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2021, 70 (10): 100703.
doi: 10.7498/aps.70.20210023
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柔性压阻式压力传感器作为柔性压力传感器的重要分支, 具有结构简单、灵敏度高、工作范围大、响应速度快及稳定性高等特点, 在人类运动行为探测、健康监测、仿生电子皮肤开发及人机交互等领域均具有潜在发展需求. 但是截至目前, 如何同时实现低成本、高性能、低能耗和自驱动仍旧是柔性压阻式压力传感器未来所面临的挑战, 而新型传感机制的开发、新型功能化纳米材料的融合及柔性器件的新型制备工艺将是未来发展的方向. 本文综述了近年来柔性压阻式压力传感器的研究进展, 从传感机制出发, 对柔性压阻式压力传感器的活性层材料种类和微结构设计类型进行了总结, 最后对其未来的潜在应用进行了展望.
2021, 70 (1): 010501.
doi: 10.7498/aps.70.20200899
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为提高混沌时间序列的预测精度, 提出一种基于混合神经网络和注意力机制的预测模型(Att-CNN-LSTM), 首先对混沌时间序列进行相空间重构和数据归一化, 然后利用卷积神经网络(CNN)对时间序列的重构相空间进行空间特征提取, 再将CNN提取的特征和原时间序列组合, 用长短期记忆网络(LSTM)根据空间特征提取时间特征, 最后通过注意力机制捕获时间序列的关键时空特征, 给出最终预测结果. 将该模型对Logistic, Lorenz和太阳黑子混沌时间序列进行预测实验, 并与未引入注意力机制的CNN-LSTM模型、单一的CNN和LSTM网络模型、以及传统的机器学习算法最小二乘支持向量机(LSSVM)的预测性能进行比较. 实验结果显示本文提出的预测模型预测误差低于其他模型, 预测精度更高.
2021, 70 (24): 244303.
doi: 10.7498/aps.70.20211729
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6G无线网络预计在未来提供全球覆盖、高频谱效率、低成本、高安全性、更高智能水平的服务, 为人类社会打造一个无处不在的智能移动网络. 太赫兹无线通信具有高数据传输速率、低延时和抗干扰等特点, 有望在6G技术中得到广泛的应用. 本文主要介绍了6G技术的规划愿景、发展现状及其关键技术, 分析了太赫兹器件、信道、通信系统以及6G技术可能的发展趋势.
2021, 70 (9): 095210.
doi: 10.7498/aps.70.20201676
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社会经济的快速发展致使固体废物的产量迅速增加, 传统的处理工艺, 如填埋、焚烧和堆肥等方法, 不仅效率低下, 而且存在着二次污染和资源浪费等诸多问题, 因此, 急需探索新的固体废物处理技术. 等离子气化技术因具有高效、环保和能源转化率高等特点而被应用于固体废物的处理. 本文介绍了等离子气化技术处理固体废物的背景与意义, 综述了等离子气化技术在不同固体废物处理中的应用, 就国内外等离子气化技术水平与研究进展进行了详细的阐述, 并对目前等离子气化固体废物应用中存在的问题进行了着重分析. 综合多方面因素指出等离子气化技术是固体废物资源无害化处理的有效方式.
2021, 70 (3): 034101.
doi: 10.7498/aps.70.20200937
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磁偶极子理论在缺陷漏磁场解释中被成功广泛使用. 由于磁荷密度等参数不易定量, 磁偶极子理论在应用中常常进行归一化处理, 被认为不适用于对应力相关的磁记忆信号做量化分析. 本文通过建立力磁耦合型磁偶极子理论模型, 以适用于分析磁记忆检测中应力对磁信号的影响. 基于铁磁学理论确定应力和磁场联合作用下的等效场强度, 基于弱磁化状态的一阶近似, 获得了各向同性铁磁材料微弱环境磁场下的应力磁化解析解. 结合磁信号二维问题中矩形和V形磁荷分布假定, 建立了光滑与破坏试件表面磁信号、矩形和V形表面缺陷所诱导磁信号的力磁耦合型磁偶极子理论分析模型, 并获得其解析解. 基于力磁耦合型磁偶极子理论的解析解, 对拉伸实验中试件破坏前后的信号差异、矩形和V形表面缺陷诱导磁信号, 以及磁信号的影响因素和规律等进行了详细分析. 理论研究表明, 基于本文理论模型的解析解可实现对磁记忆检测中的一些基本实验现象和规律的解释.
2021, 70 (9): 095203.
doi: 10.7498/aps.70.20202233
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等离子体技术在现代材料制备和表面处理过程中起着重要的作用. 本文聚焦于非热等离子体(NTP)材料表面处理及功能化应用, 重点综述NTP在材料表面处理及功能化过程中的最新研究进展, 包括激励产生等离子体的等离子体源、NTP材料表面处理及功能化工艺以及具体应用. 其中, 激励产生等离子体的等离子体源包括感应耦合等离子体/容性耦合等离子体、电子回旋共振/表面波等离子体、螺旋波等离子体、大气压射流等离子体和介质阻挡放电等; NTP材料表面处理及功能化工艺包括等离子体表面接枝和聚合、等离子体增强化学气相沉积和等离子体辅助原子层沉积、等离子体增强反应刻蚀和等离子体辅助原子层刻蚀工艺等; 等离子体表面处理及功能化的具体应用领域包括亲水/疏水表面改性、表面微纳加工、生物组织表面处理、催化剂表面处理等. 最后提出了NTP技术材料表面处理及功能化的应用前景与发展趋势.
2021, 70 (2): 026802.
doi: 10.7498/aps.70.20201398
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近年来, 二维层状材料由于其丰富的材料体系和独特的物理化学性质而受到人们的广泛关注. 后摩尔时代要求器件高度集成化, 大面积、高质量的二维材料可以保证器件中结构和电子性能的连续性. 要实现二维材料工业级别的规模化生产, 样品的可控制备是其前提. 化学气相沉积是满足上述要求的一种强有力的方法, 已广泛应用于二维材料及其复合结构的生长制备. 但是要实现多种二维材料大尺寸以至晶圆级的批量制备仍然是很困难的, 因此, 需要进一步建立对各种二维材料生长控制的系统认识. 本文基于材料生长机理分析了化学气相沉积反应中的物质运输、成核、产物生长过程对二维材料尺寸的影响, 以及如何通过调控这些过程实现二维材料大面积薄膜的可控制备. 通过对目前研究成果的总结分析, 讨论了如何进一步实现二维材料的高质量大面积制备.
2021, 70 (1): 018501.
doi: 10.7498/aps.70.20202121
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超导体的发现距今已有近110年了, 高温超导体的发现也已经有30多年了. 超导材料的电子学应用在最近一二十年取得了突破性进展. 高温超导微波器件显示了比传统微波器件更优越的性能, 已经在移动通信、雷达和一些特殊通信系统中取得了规模化应用. 超导量子干涉器件以其磁场和电流测量的超高灵敏度, 成为地质勘探、磁共振成像和生物磁成像等领域不可替代的手段. 包括超导隧道结混频器、超导热电子混频器、超导转变沿探测器及超导单光子探测器等在内的超导传感器/探测器可以探测全波段的电磁波及各种宇宙辐射, 具有接近量子极限的超高灵敏度, 在地球物理、天体物理、量子信息技术、材料科学及生物医学等众多前沿领域发挥越来越重要的作用. 超导参量放大器已经成为实现超导量子计算的关键器件. 超导集成电路技术已被列入国际器件与系统技术路线图, 成为后摩尔时代微电子领域的前沿阵地之一. 在计量科学中, 超导约瑟夫森效应及约瑟夫森结阵器件被广泛应用于量子电压基准和国际单位制基本单位的重新定义中. 在当前的量子信息技术热潮中, 超导电子学扮演重要角色, 同时量子热潮也大力推动了超导电子学的发展. 本文主要对近几年我国超导电子学研究和应用的现状与进展进行概括总结.
2021, 70 (21): 216401.
doi: 10.7498/aps.70.20210979
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复杂网络中节点重要性的评估是网络特性研究中的一项重要课题, 相关研究具有广泛的应用. 目前提出了许多方法来评估网络中节点的重要性, 然而大多数方法都存在评估角度片面或者时间复杂度过高的不足. 为了突破现有方法的局限性, 本文提出了一种基于Tsallis熵的复杂网络节点重要性评估方法. 该方法兼顾节点的局部和全局拓扑信息, 综合考察节点的结构洞特征和K壳中心性, 并充分考虑节点及其邻域节点的影响. 为了验证该方法的有效性, 本文采用单调性指标、SIR模型和Kendall相关系数作为评价标准, 在8个来自不同领域的真实网络上与其他方法进行比较. 实验结果表明, 此方法能更有效和准确地评估网络节点的重要性, 可以显著区分不同节点的重要性. 此外, 该方法的时间复杂度仅为$ O({n^2}) $ , 适用于大型复杂网络.
2021, 70 (1): 018502.
doi: 10.7498/aps.70.20202131
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超导现象是一种宏观量子现象. 磁通量子化和约瑟夫森效应是两个最能体现这种宏观量子特性的物理现象. 超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)是利用这两个特性而形成的超导器件. SQUID器件在磁信号灵敏探测方面具有广泛的应用. 本文简要介绍低温超导和高温超导SQUID器件的相关背景和发展现状以及应用领域.
2021, 70 (23): 230302.
doi: 10.7498/aps.70.20211255
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近年来, 图像加密技术备受关注. 随着人们对通信隐私及网络安全重视程度的提高, 对信息加密技术的要求更加严格, 图像作为信息的载体之一, 因携带信息的有效性和生动性而受到重视. 本文提出一种基于DNA编码与交替量子随机行走的彩色图像加密算法. 量子随机行走作为出色的密码学工具参与算法流程中各个部分, DNA编码作为核心加密方式完成算法. 本文详细描述加密、解密流程, 并对所提出算法进行仿真实验验证与结果分析. 仿真阶段设计模拟密钥参数, 编码进行彩色图像加密、解密实验, 并进行了相关分析. 实验结果表明, 本文提出的彩色图像加密算法能够进行安全有效的彩色图像加密, 且相关分析表示其加密后图像直方图平稳、像素相关性系数趋近于0、密钥空间${2^{ 128}} $ , 三通道信息熵达到7.997以上, 能够抵御统计攻击、穷举攻击等攻击手段. 此外, DNA编码除新颖的编码及运算方式之外还有其独特的生物学特性, 为密码学的研究提供了新的思路与方向.
2021, 70 (10): 106801.
doi: 10.7498/aps.70.20201918
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液滴撞击超亲水表面铺展之后形成的薄液膜铺展直径是喷雾冷却、降膜蒸发等传热传质过程的一项关键控制参数. 以往模型在预测超亲水表面惯性力驱动下的最大铺展直径时, 存在低韦伯数下呈反常趋势、高韦伯数下预测值偏低等问题. 针对上述问题, 本文采用高速摄像技术研究液滴撞击过程中的铺展水力学特性, 发现了以往模型未完全考虑超亲水表面的铺展特性: 球冠状液膜、高黏性阻力及重力势能做功. 本文考虑了液膜球冠形态、重力势能、辅助耗散, 修正了以往最大铺展直径的预测模型, 并建立了适用于超亲水表面最大铺展直径的预测模型. 通过对铺展过程中各能量成分分析发现, 在超亲水表面上动能、表面能、重力势能均转化为黏性耗散能, 其中: 在低韦伯数下, 表面能转化为黏性耗散能占主要作用; 在高韦伯数下, 动能转化为黏性耗散能占主要作用. 并且, 在低韦伯数下, 重力势能和辅助耗散的引入对于准确预测超亲水表面最大铺展直径具有重要作用. 将模型预测结果与实验结果比较发现, 本模型成功消除了以往模型在低韦伯数下的反常趋势, 且能较好预测宽韦伯数范围下超亲水表面最大铺展直径. 同时, 本模型可以预测亲水和疏水固体表面的液滴最大铺展直径. 超亲水表面最大铺展直径的准确预测模型的提出对喷雾冷却, 降膜蒸发中提高和控制流体铺展距离和传热效率具有重要意义.
2021, 70 (6): 068101.
doi: 10.7498/aps.70.20201917
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原子级加工制造是实现半导体晶圆原子尺度超光滑表面的有效途径. 作为大尺寸高精密功能材料的原子级表面制造的重要加工手段之一, 化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)凭借化学腐蚀和机械磨削的耦合协同作用, 成为实现先进材料或器件超光滑无损伤表面平坦化加工的关键技术, 在航空、航天、微电子等众多领域得到了广泛应用. 然而, 为了实现原子层级超滑表面的制备, CMP工艺中常采用的化学腐蚀和机械磨削方法需要使用具有强烈腐蚀性和高毒性的危险化学品, 对生态系统产生了不可逆转的危害. 因此, 本文以绿色环保高性能抛光液作为对象, 对加工原子量级表面所采用的化学添加剂进行分类总结, 详尽分析在CMP过程中化学添加剂对材料表面性质调制的作用机理, 为在原子级尺度下改善表面性质提供可参考的依据. 最后, 提出了CMP抛光液在原子级加工研究中面临的挑战, 并对未来抛光液发展方向作出了展望, 这对原子尺度表面精度的进一步提升具有深远的现实意义.
2021, 70 (4): 040201.
doi: 10.7498/aps.70.20201520
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利用激光诱导击穿光谱技术结合机器学习算法, 对东北5个产地(大兴安岭、集安、恒仁、石柱、抚松)的人参进行产地识别, 建立了主成分分析算法分别结合反向传播(BP)神经网络和支持向量机算法的人参产地识别模型. 实验采集了5个产地人参共657组在200—975 nm的激光诱导击穿光谱, 经光谱数据预处理后, 对C, Mg, Ca, Fe, H, N, O等元素的8条特征谱线进行主成分分析, 原光谱数据的前3个主成分累积贡献率达到92.50%, 且样品在主成分空间中呈现良好的聚集分类. 降维后的前3个主成分以2∶1进行随机抽取, 分别作为分类算法的训练集和测试集. 实验结果表明主成分分析结合BP神经网络及支持向量机的平均识别率分别为99.08%和99.5%. 发生误判的原因是集安和石柱两地地理环境的接近而导致的H, O两元素在Ca元素离子发射谱线下的归一化强度相似. 本研究为激光诱导击穿光谱技术在人参产地的快速识别提供了方法和参考.
2021, 70 (10): 104401.
doi: 10.7498/aps.70.20201802
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微通道散热器在集成电路中具有重要应用, 但目前传统的长直微通道散热过程导致温度不均匀, 散热效率较低. 本文设计了一种周期性分流微结构并与传统微通道进行集成, 实现了一种高效率的周期性分流微通道散热器. 基于以上周期性分流微通道, 系统研究了单根微通道内微结构数目、微结构的排布方式及结构参数对其散热性能的影响. 结果表明, 引入的分流微结构可增大换热面积、打破原有层流边界层、促进冷/热冷却液混合、显著改善微通道散热性能. 在100 W/cm2的热流密度下, 入口端冷却液流速为1.18 m/s时, 单根微通道内引入9组微结构后, 其最高温度下降约24 K, 热阻下降约44%, 努塞尔数增大约124%, 整体传热性能(PEC)达1.465. 进一步地, 微结构采用交错渐变的周期排布方式, 沿流动方向逐渐变宽的扰流元使得冷却液被充分利用, 减少了高/低温区的存在且缓解了散热面沿流动方向存在的温度梯度, 压降损失相较于均匀排布也有一定程度的降低, 有效提升了散热效率. 本文提出的周期性分流微通道将在大功率集成电路及电子冷却领域中具有广阔的应用前景.
2021, 70 (6): 068902.
doi: 10.7498/aps.70.20201486
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通过在SIR (susceptible-infected-recovered)模型中引入抑制者对谣言的辟谣机制研究了在线社交网络上的意见动力学对谣言传播的影响. 在这一模型中, 节点可以与自身的邻居组成1个群, 传播者可以通过该群传播信息, 抑制者也可以在此群中对信息发表意见进行辟谣. 辟谣机制在降低未知者对于谣言的接受概率的同时也可以促使传播者向抑制者转变. 本文采用ER (Erdös-Rényi) 随机网络、无标度网络以及真实的社交网络研究了抑制者的沉默概率对于谣言传播范围的影响. 首先发现, 谣言传播的过程以传播者的峰值为界可以分为两个阶段, 即谣言自由传播的前期以及抑制者和传播者互相制衡的后期; 其次, 谣言的传播会随着抑制者的沉默概率的增大而突然暴发. 在谣言暴发阈值之下, 沉默概率的增大不会导致谣言传播范围显著增大, 这是由于未知者在感知到谣言并转变为传播者后又迅速转变为抑制者; 而当沉默概率达到谣言暴发阈值时, 抑制者将不能控制传播者对谣言的传播从而导致抑制者的降低和谣言的暴发; 最后, 无标度上的谣言自由传播的前期阶段比随机网络持续的时间更短, 从而使无标度上的谣言更难以暴发. 本文的模型综合考虑了意见动力学和谣言传播的相互作用, 更加真实地模拟了真实世界社交网络中的谣言传播过程. 为谣言传播的控制和干预提供了一些有用的思路和见解.
2021, 70 (4): 040304.
doi: 10.7498/aps.70.20201522
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重力场是反映地球质量分布及变化的重要参数, 动态重力测量在地质调查、地球物理、资源勘探等领域有着重要应用. 目前动态重力测量均基于相对测量原理, 动态相对重力仪存在零点漂移问题, 影响其测量性能. 动态绝对重力仪可以为相对重力仪提供同步同址校准, 解决其长漂问题, 因此备受关注. 本文基于原子重力仪和惯性稳定平台, 搭建了一套船载绝对重力动态测量系统, 并在船载系泊状态下开展了绝对重力动态测量实验. 经评估, 船载系泊环境下的重力测量灵敏度为16.6 mGal/Hz–1/2, 1000 s积分时间内重力测量的分辨率可达0.7 mGal. 通过两周的绝对重力测量, 评估了系统的稳定性. 为了评估绝对重力的动态测量精度, 将船上测量点与码头高精度绝对重力基准点的绝对重力值进行了比较, 两点之间的绝对重力值差及其不确定度评估结果为(–0.072 ± 0.134) mGal. 本文结果为海洋相对重力仪的同时同船校准提供了一种新方案.
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.
2021, 70 (16): 160702.
doi: 10.7498/aps.70.20210685
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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.
2021, 70 (12): 127801.
doi: 10.7498/aps.70.20202146
摘要 +
以石墨烯和二硫化钼为代表的二维材料, 由于具有良好的电学、热学、光学以及力学性质, 近年来成为了科学界一大研究热点. 而作为二维材料的分支, 二维磁性材料由于具有磁各向异性、单层磁有序等特殊性质, 特别是磁性还可借助多种物理场进行调控, 使其具有丰富的物理特性和潜在的应用价值, 逐渐受到研究者的普遍关注. 本文详细总结了二维磁性材料的种类类型、合成方法、基本特性以及表征手段, 系统归纳了关于二维磁性材料物性调控方面的研究工作, 并对二维磁性材料的未来研究方向和挑战进行简单的展望.
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