的近程序结构模型，解析了电阻率和强度依赖于成分的定量变化规律，并定义了拉伸强度/电阻率的值为代表合金本质特性的“强阻比”，得到了完全固溶态Cu-Ni-Mo合金的强阻比为7×108 MPa/Ω·m，完全析出态的强阻比为（310–490）×108 MPa/Ω·m.进而应用强阻比对常用铜合金进行了性能分区，给出铜合金材料选材的依据，得出了基于Cu-（Cr，Zr，Mg，Ag，Cd）等二元基础体系的铜合金适用于高强高导应用，而基于Cu-（Be，Ni，Sn，Fe，Zn，Ti，Al）等为基础二元体系的铜合金不能实现高强高导.该强阻比为310的特征性能分界线的发现为合金性能的全面评估提供了量化依据，可指导高强高导铜合金的选材和研发.
铜合金以低电阻率为特征，由于电阻率与强度存在着共同的微观结构机理，两者往往协同变化，而导致难以对合金进行性能的全面评估和选材.本文以Cu-Ni-Mo合金作为研究对象，以团簇结构[Mo1-Ni12]构建固溶体的近程序结构模型，解析了电阻率和强度依赖于成分的定量变化规律，并定义了拉伸强度/电阻率的值为代表合金本质特性的“强阻比”，得到了完全固溶态Cu-Ni-Mo合金的强阻比为7×108 MPa/Ω·m，完全析出态的强阻比为（310–490）×108 MPa/Ω·m.进而应用强阻比对常用铜合金进行了性能分区，给出铜合金材料选材的依据，得出了基于Cu-（Cr，Zr，Mg，Ag，Cd）等二元基础体系的铜合金适用于高强高导应用，而基于Cu-（Be，Ni，Sn，Fe，Zn，Ti，Al）等为基础二元体系的铜合金不能实现高强高导.该强阻比为310的特征性能分界线的发现为合金性能的全面评估提供了量化依据，可指导高强高导铜合金的选材和研发.
2019, 68(1): 016801.
doi: 10.7498/aps.68.20181905
摘要:
基于纳米摩擦能耗理论，利用分子动力学方法建立了公度接触下支撑刚度梯度变化的石墨烯层间摩擦力模型，分析了基底质心刚度和支撑刚度梯度变化对基底和薄片各接触区摩擦能耗的贡献.结果表明：软边界区始终贡献驱动力；硬边界区贡献的摩擦力最大，且随着支撑刚度的增大，硬边界区对总摩擦的贡献比也越高.各接触区的摩擦力是薄片和基底之间的褶皱势和接触区产生的法向变形差两部分的共同作用.前者是公度接触下阻碍滑移的界面势垒和刚度梯度方向上不同刚度支撑原子热振动引起的势梯度；后者是接触边界过渡区两侧原子的非对称变形和自由度约束突变引起的非平衡边界势垒相耦合的结果.本文对研究公度接触下刚度梯度支撑的纳米器件的相对运动规律有指导意义.
基于纳米摩擦能耗理论，利用分子动力学方法建立了公度接触下支撑刚度梯度变化的石墨烯层间摩擦力模型，分析了基底质心刚度和支撑刚度梯度变化对基底和薄片各接触区摩擦能耗的贡献.结果表明：软边界区始终贡献驱动力；硬边界区贡献的摩擦力最大，且随着支撑刚度的增大，硬边界区对总摩擦的贡献比也越高.各接触区的摩擦力是薄片和基底之间的褶皱势和接触区产生的法向变形差两部分的共同作用.前者是公度接触下阻碍滑移的界面势垒和刚度梯度方向上不同刚度支撑原子热振动引起的势梯度；后者是接触边界过渡区两侧原子的非对称变形和自由度约束突变引起的非平衡边界势垒相耦合的结果.本文对研究公度接触下刚度梯度支撑的纳米器件的相对运动规律有指导意义.
2019, 68(1): 017201.
doi: 10.7498/aps.68.20181769
摘要:
单层过渡金属硫化物由于其特有的激子效应以及强自旋-谷耦合性质，在光电子学及谷电子学等方面有着很广阔的应用前景.利用超快时间分辨光谱，本文系统地比较了两类钨基单层硫化物（WS2和WSe2）的A-激子动力学和谷自旋弛豫特性.实验结果表明，WS2单层膜的A-激子弛豫表现为双指数过程，而对于WSe2，其A-激子衰减表现为三指数过程，且激子的寿命远长于前者.WS2谷自旋极化弛豫表现为单指数衰减，其寿命约0.35 ps，主要由电子-空穴交换作用所主导.而对于WSe2，谷自旋弛豫表现出双指数弛豫特性：一个寿命为0.5 ps的快过程和一个寿命为28 ps的慢过程.快过程的弛豫来源于电子-空穴交换作用，而慢过程则由于自旋晶格散射形成暗激子的过程.通过调谐抽运光波长，进一步证实WSe2较WS2更容易形成暗激子.
单层过渡金属硫化物由于其特有的激子效应以及强自旋-谷耦合性质，在光电子学及谷电子学等方面有着很广阔的应用前景.利用超快时间分辨光谱，本文系统地比较了两类钨基单层硫化物（WS2和WSe2）的A-激子动力学和谷自旋弛豫特性.实验结果表明，WS2单层膜的A-激子弛豫表现为双指数过程，而对于WSe2，其A-激子衰减表现为三指数过程，且激子的寿命远长于前者.WS2谷自旋极化弛豫表现为单指数衰减，其寿命约0.35 ps，主要由电子-空穴交换作用所主导.而对于WSe2，谷自旋弛豫表现出双指数弛豫特性：一个寿命为0.5 ps的快过程和一个寿命为28 ps的慢过程.快过程的弛豫来源于电子-空穴交换作用，而慢过程则由于自旋晶格散射形成暗激子的过程.通过调谐抽运光波长，进一步证实WSe2较WS2更容易形成暗激子.
2019, 68(1): 017202.
doi: 10.7498/aps.68.20181803
摘要:
本文采用非掺杂超薄发光层及双极性混合间隔层结构，获得了高效、光谱稳定的白光有机发光器件.基于单载流子器件及单色蓝光有机发光器件的研究，确定了双极性混合间隔层的最佳比例；通过瞬态光致发光寿命研究，验证了不同发光材料之间的能量传递过程；得到的三波段和四波段白光有机发光器件的最高效率分别为52 cd/A（53.5 lm/W）和13.8 cd/A（13.6 lm/W），最高外量子效率分别为17.1%和11.2%.由于发光层不同颜色之间依次的能量传递结构，三波段白光有机发光器件的亮度从465到15950 cd/m2时，色度坐标的变化Δ CIE仅为（0.005，0.001）；四波段白光有机发光器件的亮度从5077到14390 cd/m2时，色度坐标的变化Δ CIE为（0.023，0.012）.
本文采用非掺杂超薄发光层及双极性混合间隔层结构，获得了高效、光谱稳定的白光有机发光器件.基于单载流子器件及单色蓝光有机发光器件的研究，确定了双极性混合间隔层的最佳比例；通过瞬态光致发光寿命研究，验证了不同发光材料之间的能量传递过程；得到的三波段和四波段白光有机发光器件的最高效率分别为52 cd/A（53.5 lm/W）和13.8 cd/A（13.6 lm/W），最高外量子效率分别为17.1%和11.2%.由于发光层不同颜色之间依次的能量传递结构，三波段白光有机发光器件的亮度从465到15950 cd/m2时，色度坐标的变化Δ CIE仅为（0.005，0.001）；四波段白光有机发光器件的亮度从5077到14390 cd/m2时，色度坐标的变化Δ CIE为（0.023，0.012）.
2019, 68(1): 017301.
doi: 10.7498/aps.68.20181663
摘要:
InAlN/AlN/GaN异质结中，名义上的AlN插入层实为Ga含量很高的AlGaN层，Al，Ga摩尔百分比决定了电子波函数与隧穿几率，因此影响与InAlN/AlGaN势垒层有关的散射机制.本文通过求解薛定谔-泊松方程与输运方程，研究了AlGaN层Al摩尔百分含量对InAlN组分不均匀导致的子带能级波动散射、导带波动散射以及合金无序散射三种散射机制的影响.结果显示：当Al含量由0增大到1，子带能级波动散射强度与合金无序散射强度先增大后减小，导带波动散射强度单调减小；在Al含量为0.1附近的小组分范围内，合金无序散射是限制迁移率的主要散射机制，该组分范围之外，子带能级波动散射是限制迁移率的主要散射机制；当Al摩尔百分含量超过0.52，三种散射机制共同限制的迁移率超过无插入层结构的迁移率，AlGaN层显示出对迁移率的提升作用.
InAlN/AlN/GaN异质结中，名义上的AlN插入层实为Ga含量很高的AlGaN层，Al，Ga摩尔百分比决定了电子波函数与隧穿几率，因此影响与InAlN/AlGaN势垒层有关的散射机制.本文通过求解薛定谔-泊松方程与输运方程，研究了AlGaN层Al摩尔百分含量对InAlN组分不均匀导致的子带能级波动散射、导带波动散射以及合金无序散射三种散射机制的影响.结果显示：当Al含量由0增大到1，子带能级波动散射强度与合金无序散射强度先增大后减小，导带波动散射强度单调减小；在Al含量为0.1附近的小组分范围内，合金无序散射是限制迁移率的主要散射机制，该组分范围之外，子带能级波动散射是限制迁移率的主要散射机制；当Al摩尔百分含量超过0.52，三种散射机制共同限制的迁移率超过无插入层结构的迁移率，AlGaN层显示出对迁移率的提升作用.
2019, 68(1): 017401.
doi: 10.7498/aps.68.20181531
摘要:
作为一种稳定性好、抗辐射能力强、原材料丰富的宽禁带半导体，ZnO在光催化的研究领域中成为热点材料，但是其仅能吸收可见光中的紫光，因此如何扩大ZnO对可见光的响应范围是一个值得研究的问题.掺杂改性是解决这个问题的常用方法.基于以上考量，本文应用第一性原理计算方法研究了N与Pr掺杂对ZnO的电子结构和光学性质的影响.研究结果表明：共掺体系比单掺体系更容易形成，且共掺体系的稳定性随Pr浓度的增加先增强后变弱；同一体系的最短Zn–O键与最长Zn–O键的布居数比例随杂质浓度的增大先增大后减小，说明杂质的掺入对体系的晶格畸变有很大的影响，有利于光生空穴-电子对的分离，从而提高材料的光催化活性.N 2p态与Pr 4f态发生杂化对晶体的完整性产生了破坏，在杂质原子周围形成晶场，造成能级劈裂，带隙减小；介电函数虚部的主峰位均向低能区域移动，吸收光谱中各掺杂体系发生红移，各共掺体系随着杂质原子Pr浓度的增加，在可见光区的响应范围依次扩大，吸收能力也依次增加，说明N与Pr的共掺杂对提高ZnO的光催化性是有利的.
作为一种稳定性好、抗辐射能力强、原材料丰富的宽禁带半导体，ZnO在光催化的研究领域中成为热点材料，但是其仅能吸收可见光中的紫光，因此如何扩大ZnO对可见光的响应范围是一个值得研究的问题.掺杂改性是解决这个问题的常用方法.基于以上考量，本文应用第一性原理计算方法研究了N与Pr掺杂对ZnO的电子结构和光学性质的影响.研究结果表明：共掺体系比单掺体系更容易形成，且共掺体系的稳定性随Pr浓度的增加先增强后变弱；同一体系的最短Zn–O键与最长Zn–O键的布居数比例随杂质浓度的增大先增大后减小，说明杂质的掺入对体系的晶格畸变有很大的影响，有利于光生空穴-电子对的分离，从而提高材料的光催化活性.N 2p态与Pr 4f态发生杂化对晶体的完整性产生了破坏，在杂质原子周围形成晶场，造成能级劈裂，带隙减小；介电函数虚部的主峰位均向低能区域移动，吸收光谱中各掺杂体系发生红移，各共掺体系随着杂质原子Pr浓度的增加，在可见光区的响应范围依次扩大，吸收能力也依次增加，说明N与Pr的共掺杂对提高ZnO的光催化性是有利的.
2019, 68(1): 017402.
doi: 10.7498/aps.68.20181996
摘要:
本文通过对不同晶体结构Re3W样品的点接触测量和对比研究，证实具有中心对称结构和非中心对称结构的Re3W都是弱耦合Bardeen-Cooper-Schrieffer超导体，同时发现在两个相表面都可以形成很理想的点接触结，即电子通过界面时受到的非弹性散射很弱.将Re3W样品置于大气环境近六个月后重新进行测量，仍然能够得到类似的结果，表明Re3W具有很好的稳定性.Re3W的这种优良特性，不仅可通过点接触实验得到的参数推算出Re3W两个相的费米速度，而且提供了一种简单的方法，可以在点接触实验中利用Re3W来印证针尖材料的费米速度和测量其自旋极化率等.作为尝试，本文用Re3W/Ni点接触结测量了铁磁性金属Ni的自旋极化率，得到了与前人报道一致的结果.
本文通过对不同晶体结构Re3W样品的点接触测量和对比研究，证实具有中心对称结构和非中心对称结构的Re3W都是弱耦合Bardeen-Cooper-Schrieffer超导体，同时发现在两个相表面都可以形成很理想的点接触结，即电子通过界面时受到的非弹性散射很弱.将Re3W样品置于大气环境近六个月后重新进行测量，仍然能够得到类似的结果，表明Re3W具有很好的稳定性.Re3W的这种优良特性，不仅可通过点接触实验得到的参数推算出Re3W两个相的费米速度，而且提供了一种简单的方法，可以在点接触实验中利用Re3W来印证针尖材料的费米速度和测量其自旋极化率等.作为尝试，本文用Re3W/Ni点接触结测量了铁磁性金属Ni的自旋极化率，得到了与前人报道一致的结果.
2019, 68(1): 017501.
doi: 10.7498/aps.68.20181621
摘要:
纳米磁性逻辑器件具有高抗辐射性、低功率、天然非易失性等优势，应用前景广阔.倾斜放置的纳磁体具有翻转倾向性，在控制时钟撤去后倾斜纳磁体倾向于翻转至长轴的一端.利用倾斜纳磁体的翻转倾向性，提出了一种应力调控的与（或）磁逻辑门，并建立了其动态磁化的数学模型.使用微磁学方法对逻辑门进行了仿真，结果验证了预期逻辑门功能.与现有的逻辑门相比，基于倾斜纳磁体的与（或）门结构具有能耗更低、可靠性更高和制造工艺更简单等优点.
纳米磁性逻辑器件具有高抗辐射性、低功率、天然非易失性等优势，应用前景广阔.倾斜放置的纳磁体具有翻转倾向性，在控制时钟撤去后倾斜纳磁体倾向于翻转至长轴的一端.利用倾斜纳磁体的翻转倾向性，提出了一种应力调控的与（或）磁逻辑门，并建立了其动态磁化的数学模型.使用微磁学方法对逻辑门进行了仿真，结果验证了预期逻辑门功能.与现有的逻辑门相比，基于倾斜纳磁体的与（或）门结构具有能耗更低、可靠性更高和制造工艺更简单等优点.
2019, 68(1): 017801.
doi: 10.7498/aps.68.20181869
摘要:
Ge-Sb-Se硫系玻璃被认为是极佳的红外传输材料和有潜力的非线性光学材料.在光学设计中，玻璃的线性折射率（n）及其热光系数（ζ）是关键技术参数.以预测和调控Ge-Sb-Se玻璃的n和ζ为目的，考察了玻璃的n，ζ，密度（d）和体积膨胀系数（β）与化学参数dSe和拓扑网络结构参数<r>的内在联系.研究发现，玻璃的n随d的增加而增大；ζ随β的增大而近似线性减小；β随dSe的减小或<r>的增大而减小；当Ge含量固定时，d随dSe的减小或<r>的增大而增大，当Sb含量固定时，d在dSe=0时具有最小值.基于实测d和n，拟合获得了Ge，Sb和Se元素在2–12 μm波段的摩尔折射度（Ri），分别为RGe=10.16–10.50 cm3/mol，RSb=16.71–17.08 cm3/mol和RSe=11.15–11.21 cm3/mol，根据d和Ri计算得到的n与实测值的偏差小于1%.基于实测ζ和β，拟合得到了Ge，Sb和Se元素在2–12 μm波段的摩尔折射度温度系数（φi），分别为φGe=21.1–22.6 ppm/K，φSb=7.2–8.4 ppm/K和φSe=90.2–94.2 ppm/K，根据β和φi计算得到的ζ与实测值的偏差小于6 ppm/K.
Ge-Sb-Se硫系玻璃被认为是极佳的红外传输材料和有潜力的非线性光学材料.在光学设计中，玻璃的线性折射率（n）及其热光系数（ζ）是关键技术参数.以预测和调控Ge-Sb-Se玻璃的n和ζ为目的，考察了玻璃的n，ζ，密度（d）和体积膨胀系数（β）与化学参数dSe和拓扑网络结构参数<r>的内在联系.研究发现，玻璃的n随d的增加而增大；ζ随β的增大而近似线性减小；β随dSe的减小或<r>的增大而减小；当Ge含量固定时，d随dSe的减小或<r>的增大而增大，当Sb含量固定时，d在dSe=0时具有最小值.基于实测d和n，拟合获得了Ge，Sb和Se元素在2–12 μm波段的摩尔折射度（Ri），分别为RGe=10.16–10.50 cm3/mol，RSb=16.71–17.08 cm3/mol和RSe=11.15–11.21 cm3/mol，根据d和Ri计算得到的n与实测值的偏差小于1%.基于实测ζ和β，拟合得到了Ge，Sb和Se元素在2–12 μm波段的摩尔折射度温度系数（φi），分别为φGe=21.1–22.6 ppm/K，φSb=7.2–8.4 ppm/K和φSe=90.2–94.2 ppm/K，根据β和φi计算得到的ζ与实测值的偏差小于6 ppm/K.
2019, 68(1): 017802.
doi: 10.7498/aps.68.20181833
摘要:
基于TiO2光阳极、Pt对电极的染料敏化太阳能电池（DSSC）因其优异的光电转换特性受到了广泛的关注，然而Pt昂贵的价格制约了其发展与应用.针对这一问题，本文设计、制备了一种由相对致密且高导电的石墨膜（PC层，底层）及多孔碳纳米颗粒膜（CC层，顶层）构成的低成本、高性能三维多孔复合碳层对电极.基于该CC/PC对电极的DSSC具有优异的光伏性能：在1.5标准太阳光照射下，其填充因子高达65.28%（较Pt对电极高4.1%）、光电转换效率高达5.9%（为Pt对电极的94.2%）.CC/PC对电极的优异光伏性能主要归因于其独特的三维多孔导电结构，该结构有极高的比表面积和丰富的催化反应活性位，有利于电子的快速传输及离子的快速转移，在这些因素的协同作用下，其光电转换性能大大改善.
基于TiO2光阳极、Pt对电极的染料敏化太阳能电池（DSSC）因其优异的光电转换特性受到了广泛的关注，然而Pt昂贵的价格制约了其发展与应用.针对这一问题，本文设计、制备了一种由相对致密且高导电的石墨膜（PC层，底层）及多孔碳纳米颗粒膜（CC层，顶层）构成的低成本、高性能三维多孔复合碳层对电极.基于该CC/PC对电极的DSSC具有优异的光伏性能：在1.5标准太阳光照射下，其填充因子高达65.28%（较Pt对电极高4.1%）、光电转换效率高达5.9%（为Pt对电极的94.2%）.CC/PC对电极的优异光伏性能主要归因于其独特的三维多孔导电结构，该结构有极高的比表面积和丰富的催化反应活性位，有利于电子的快速传输及离子的快速转移，在这些因素的协同作用下，其光电转换性能大大改善.
2019, 68(1): 017803.
doi: 10.7498/aps.68.20181797
摘要:
本文开展了基于单光子调制频谱测量量子点荧光寿命动力学特性的研究.在脉冲激光激发下，对探测到的量子点单光子荧光信号进行频谱分析以获得荧光调制频谱，研究发现特征频谱信号幅值与荧光寿命之间存在确定的非线性对应关系.这种单光子调制频谱方法能有效消除背景噪声和单光子探测器暗计数的影响，用于分析量子点荧光寿命动力学特性时在准确度以及时间分辨率方面都较目前普遍采用的荧光衰减曲线寿命拟合方法呈现出明显优势：当涨落误差为5%时，寿命测量准确度提高了一个数量级；当涨落误差和偏离误差均为5%时，对动力学测量效率以及时间分辨率提高了四倍以上.因此单光子调制频谱可以作为获取量子点在短时间尺度内激发态动力学信息的一种有效技术手段.
本文开展了基于单光子调制频谱测量量子点荧光寿命动力学特性的研究.在脉冲激光激发下，对探测到的量子点单光子荧光信号进行频谱分析以获得荧光调制频谱，研究发现特征频谱信号幅值与荧光寿命之间存在确定的非线性对应关系.这种单光子调制频谱方法能有效消除背景噪声和单光子探测器暗计数的影响，用于分析量子点荧光寿命动力学特性时在准确度以及时间分辨率方面都较目前普遍采用的荧光衰减曲线寿命拟合方法呈现出明显优势：当涨落误差为5%时，寿命测量准确度提高了一个数量级；当涨落误差和偏离误差均为5%时，对动力学测量效率以及时间分辨率提高了四倍以上.因此单光子调制频谱可以作为获取量子点在短时间尺度内激发态动力学信息的一种有效技术手段.
2019, 68(1): 018201.
doi: 10.7498/aps.68.20181726
摘要:
隔膜孔隙结构对锂离子电池性能具有重要的影响，本文提出了可准确描述充放电过程中锂离子电池内部复杂物理化学现象的电化学-热耦合模型，发现该模型较文献中模型的计算结果更接近实验测试数据.利用该模型探讨了隔膜孔隙率与扭曲率分别对锂离子电池性能的影响规律，发现减小孔隙率或增大扭曲率，电池输出电压、最大放电容量和平均输出功率均不断降低，电池表面温度和温升速度均不断升高；当孔隙率减小或扭曲率增大到一定程度时，放电初期电池输出电压均会出现先下降后回升的现象，且孔隙率越小或扭曲率越大，其下降的幅度越大、速度越快，回升所需时间也越长；要确保其不低于截止电压，隔膜扭曲率必须小于临界扭曲率（其下降至最低点刚好等于截止电压时的隔膜扭曲率）.综合分析了放电过程中电池内部各电化学参量和产热量的动态分布规律，发现隔膜孔隙率和扭曲率主要影响放电末期电极膜片内部电化学反应以及其他放电时刻电解液中有效Li+扩散（传导）系数.
隔膜孔隙结构对锂离子电池性能具有重要的影响，本文提出了可准确描述充放电过程中锂离子电池内部复杂物理化学现象的电化学-热耦合模型，发现该模型较文献中模型的计算结果更接近实验测试数据.利用该模型探讨了隔膜孔隙率与扭曲率分别对锂离子电池性能的影响规律，发现减小孔隙率或增大扭曲率，电池输出电压、最大放电容量和平均输出功率均不断降低，电池表面温度和温升速度均不断升高；当孔隙率减小或扭曲率增大到一定程度时，放电初期电池输出电压均会出现先下降后回升的现象，且孔隙率越小或扭曲率越大，其下降的幅度越大、速度越快，回升所需时间也越长；要确保其不低于截止电压，隔膜扭曲率必须小于临界扭曲率（其下降至最低点刚好等于截止电压时的隔膜扭曲率）.综合分析了放电过程中电池内部各电化学参量和产热量的动态分布规律，发现隔膜孔隙率和扭曲率主要影响放电末期电极膜片内部电化学反应以及其他放电时刻电解液中有效Li+扩散（传导）系数.
2019, 68(1): 018401.
doi: 10.7498/aps.68.20181854
摘要:
近年来有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能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，其优异的光电特性逐渐在能源领域展现出独特的优越特性.在短短几年内，有机-无机混合物钙钛矿太阳能电池的能量转换效率已经高达23%，发展速度逐步赶上甚至超越了成熟的硅太阳能电池.本文利用飞秒瞬态吸收光谱，对二步法制备的（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3和（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3/Spiro-OMeTAD有机-无机卤化物钙钛矿薄膜材料的激发态动力学进行了对比研究，详细讨论了两种薄膜样品中的电荷载流子产生与复合机制.通过紫外-可见吸收光谱测得钙钛矿薄膜（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3和（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3/Spiro-OMeTAD的吸收光谱与CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜材料的双价带结构相对应.从瞬态吸收光谱中，观察到760 nm附近的光致漂白信号，此时的载流子复合过程符合二阶动力学过程，而在约550–700 nm光谱范围内则是光诱导激发态吸收信号.实验结果表明，（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3钙钛矿薄膜样品中光生载流子主要的弛豫途径是自由电子和空穴的复合.抽运光激发样品使价带中的电子跃迁到导带，随着延迟时间的增加，电子和空穴复合，光谱发生红移现象.所观察到的带重整效应可以根据Moss-Burstein效应解释.相比较而言，（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3/Spiro-OMeTAD钙钛矿薄膜样品在光激发后电子和空穴分离，空穴迅速转移到空穴传输层，这将导致样品吸收度增加，漂白信号快速恢复，电子-空穴的复合不再对漂白信号的弛豫动力学起主导作用，同时也削弱了带重整现象.本文的实验结果对半导体有机-无机金属卤化物钙钛矿薄膜在光伏领域的应用具有重要意义，为今后高效、稳定的钙钛矿太阳电池的研究提供了参考.
近年来有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能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，其优异的光电特性逐渐在能源领域展现出独特的优越特性.在短短几年内，有机-无机混合物钙钛矿太阳能电池的能量转换效率已经高达23%，发展速度逐步赶上甚至超越了成熟的硅太阳能电池.本文利用飞秒瞬态吸收光谱，对二步法制备的（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3和（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3/Spiro-OMeTAD有机-无机卤化物钙钛矿薄膜材料的激发态动力学进行了对比研究，详细讨论了两种薄膜样品中的电荷载流子产生与复合机制.通过紫外-可见吸收光谱测得钙钛矿薄膜（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3和（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3/Spiro-OMeTAD的吸收光谱与CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜材料的双价带结构相对应.从瞬态吸收光谱中，观察到760 nm附近的光致漂白信号，此时的载流子复合过程符合二阶动力学过程，而在约550–700 nm光谱范围内则是光诱导激发态吸收信号.实验结果表明，（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3钙钛矿薄膜样品中光生载流子主要的弛豫途径是自由电子和空穴的复合.抽运光激发样品使价带中的电子跃迁到导带，随着延迟时间的增加，电子和空穴复合，光谱发生红移现象.所观察到的带重整效应可以根据Moss-Burstein效应解释.相比较而言，（5-AVA）0.05（MA）0.95PbI3/Spiro-OMeTAD钙钛矿薄膜样品在光激发后电子和空穴分离，空穴迅速转移到空穴传输层，这将导致样品吸收度增加，漂白信号快速恢复，电子-空穴的复合不再对漂白信号的弛豫动力学起主导作用，同时也削弱了带重整现象.本文的实验结果对半导体有机-无机金属卤化物钙钛矿薄膜在光伏领域的应用具有重要意义，为今后高效、稳定的钙钛矿太阳电池的研究提供了参考.
2019, 68(1): 018501.
doi: 10.7498/aps.68.20181577
摘要:
人类记忆的形成包括感觉记忆、短期记忆、长期记忆三个阶段，类似的记忆形成过程在不同材料忆阻器的实验研究中有过多次报道.这类忆阻器的记忆形成过程存在有、无感觉记忆的两种情况，已报道的这类忆阻器的数学模型仅能够描述无感觉记忆的忆阻器.本文在已有模型的基础上，根据有感觉记忆的忆阻器的研究文献中所报道的实验现象，设计了具有感觉记忆的忆阻器模型.对所设计模型的仿真分析验证了该模型对于存在感觉记忆的这类忆阻器特性的描述能力：对忆阻器施加连续脉冲激励，在初始若干脉冲作用时忆阻器无明显的记忆形成，此时忆阻器处于感觉记忆阶段，后续的脉冲作用下忆阻器将逐渐形成短期、长期记忆，并且所施加脉冲的幅值越大、宽度越大、间隔越小，则感觉记忆阶段所经历的脉冲数量越少.模型状态变量的物理意义可用连通两电极的导电通道在外加电压作用下的形成与消失来给出解释.
人类记忆的形成包括感觉记忆、短期记忆、长期记忆三个阶段，类似的记忆形成过程在不同材料忆阻器的实验研究中有过多次报道.这类忆阻器的记忆形成过程存在有、无感觉记忆的两种情况，已报道的这类忆阻器的数学模型仅能够描述无感觉记忆的忆阻器.本文在已有模型的基础上，根据有感觉记忆的忆阻器的研究文献中所报道的实验现象，设计了具有感觉记忆的忆阻器模型.对所设计模型的仿真分析验证了该模型对于存在感觉记忆的这类忆阻器特性的描述能力：对忆阻器施加连续脉冲激励，在初始若干脉冲作用时忆阻器无明显的记忆形成，此时忆阻器处于感觉记忆阶段，后续的脉冲作用下忆阻器将逐渐形成短期、长期记忆，并且所施加脉冲的幅值越大、宽度越大、间隔越小，则感觉记忆阶段所经历的脉冲数量越少.模型状态变量的物理意义可用连通两电极的导电通道在外加电压作用下的形成与消失来给出解释.
2019, 68(1): 018901.
doi: 10.7498/aps.68.20181388
摘要:
结构熵可以考察复杂网络的异构性.为了弥补传统结构熵在综合刻画网络全局以及局部特性能力上的不足，本文依据网络节点在K步内可达的节点总数定义了K-阶结构熵，可从结构熵随K值的变化规律、最大K值下的结构熵以及网络能够达到的最小结构熵三个方面来评价网络的异构性.利用K-阶结构熵对规则网络、随机网络、Watts-Strogatz小世界网络、Barabási-Albert无标度网络以及星型网络进行了理论研究与仿真实验，结果表明上述网络的异构性依次增强.其中K-阶结构熵能够较好地依据小世界属性来刻画小世界网络的异构性，且对星型网络异构性随其规模演化规律的解释也更为合理.此外，K-阶结构熵认为在规则结构外新增孤立节点的网络的异构性弱于未添加孤立节点的规则结构，但强于同节点数的规则网络.本文利用美国西部电网进一步论证了K-阶结构熵的有效性.
结构熵可以考察复杂网络的异构性.为了弥补传统结构熵在综合刻画网络全局以及局部特性能力上的不足，本文依据网络节点在K步内可达的节点总数定义了K-阶结构熵，可从结构熵随K值的变化规律、最大K值下的结构熵以及网络能够达到的最小结构熵三个方面来评价网络的异构性.利用K-阶结构熵对规则网络、随机网络、Watts-Strogatz小世界网络、Barabási-Albert无标度网络以及星型网络进行了理论研究与仿真实验，结果表明上述网络的异构性依次增强.其中K-阶结构熵能够较好地依据小世界属性来刻画小世界网络的异构性，且对星型网络异构性随其规模演化规律的解释也更为合理.此外，K-阶结构熵认为在规则结构外新增孤立节点的网络的异构性弱于未添加孤立节点的规则结构，但强于同节点数的规则网络.本文利用美国西部电网进一步论证了K-阶结构熵的有效性.
