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2025, 74 (2): 027702.
doi: 10.7498/aps.74.20240906
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压电振动传感器与其他振动传感技术相比具有频率范围宽、动态范围大、结构简单、工作可靠、体积小等优点, 在核电行业、航空航天、轨道交通及国防军工等多个领域有着广泛的应用. 然而, 随着振动测试技术的飞速发展以及应用领域的不断拓宽, 对压电振动传感器在极端环境中长时服役的可靠性提出了更高要求, 如何提高压电振动传感器的服役温度满足极端环境下的应用需求是目前迫切解决的问题. 本文综述了高温压电传感技术应用场景和工作原理, 讨论了常见的高温压电陶瓷和晶体材料, 系统地总结了现有的压电振动传感器工作模式、不同类型压电振动传感器结构及传感器振动校准装置, 重点介绍了近年来国内外高温振动传感器的研究进展. 在此基础上, 探讨了高温压电振动传感器当前面临的问题及未来发展趋势, 为开发下一代极端环境应用的超高温振动传感器提供了思路, 有望促进国内高温压电振动传感技术的进一步研究.
2025, 74 (1): 012101.
doi: 10.7498/aps.74.20241201
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神经网络具有强大的建模能力和对大规模数据的适应性, 在拟合核质量模型参数方面表现出显著效果. 本研究旨在探索神经网络拟合核质量模型参数的问题: 采用多层感知机(multilayer perceptron, MLP)神经网络结构, 评估不同参数下Adam优化器的训练效果, 训练出准确的模型参数. 研究发现, 基于AME2020数据, 更新系数后的BW2核质量模型在双幻数以及重核区域的均方根误差降低明显; BW3模型重新拟合后的全局均方根误差为1.63 MeV, 较之前1.86 MeV有所降低. 结果表明, 该方法能够有效地拟合模型参数, 并具有良好的拟合性能和泛化能力. 这项研究为BW系列核质量模型的系数提供了新的拟合方法, 也为其他核质量寻求最佳拟合参数提供了有益的参考.
2025, 74 (2): 028102.
doi: 10.7498/aps.74.20241438
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金刚石氮-空位(NV)色心在室温下稳定性好, 电子自旋相干时间长, 能被激光和微波操控, 是量子探测领域最具潜力的结构. 本研究采用微波等离子化学气相沉积法(MPCVD)制备具有较高氮含量的金刚石单晶, 以构建高浓度NV色心. 通过在前驱体气体中掺杂不同含量的氮原子, 解决了高氮条件下长时间生长金刚石单晶出现的诸多问题, 制备氮含量约为0.205, 5, 8, 11, 15, 36和54 ppm (1 ppm = 10–6)的高氮金刚石单晶. 初步确定了前驱体气体中氮含量与进入到金刚石单晶晶格中氮含量的关系平均约为11, 氮原子在金刚石单晶中主要以聚集态氮和单个替位N+形式存在. 对高氮金刚石单晶进行电子辐照, 显著提升了金刚石NV色心浓度, 并对辐照后NV色心材料的磁探测性能进行验证.
2025, 74 (4): 047801.
doi: 10.7498/aps.74.20241292
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在光伏技术快速发展的背景下, 晶硅太阳电池作为主流的光伏器件, 其性能的提升成为研究的热点. 晶硅太阳电池包括硅异质结(SHJ)太阳电池、隧穿氧化物钝化接触(TOPCon)太阳电池及钝化发射极和背面接触(PERC)太阳电池. 晶硅太阳电池的表面钝化层作为提升电池性能的关键之一, 其发展历程与晶硅太阳电池的发展紧密相连. 然而, 由于钝化层的复杂机制和实验研究的高要求, 实现高质量的表面钝化面临挑战. 本文综述了SHJ太阳电池、TOPCon和PERC太阳电池界面钝化技术的关键问题和研究进展, 首先系统地回顾了SHJ太阳电池关键技术突破的研究进展, 并讨论了生长条件对SHJ太阳电池钝化性能的影响以及掺杂层对本征层和钝化性能的影响作用; 其次阐述了近5年来提升TOPCon和PERC太阳电池钝化性能的重要策略和研究成果; 最后给出钝化层技术的发展趋势展望. 将为晶硅太阳电池未来技术改进和性能提升提供参考.
2025, 74 (10): 108901.
doi: 10.7498/aps.74.20250179
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识别复杂网络中的传播关键节点在加速信息扩散、抑制病毒或谣言的传播等应用中至关重要. 现有识别网络传播中关键节点的方法各有局限: 复杂网络中心性方法仅从局域或者全局拓扑结构预测节点影响力; 传统机器学习和深度学习方法不适用于图结构数据; 已有基于图神经网络的方法忽视了传播过程自身的动力学特性. 鉴于此, 本文提出一种融合传播过程动力学特征与节点局域结构的传播动态图神经网络(propagation dynamics graph neural network, PDGNN), 用于识别复杂网络传播中的关键节点. 通过结合易感-感染-恢复传播模型, 提取节点传播过程中的动态感染特征, 构建高维特征向量并设计优化的损失函数, 以实现对复杂网络传播关键节点的准确识别. 在2个合成网络和7个真实网络上的实验结果表明, PDGNN在复杂网络传播关键节点识别准确性上优于经典的中心性方法、基于传统机器学习和深度学习的方法以及现有的基于图神经网络的方法.
2025, 74 (2): 027501.
doi: 10.7498/aps.74.20241340
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稀土元素具有相似的基态电子性质, 其独特的镧系收缩效应可以降低高熵材料中稀土元素的混合焓, 这对于制备廉价且高性能的高熵稀土金属间化合物至关重要. 本文在分析磁化和反磁化曲线的基础上, 辅以Henkel曲线和磁黏滞系数S计算, 研究了Nd11.76Fe82.36B5.88(NdFeB), 以及高熵稀土永磁合金化合物(La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Dy0.2)11.76Fe82.36B5.88和(La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Tb0.2)11.76Fe82.36B5.88等快淬条带的反磁化机理. 研究结果发现, 与纯NdFeB相比, 高熵稀土永磁材料的晶间耦合作用显著增强, 而磁偶极相互作用减弱. 这表明, 含重稀土的高熵材料中元素扩散机制在使样品均匀化的同时, 其矫顽力有大幅度提高, 矫顽力机制为硬磁相晶粒中的反磁化畴形核. (La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Dy0.2)11.76Fe82.36B5.88的磁黏滞系数大于纯NdFeB, (La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Tb0.2)11.76Fe82.36B5.88由于硬磁相反转与磁晶间耦合作用不同步, 导致样品在具有较大各向异性场的同时, 磁黏滞系数较小. 这表明高熵稀土永磁材料的反磁化机理与传统稀土永磁材料显著不同, 值得进一步深入研究.
2025, 74 (1): 012501.
doi: 10.7498/aps.74.20241412
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非弹性中子散射谱是材料科学和物理学研究中的关键工具, 其通过观测中子与物质相互作用后的能量和动量变化, 揭示材料的微观动力学特性. 该技术为定量描述材料的声子色散和磁性激发提供了重要信息. 非弹性中子散射谱仪根据单色中子的选择方法, 可分为三轴谱仪和飞行时间谱仪. 三轴谱仪具有高信噪比、高灵活性, 并且对特定测量点能进行精确追踪; 而飞行时间谱仪则通过多种手段显著提升实验效率. 非弹性中子散射谱仪的应用范围相当广泛, 在磁性、超导、热电、催化等诸多材料的机理研究方面, 均体现出在推动前沿科学发展中的不可或缺性. 中国散裂中子源的高能非弹性谱仪是国内首台飞行时间中子非弹性谱仪, 凭借其创新的费米斩波器设计, 成功实现了高分辨率与多能量的共存, 同时实验可用的单束中子支数达到了国际领先水平.
2025, 74 (3): 038801.
doi: 10.7498/aps.74.20240941
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Shockley-Queisser (S-Q)模型定义的理想太阳能电池是光伏器件分析的一个重要里程碑. 异质结太阳电池是光伏热门研究领域之一. 本文基于光伏电池S-Q模型基础, 针对异质结太阳电池空间势垒区能带不连续对光生载流子的输运存在的阻碍作用, 修订S-Q模型中的假设, 引入空间势垒区有限迁移率假设, 推导异质结太阳电池光电转换方程, 计算光电转换效率. 5780 K黑体辐射、电池温度300 K条件下计算结果表明最高转换效率约为31%; 异质结太阳能电池的开路电压可以超过窄带隙半导体的带隙限制; 高迁移率、低串阻条件下, 降低宽带隙半导体的光子吸收数目、增加窄带隙半导体光子吸收数目, 异质结太阳电池存在效率损失.
2025, 74 (1): 012801.
doi: 10.7498/aps.74.20241178
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晶格动力学是众多前沿能源材料的重要物理基础. 许多优秀的能源材料具有亚晶格嵌套结构, 其晶格动力学非常复杂, 这给理解材料的物理机制带来了巨大挑战. 中子散射技术兼具高的能量和动量分辨率, 可以同时表征物质结构和复杂晶格动力学, 近年来在研究能源材料物理机制方面发挥了重要作用. 本文首先详细介绍了能源材料研究中常用的几种中子散射技术, 包括中子衍射、中子全散射、准弹性中子散射以及非弹性中子散射等. 然后, 综述了近年来以中子散射为主要表征方法在能源材料领域所取得的一些重要研究进展, 包括超离子热电材料中的超低晶格热导率、固态电解质中的离子扩散机制、压卡材料中的塑晶态相变与构型熵、光伏材料中的晶格非谐性与载流子输运以及磁卡制冷材料中的一级磁-结构相变等. 在这些能源转换与存储材料中, 晶格动力学并不是独立起作用的, 它们在宏观物理性质中的作用总是通过不同自由度如亚晶格、电荷、自旋等的复杂关联作用或相互耦合来实现的. 通过这些典型实例, 希望为能源材料与晶格动力学的进一步深入研究提供参考.
2025, 74 (5): 058101.
doi: 10.7498/aps.74.20241483
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超高强度马氏体时效不锈钢同时拥有优异的强度及易加工等良好性能, 广泛应用于如飞机起落架等关键承载部件中. 然而, 由于析出的纳米粒子通常与体心立方(BCC)马氏体基体呈半共格或非共格关系, 传统马氏体时效不锈钢在追求超高强度的同时依然面临材料强韧性制衡这一难题. 本工作通过团簇式设计方法设计了一种新型共格析出强化的超高强度马氏体时效不锈钢(Fe-7.95Cr-13.47Ni-3.10Al-1.83Mo-0.03C-0.23Nb, 数字为各元素的质量百分含量). 实验结果表明, 该冷轧态不锈钢时效后马氏体组织晶粒破碎、拉长, 同时BCC马氏体基体中存在高密度位错(~1.8 × 10–3 nm–2)和大量的共格析出的B2-NiAl纳米粒子(< 5 nm). 力学性能方面, 该不锈钢在时效过程后表现出明显的时效硬化, 峰值时效硬度达到651 HV. 并且该不锈钢不仅具有极高的屈服强度(σYS = 2.3 GPa), 而且具有良好的断后延伸率(El = 3.6%), 表明实现了良好的强塑性匹配. 最后, 对该不锈钢的超高强度来源进行深入讨论, 发现该不锈钢的超高强度来自于各不同微观结构的强化作用. 本工作为进一步设计开发出高性能超高强度马氏体时效不锈钢提供了有价值的参考.
2025, 74 (2): 024203.
doi: 10.7498/aps.74.20241352
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本文通过辐照实验和TCAD仿真, 研究了质子累积辐照导致四晶体管钳位光电二极管(4T PPD)CMOS图像传感器的饱和输出变化机理. 实验采用的质子能量为12 MeV和60 MeV, 最高质子注量为2×1012 cm–2. 实验结果表明: 12 MeV和60 MeV质子最高注量辐照后分别导致转换增益增大8.2%和7.3%, 满阱容量分别减小7.3%和3.8%. 饱和输出在12 MeV质子辐照下变化趋势不显著, 在60 MeV质子辐照下增大3%. 在TCAD仿真中, 建立了单个三维4T PPD像元模型, 开展了质子累积辐照效应仿真来分析损伤机理. 仿真结果表明像元饱和输出的变化由满阱容量、复位晶体管的物理特性和浮置扩散区的电容决定, 但它们具有不同的影响. 具体而言, 满阱容量的降低导致饱和输出减小, 而复位晶体管的辐照效应导致饱和输出增大. 辐照导致浮置扩散区的电容减小, 从而使转换增益增大, 进而饱和输出增大. 上述工作较为全面地揭示和分析了辐照后饱和输出的变化机理, 研究成果对CMOS图像传感器的辐射损伤分析具有一定的指导意义.
2025, 74 (4): 044701.
doi: 10.7498/aps.74.20241453
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颗粒-流体界面处的耦合传热以及颗粒间的碰撞在颗粒沉降过程中起着至关重要的作用. 本文基于热颗粒流体积格子Boltzmann方法对流固耦合传热作用下封闭通道中两颗粒沉降过程拖曳-接触-翻滚运动开展了数值模拟研究, 探究了颗粒与流体比热容比${R_{{c_{\text{v}}}}}$、Grashof数$Gr$、颗粒初始温度对拖曳-接触-翻滚运动的影响. 结果表明, 随着比热容比${R_{{c_{\text{v}}}}}$的增加, 两冷颗粒沉降过程拖曳-接触-翻滚运动的拖曳时长和翻滚时长均减小, 而接触时长则相应增加. 随着Grashof数$Gr$的增加, 两冷颗粒沉降过程拖曳-接触-翻滚运动的拖曳时长显著减小, 但接触时长和翻滚时长则近似保持不变. 两冷颗粒沉降过程拖曳-接触-翻滚运动发生的时刻最早, 一冷一热颗粒次之, 两热颗粒最晚; 颗粒初始温度低于流体温度对拖曳-接触-翻滚运动的促进作用主要体现在拖曳阶段和接触阶段, 颗粒初始温度对翻滚时长则近似无影响.
2025, 74 (5): 057801.
doi: 10.7498/aps.74.20241684
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传统太赫兹超材料吸收器设计需多次试错调整, 十分依赖设计人员的经验, 设计时间成本高、效率低, 而目前基于机器学习的设计方法或需要准备大量样本, 或无法并行优化多个目标. 为解决这一问题, 本文提出一种基于多目标粒子群的几何参数优化方法, 以吸收率和品质因子为设计目标寻找符合要求的结构参数和介质厚度, 并以一个由四个角码型金属组成的中心对称结构的吸收器为例进行优化设计. 仿真结果表明, 多目标粒子群所快速获取的结构几何参数可以同时满足高吸收率和高品质因子两个设计目标, 明显优于粒子群算法. 通过该方法设计的吸收器在1.613 THz的吸收率大于99%, 品质因子为319.72, 其传感灵敏度可达264.5 GHz/RIU. 相比于传统设计方法, 此方法设计出的超材料吸收器可以实现高吸收率、高品质因子和高灵敏度, 为超材料吸收器的设计提供了新的思路, 具有广阔的应用前景.
2025, 74 (8): 087301.
doi: 10.7498/aps.74.20241554
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本文提出了一种具有双漂移区和双导通路径的新型横向双扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件, 实现了超低比导通电阻(Ron,sp). 其漂移区采用P型和N型纵向交替所构成的双漂移区结构, 并引入平面栅和槽型栅分别控制P型和N型漂移区, 使得器件能够在漂移区中形成两条独立的电子导通或消失路径. 在对平面栅施加正向电压时, 可使P型漂移区的表面发生反型, 形成连接沟道和N+漏极的高浓度电子反型层, 从而极大提高器件导通时的电子密度, 降低比导通电阻. 槽型栅极的引入可使器件在关断时产生一条额外的电子消失路径, 从而缩短器件的关断时间(toff). 此外, 由于引入P型漂移区, 使得电子在P型漂移区内输运时与其体内的空穴发生复合, 从而加快了电子的消失过程并进一步地缩短器件的toff. 仿真结果表明, 在200 V的击穿电压(BV)等级下, 本文所提出的新型LDMOS的Ron,sp为3.43 mΩ·cm2, 关断时间为9 ns. 相比传统的LDMOS器件, Ron,sp和toff分别下降了90%和11.6%. 该器件不仅实现了Ron,sp和BV的良好折中, 而且缩短了器件的toff, 展现出了优异的器件性能.
2025, 74 (2): 025201.
doi: 10.7498/aps.74.20241330
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在霍尔推力器中, 电子漂移、电子碰撞, 以及等离子体密度、温度、磁场梯度所蕴含的自由能会驱动各种频率和波长的不稳定性. 不稳定性的存在会破坏等离子体的稳定放电, 削弱推力器与电源处理单元的匹配度, 降低推力器的性能. 基于此, 本文利用基于流体模型推导的色散关系研究了霍尔推力器中由电子碰撞、等离子体密度和磁场梯度驱动的不稳定性. 结果表明: 1)在考虑电子惯性、电子与中性原子的碰撞, 以及电子${\boldsymbol{E}} \times {\boldsymbol{B}}$漂移时能够在推力器近阳极区到羽流区内的任一轴向位置处激发不稳定性. 随着角向波数${k_y}$的增大($k = 2{\text{π /}}\lambda $, $\lambda $为波长), 模式将从由碰撞激发的低杂波不稳定性转变为离子声波不稳定性. 当${k_y} = 10 {{\text{ m}}^{ - 1}}$时, 最大增长率${\gamma _{\max }}$对应频率${\omega _{\text{r}}}$随着碰撞频率${\nu _{{\text{en}}}}$的增大而轻微减小; 当$ {k_y} = 300 {{\text{ m}}^{ - 1}} $时, ${\gamma _{\max }}$对应的频率${\omega _{\text{r}}}$以及最大频率${\omega _{{\text{rmax}}}}$几乎不随碰撞频率变化. 不依赖于$ {k_y} $的大小, 对于碰撞激发的不稳定性, 模式的增长率随着碰撞频率的增大而增大. 2) 同时考虑电子惯性、电子碰撞效应, 以及密度梯度时, 密度梯度对驱动不稳定性占主导作用. 模式的动力学行为不会随${k_y}$的增大而变化, 但模式的本征值随${k_y}$的增大而增大. 在密度梯度${\kappa _{\text{N}}} = 0$的两侧, 由于密度梯度引起的抗磁性漂移频率${\omega _{\text{s}}}$的符号发生了变化, 模式的本征值在${\kappa _{\text{N}}} = 0$两侧有相反的变化趋势: 当${\omega _*}$与${\omega _{\text{r}}}$符号相反时, 密度梯度对不稳定性的激发有削弱作用(${\kappa _{\text{N}}} \gt 0$); 当${\omega _*}$与${\omega _{\text{r}}}$符号相同时, 密度梯度对不稳定性的激发有增强作用(${\kappa _{\text{N}}} \lt 0$). 3)在模型中同时考虑等离子体密度梯度、磁场梯度, 以及电子惯性和碰撞效应时, 模式本征值的变化依赖于电子的漂移频率, 以及密度和磁场梯度引起的抗磁性漂移频率的相对大小. 当仅包含密度梯度和磁场梯度时, 推力器放电通道内将出现稳定窗, 即增长率为0的区间; 包含电子惯性和碰撞效应后, 稳定窗消失.
2025, 74 (1): 018401.
doi: 10.7498/aps.74.20241494
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针对现有毫米波频率可重构天线频率调谐比小的问题, 本文设计了一款宽频带双频毫米波频率可重构滤波天线. 天线以PIN二极管为重构开关, 选择阶梯阻抗谐振器作为可重构带通滤波器, 并加载U型枝节引入陷波; 通过微带线-带状线过渡馈电结构将滤波器与Vivaldi天线级联, 并设计了金属腔隔离辐射和滤波两部分, 有效降低了电磁干扰和交叉极化. 测试结果显示: PIN二极管处于导通状态时, 天线工作在25.9—28.6 GHz, 最大增益为8.83 dBi; PIN二极管处于断开状态时, 天线工作在32.6—35.9 GHz, 最大增益为9.97 dBi; 可重构中心频率比达到了1∶1.26, 两个频带的交叉极化电平均低于–20 dB.
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