Vol. 61, No. 1 (2012)
2012年01月05日
总论
2012, 61 (1): 010201.
doi: 10.7498/aps.61.010201
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针对非线性偏微分方程初边值问题,基于差分法和动态设计变量优化算法原理, 以时间计算层上离散节点的未知函数值为设计变量,以离散节点的差分方程组构造程式化的目标函数, 提出了离散节点处未知函数值的逐层高精度优化算法.编制通用程序求解具体典型算例. 并通过与解析解对比,表明了求解方法的正确性和有效性,为广泛的工程应用提供条件.
2012, 61 (1): 010202.
doi: 10.7498/aps.61.010202
摘要 +
讨论了四阶广义蔡氏电路在两时间尺度下的动力学行为. 由数值模拟得到了系统在不同参数条件下的周期簇发解和混沌吸引子. 通过引入快慢分析法,从分岔的角度,以周期解为例, 对系统动力学行为产生的机理及其演化规律进行了理论分析和解释, 其结论与数值计算的结果基本符合.
2012, 61 (1): 010203.
doi: 10.7498/aps.61.010203
摘要 +
无标度性、小世界性、功能模块结构及度负关联性是大量生物网络共同的特征. 为了理解生物网络无标度性、小世界性和度负关联性的形成机制, 研究者已经提出了各种各样基于复制和变异的网络增长模型. 在本文中,我们从生物学的角度通过引入偏爱小复制原则及变异和非均匀的异源二聚作用构建了一个简单的蛋白质相互作用网络演化模型.数值模拟结果表明,该演化模型几乎可以再现现在实测结果所公认的蛋白质相互作用网络的性质：无标度性、小世界性、度负关联性和功能模块结构. 我们的演化模型对理解蛋白质相互作用网络演化过程中的可能机制提供了一定的帮助.
2012, 61 (1): 010204.
doi: 10.7498/aps.61.010204
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通过构建晶体表面-KDP分子界面吸附结构模型, 采用分子动力学和密度泛函计算方法研究KDP分子在(001)和(010)面吸附的物理化学过程, 考察了温度对物理吸附行为的影响. 研究表明: KDP晶体表面的吸附过程和生长习性主要由化学吸附主导, 化学吸附能的计算表明[K-O8]基元在(001)界面的结合能是(010)界面结合能的2.86倍; 在饱和温度附近, [H2PO4]-阴离子在KDP界面的物理结合能随温度的变化呈现振荡特征, 溶液中有较多的离子团簇形成, 溶液变得很不稳定; 当温度从323 K降低至308 K时, 水分子在界面的结合能总体呈下降趋势, 而KDP分子在界面的吸附能总体呈上升趋势, 脱水过程是水分子和[H2PO4]-阴离子在固液界面边界层竞争吸附的结果. 研究结果对确足晶体生长界面动力学过程发展和完善晶体生长理论有重要意义.
2012, 61 (1): 010205.
doi: 10.7498/aps.61.010205
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两相流场特性分析是软性磨粒流精密加工方法的技术关键. 针对此问题, 利用水平集方法(LSM)结构拓扑变换原理, 建立了描述磨粒流在另一流体中运动变化的二维模型. 该模型中, 用LSM捕捉两相流之间的界面, 从而对两相流的运动情况和相关参数进行模拟仿真, 深入讨论了磨粒流加工机理. 研究表明: 以LSM原理建立的二维模型, 成功地仿真模拟了两相流相变过程; 利用k-湍流模型与Preston方程相结合的数值分析方法, 对流道内各区域的速度等流场特性进行讨论, 为软性磨粒流加工提供了前期基础性研究.
2012, 61 (1): 010301.
doi: 10.7498/aps.61.010301
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研究了非谐振势中超流Fermi气体的集体激发. 基于一维超流流体动力学模型, 采用变分法获得了体系从分子Bose-Einstein凝聚端渡越到Cooper对凝聚端时系统的两个低能激发模, 即偶极模和呼吸模. 分析发现: 在整个跨越区偶极模和呼吸模都发生了频移现象, 且在BCS端频移更加显著. 进一步研究发现在不同驱动振幅激发下超流Fermi气体质量中心和宽度变化呈现出了复杂动力学特性, 由于非谐振势的贡献,超流Fermi气体两低能模发生耦合, 使宽度变化产生量子拍频现象, 且拍频频率随着驱动振幅的增加而增大. 这种非线性耦合对外部驱动的响应在幺正区尤其显著.
2012, 61 (1): 010501.
doi: 10.7498/aps.61.010501
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建立交通流短时预测状态空间模型, 研究混合状态下城市快速路交通流短时预测. 结合城市快速路自由流状态、拥挤流状态和阻塞流状态下交通流参数的时间和空间分布特性, 基于交通流守恒方程和速度动态模型, 借鉴偏微分方程组求解时空离散的思想, 建立三种状态下交通流短时预测模型; 同时考虑进出口匝道、车道数变更以及道路坡度等因素的影响, 将交通流短时预测模型转化为交通流短时预测状态空间模型, 实现混合状态下交通流短时预测. 研究表明, 该方法能够实现混合状态下道路网内的交通流短时预测, 预测精度可达90.23%. 相同条件下, 经典自回归滑动平均模型的预测精度仅为81%.
2012, 61 (1): 010502.
doi: 10.7498/aps.61.010502
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研究了周期性双势垒锯齿势中, 布朗粒子在外力作用下沿空间坐标方向交替地和高、低温热库接触构成的布朗热机的热力学性能. 考虑布朗粒子动能的变化以及高、 低温库之间热漏的存在, 通过数值计算分析势垒高度、势比、外力等参数对布朗热机效率的影响. 研究表明：当考虑热漏时, 布朗热机始终是不可逆的, 效率小于卡诺效率; 并且当热漏很小时, 势比的增大在一定程度上可提高布朗热机的效率; 其功率与效率之间的关系曲线为闭合线. 当不考虑热漏时, 其功率与效率之间的关系曲线为开型线, 但由于布朗粒子动能的变化引起的不可逆热流, 热机的效率依然小于卡诺效率.
2012, 61 (1): 010503.
doi: 10.7498/aps.61.010503
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研究了基因转录调控系统中的色噪声诱导蛋白质浓度转换现象. 据Novikov定理和Fox近似方法得到相应的Fokker-Planck方程, 给出稳态概率分布函数、蛋白质浓度平均值及其平均首通时间的近似表达式, 分析了噪声的自关联时间对稳态概率、平均值和平均首通时间的影响. 研究表明, 分解率的噪声的自关联时间引起蛋白质的浓度经历了关开的转换; 合成率的噪声的自关联时间引起蛋白质的浓度经历了开关转换. 然而, 随着两种自关联时间的增大, 平均首通时间增大, 即蛋白质浓度之间的转换变得困难. 数值模拟结果与理论预测基本符合.
2012, 61 (1): 010504.
doi: 10.7498/aps.61.010504
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提出了一个闭环自调频混沌系统, 对压控振荡器输出进行采样, 采样值经非线性变换后产生控制压控振荡器下一时刻频率的调频码. 利用一维分岔图、二维分岔图和Lyapunov指数等研究了该系统的动力学行为; 并利用峰值均值功率比、频谱以及输出信号的相关函数等分析了该系统的应用特性. 研究表明, 该系统有复杂的动力行为, 展现分岔、多稳态和混沌等现象, 产生的信号具有低峰值均值功率比和宽频带的特性. 同时还讨论了利用调频码实现系统同步的可能性, 证实了简单的控制器可以实现自调频系统的同步. 在电路实验中, 压控振荡器用数字频率合成技术实现, 实验结果与理论分析一致.
2012, 61 (1): 010505.
doi: 10.7498/aps.61.010505
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研究了高频信号和微弱低频信号同时激励下线性时滞反馈对过阻尼双稳系统和Duffing振子系统中振动共振现象的影响. 解析分析和数值结果都表明, 系统对低频信号的响应幅值增益随时滞参数的变化同时呈现两种不同的周期性关系, 其周期分别为输入的高频信号和低频信号的周期. 数值结果还表明, 对不存在经典振动共振现象的单稳Duffing系统, 通过调节时滞参数也可以引发振动共振现象. 使用时滞反馈不仅可以有效地控制振动共振, 还可以进一步增强系统对微弱低频信号的响应.
2012, 61 (1): 010601.
doi: 10.7498/aps.61.010601
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提出了一种多光束激光外差测微小角度的新方法. 基于激光外差技术和Doppler效应, 通过做简谐振动的Doppler振镜对不同时刻入射光的正弦调制, 把待测角度信息加载到外差信号的频率差中, 经信号解调后可以得到待测角度参数值, 经加权平均处理可以提高待测角度的测量精度. 利用这种新方法, 通过Matlab仿真了平面标准镜不同入射角的模拟结果, 表明该仿真结果的最大相对误差小于0.789677%.
2012, 61 (1): 010701.
doi: 10.7498/aps.61.010701
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结合石墨烯场效应晶体管和机械谐振原理,研究了基于本地背栅石墨烯谐振沟道晶体管(RCT) 的高频机械信号直接读取方法.利用机械剥离法获得的石墨烯,提出了一种基于刻蚀技术的器件制备方法, 并实现了栅长和栅宽分别为1 m的本地背栅RCT.实验结果表明,在室温下RCT的谐振频率范围为57.588.25 MHz.研究结果对加速石墨烯纳米机电系统和高频低噪声器件的应用有着重要作用.
2012, 61 (1): 010702.
doi: 10.7498/aps.61.010702
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针对金属橡胶构件的非线性特性及结构不同时弹性阻尼力学性能不同的特点, 利用实验和理论相结合的方法建立了金属橡胶构件迟滞回线边界变形过程力学模型, 推导了不同相对密度金属橡胶构件非线性迟滞恢复力表达式. 分析了简谐激励载荷作用下金属橡胶阻尼环动力学特性, 对该阻尼环进行了实验研究, 研究了存在预变形情况下阻尼环的弹性阻尼性能, 实验和理论分析结果基本一致, 为该种阻尼环的实际应用奠定了理论基础.
基本粒子物理学与场
2012, 61 (1): 012901.
doi: 10.7498/aps.61.012901
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粒子模拟和实验研究发现磁绝缘线振荡器(MILO)的起振电压会随注入工作电压的增大而增大, 通过进一步的分析与研究, 找到了引起该现象的根本原因, 即随着注入工作电压的增大, 工作电压上升前沿的斜率必然增大, 上升前沿斜率的增大必然引起起振电压的增大, 当斜率无限大时, MILO的起振电压等于工作电压. 因此, 工作电压上升前沿斜率的变化是引起MILO器件起振点变化的根本原因; 当注入电压上升沿的斜率固定不变时, 同一MILO器件的起振点不变, 即对应的起振电压值不变; 当注入电压上升沿的斜率增大时, 同一MILO器件的起振点对应的起振电压值随之增大. 对MILO器件的自磁绝缘临界电流公式进行了部分修正.
原子和分子物理学
2012, 61 (1): 013101.
doi: 10.7498/aps.61.013101
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用Gaussian09程序包的密度泛函理论DFT方法,在BP86/6-311++g(d,p)水平上对O2, TiO和TiO2 分子进行了优化.得到该系列分子的基态电子态分别为：O2(X3g), TiO(X3g), TiO2(X1 A1), TiO2分子的稳定构型为C2v构型. 用Murrell-Sorbie势能函数对TiO和O2分子的扫描势能点进行拟合, 其扫描点都与四参数Murrell-Sorbie函数拟合曲线符合得很好,在此基础上推导出它们的光谱数据和力常数. 用多体项展开理论导出TiO2分子的全空间解析势能函数,在固定键角OTiO=110.5 的情况下, RTi-O = 0.1652 nm处存在一个深度为15.09 eV的势阱, 表明在该处易形成稳定的TiO2分子.
2012, 61 (1): 013301.
doi: 10.7498/aps.61.013301
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利用脉宽为5 ns脉冲Nd: YAG 355 nm激光在功率密度为10111012 W/cm2条件下实现了甲醛含水团簇多光子电离, 并用飞行时间质谱对其电离产物和电离过程进行了研究. 实验中观测到了甲醛的质子化团簇系列 (CH2O)nH+(n=14), 甲醛的去质子化团簇系列(CH2O)nCHO+ (n=13), 以及两个起源于H2CO去质子和质子化的含水团簇系列HCO+(H2O)n(n=1,3,5)和H3CO+(H2O)n(n=1,3,5), 并对其中的一些团簇结构构型进行了猜测. 研究在不同的激光功率密度下甲醛团簇质谱峰的变换情况, 当激光密度达到9.3 1011 W/cm2, 开始出现CH2O和H2O本体及其光致碎片的信号, 但对应的各质量峰没有明显地分辨开, 而是以包络的形式出现, 这是激光电离产生高能离子释放的一种表现, 提出认等离子体动力学鞘层加速机制(模型)来解释高能离子形成的物理机制.
2012, 61 (1): 013401.
doi: 10.7498/aps.61.013401
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应用群论及原子分子反应静力学方法推导了TiN分子基态(X2)的离解极限. 采用不同的密度泛函方法,包括BP86, B3P86, B3LYP, B3PW91, 分别选用不同的基组对TiN分子基态进行结构优化计算.通过比较得出使用BP86方法, 对N原子使用D95V++(d,P)基组和Ti原子使用6-311++G**基组时,计算得到的平衡几何结构、分子离解能和谐振频率与实验值符合得最好. 并采用最小二乘法拟合改进的Murrell-Sorbie函数得到了相应电子态的完整势能函数. 计算得到的光谱常数与实验光谱数据符合得很好.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2012, 61 (1): 014101.
doi: 10.7498/aps.61.014101
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为解决工作在3 mm波段及以上频段的折叠波导行波管因加工精度和功率容量的局限性, 提出了非渐变型有限变周期折叠波导慢波结构. 首先给出了这种结构能够有效增大高次空间谐波耦合阻抗的理论基础, 并导出了色散和耦合阻抗表达式; 然后进行数值计算, 给出一组优化后的设计参数, 并以此确定行波管的工作点; 最后利用MAFIA粒子模拟软件进行大信号互作用模拟, 获得有效增益. 在结构和周期都比较大的情况下, 实现了相对工作电压比较低的行波管设计.
2012, 61 (1): 014102.
doi: 10.7498/aps.61.014102
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设计了一种简单的双面单方环结构左手材料,在4.85.25 GHz频率范围内该材料的等效介电常数和等效磁导率同时为负.将此单方环左手材料作为覆盖层,置于中心工作频率为5.0 GHz的微带天线之上. 仿真和实验研究表明:相对普通微带天线而言,覆层微带天线的性能得到了明显改善, E面和H面的半功率波束宽度分别收缩了25和20,定向性得到了提高, 5 GHz处的增益提高了3 dB, -10 dB带宽增加了600 MHz.
2012, 61 (1): 014201.
doi: 10.7498/aps.61.014201
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根据双光纤Bragg光栅(FBG)外腔半导体激光器相干失效的物理过程, 运用速率方程和双FBG耦合模理论, 分析了双FBG外腔半导体激光器相干失效产生和控制的条件, 提出了实现和控制双FBG外腔半导体激光器相干失效多模稳定工作的方法. 双FBG外腔半导体激光器在相干失效下具有多模的稳定工作状态, 相干失效长度缩短, 相干失效长度内光谱稳定. 实验测量结果表明, 外腔反射率为3%时, 从非相干失效状态到相干失效状态, 半峰值全宽度从0.5 nm突然展宽到0.9 nm. 在相干失效状态下, 功率稳定, 边模抑制比大于45 dB, 在0℃70℃工作温度范围内峰值波长漂移小于0.5 nm, 最小相干失效长度小于0.5 m. 双FBG外腔半导体激光器相干失效的应用对提高光纤放大器和光纤激光器的性能具有重要意义.
2012, 61 (1): 014202.
doi: 10.7498/aps.61.014202
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提出利用薄透镜元件对聚焦后的高阶Bessel-Gauss光束进行重建. 基于衍射理论, 分析了高阶Bessel-Gauss光束聚焦后的重建行为, 数值模拟高阶Bessel-Gauss光束经薄透镜聚焦再通过另一薄透镜重建的三维光场分布和截面光强分布图. 结果表明, 高阶Bessel-Gauss光束经单个薄透镜后产生中空的局域空心光束, 在焦点位置处为圆环, 尔后迅速发散; 在焦点后合适位置处放入另一薄透镜可矫正焦点后发散的光束, 使得其后光场不变, 仍满足Bessel分布; 实验结果与理论分析相符合. 研究结果对光镊、粒子捕获与操控具有一定的指导意义.
2012, 61 (1): 014203.
doi: 10.7498/aps.61.014203
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利用高非线性光纤中的交叉相位调制和四波混频分别在仿真中实现了时间透镜. 对基于交叉相位调制的时间透镜中的高非线性光纤中的非线性过程进行了仿真分析. 仿真结果表明, 该时间透镜的主要影响因素为色散、自相位调制与四波混频; 通过采用带有一定色散斜率的高非线性光纤可同时消除色散、自相位调制和四波混频的影响; 另外, 该高非线性光纤的色散零点最好选在信号脉冲和抽运脉冲波长的中心附近. 然后对基于四波混频的时间透镜的实现进行了仿真分析. 仿真结果表明, 该时间透镜的主要影响因素为色散、 自相位调制和其他的四波混频; 通过设定合适大小的信号脉冲和抽运脉冲的功率可消除自相位调制和其他的四波混频的影响; 另外, 通过在高非线性光纤中引入一定的色散可进一步提高信号脉冲和抽运脉冲的功率, 从而获得更高功率的输出脉冲. 最后对两种时间透镜系统做出了比较.
2012, 61 (1): 014204.
doi: 10.7498/aps.61.014204
摘要 +
对光刻胶内光强分布进行了计算与模拟, 结果表明, 来自基底的反射光与入射光干涉, 光强在垂直基底的方向上呈现强弱周期性变化, 即驻波效应. 进一步的分析与实验结果表明, 随着基底反射率的增加, 驻波效应变得严重, 进而影响光栅掩模的槽形、占宽比并限制线条高度. 为减弱驻波效应的影响, 尝试了使用减反射膜降低基底反射光强度, 实验结果表明, 在基底与光刻胶之间增加一层减反射膜吸收来自基底的反射光强度, 减弱驻波效应的效果显著.
2012, 61 (1): 014205.
doi: 10.7498/aps.61.014205
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研究了在微波射频场调制下的Λ 型三能级原子系统的电磁感应光栅现象. 结果表明: 微波场可以增强对探测场的相位调制和增益作用, 使得衍射强度、尤其是一阶衍射强度明显提高; 当系统参数取值适当时, 一阶衍射强度随微波场强度呈指数增长的趋势.
编辑推荐
2012, 61 (1): 014206.
doi: 10.7498/aps.61.014206
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利用半经典理论方法计算了运转于阈值以上的非简并光学参量振荡腔输出信号场、闲置场及反射抽运场的关联特性. 根据 van Loock 等提出的连续变量多组分纠缠判据, 计算结果表明, 常温下这三个光场的正交振幅分量与正交位相分量之间存在三组分量子关联, 得到了三色三组分纠缠态光场. 数值计算了关联噪声对参量振荡腔物理参数的依赖关系, 找出了产生三色三组分纠缠态产生的最佳运转条件, 为连续变量多组分纠缠态光场产生系统的设计提供了直接参考.
2012, 61 (1): 014207.
doi: 10.7498/aps.61.014207
摘要 +
研究了耦合的核壳双金属纳米粒子天线的光场增强与超快时域响应. 在少周期激光的应用中, 如表面等离激元金属纳米器件中的超快响应探测元件, 这种双金属天线展示了超宽带共振频谱及控制局域表面等离激元增强的能力. 研究了二聚体、三聚体以及七聚体, 并且发现三聚体Ag/Au核壳结构显现了极高的场增强能力, 其场振幅增强因子超过了120, 并在5 fs的时间内场振幅迅速衰减为30, 保持了超快的光学响应特性. 利用该结构的表面等离激元增强效应产生高次谐波, 对于产生超快阿秒脉冲有着潜在的重要应用价值.
2012, 61 (1): 014208.
doi: 10.7498/aps.61.014208
摘要 +
在非旋波近似下, 利用相干态正交化展开方法, 对两量子比特与谐振子相耦合系统中的量子纠缠演化特性进行了精确计算. 讨论了在共振时, 两量子比特和谐振子耦合系统基态的性质以及量子比特和谐振子之间的纠缠与量子比特-量子比特间的纠缠的不同. 结果表明: 当不考虑外场时, 量子比特-量子比特间的纠缠随着耦合强度的增大从1迅速地减小到零, 表明了量子比特-量子比特间的纠缠对耦合强度是非常敏感的; 而量子比特和谐振子之间的纠缠随着耦合强度的增大从零迅速地增大, 但不能达到理论上的最大值2; 当初始时刻两量子比特没有纠缠时, 在弱耦合强度下, 真空场不能导致纠缠的产生; 而强的耦合非旋波效应则可以导致纠缠的突然产生现象.
2012, 61 (1): 014209.
doi: 10.7498/aps.61.014209
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离子阱中离子的快速有效冷却在量子信息处理、光频标等领域都有重要的意义.基于Steixner 等提出的量子反馈模型,将反馈方法应用于离子的Doppler冷却.首先理论分析了该模型下离子运动信息的获取方式以及反馈对离子运动的影响,并推导出了存在反馈时离子运动所满足的方程,然后进行了仿真计算. 计算结果表明,利用量子反馈可以明显的提高离子冷却速率.还分析了反馈参数对离子冷却效率的影响.
2012, 61 (1): 014210.
doi: 10.7498/aps.61.014210
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表面粗糙是材料制造过程中必有的副产物, 粗糙表面会引起其中传播的声表面波的速度发生变化. 在利用激光声表面波对材料性质进行评估时, 常用宽带的激光声表面波速度频散特性对材料性质进行反演. 为了研究表面粗糙度是否能作为反演的特征参数之一, 本文建立了激光在表面粗糙样品中激发声表面波、聚偏氟乙烯换能器宽带接收声表面波的实验装置来研究不同粗糙度表面对声表面波速度的影响; 理论上建立了激光在粗糙表面中激发声表面波的计算模型, 利用有限元法得到声表面波的时域特征, 并进一步得到声表面波的速度色散曲线, 理论结果和实验结果能很好地拟合. 这为利用激光声表面波对表面粗糙的评估提供理论和实验依据.
2012, 61 (1): 014211.
doi: 10.7498/aps.61.014211
摘要 +
根据设计目标和制备要求, 以双啁啾作为啁啾镜膜系初始结构设计方法, 详细分析了双啁啾调制系数以及双啁啾层数对啁啾镜反射特性和色散特性的影响, 确立了两者之间的最佳取值组合. 利用分析结果设计了单个啁啾镜, 并实现了啁啾镜的配对设计, 获得了6001050 nm范围内反射率大于99.5%, 平均群延迟色散-40 fs2, 振荡小于 20 fs2的啁啾镜对, 满足了钛宝石飞秒激光系统的色散补偿要求.
2012, 61 (1): 014212.
doi: 10.7498/aps.61.014212
摘要 +
利用双光反馈半导体激光器作为混沌发射源, 构建了一个单向开环混沌通信系统, 并对系统的通信性能进行了相关仿真研究. 研究表明: 通过合理选取系统参量, 双光反馈半导体激光器所产生的混沌载波能很好地抑制外腔延时特征; 发射激光器和接收激光器在强注入锁定下能实现很好的混沌同步, 并且同步性能对频率失谐具有很好的容忍性; 采用附加混沌调制加密方式, 500 Mbits/s的信号能够很好地隐藏于混沌载波中, 并可在接收端成功解调.
2012, 61 (1): 014213.
doi: 10.7498/aps.61.014213
摘要 +
在半导体激光器高功率抽运的镱、钠共掺氟化钙(Yb, Na:CaF2)激光器中, 通过对晶体的负热透镜效应的数值模拟,进行激光器腔型的调节和优化,使得该激光器在采用2%的耦合输出镜和吸收抽运功率为7.8 W的条件下,获得了脉冲宽度为190 fs、平均输出功率为503 mW、中心波长为1034 nm、重复频率为82.4 MHz的连续锁模脉冲序列. 如果计算晶体表面反射等其他形式的泄漏输出,激光器的总平均输出功率为905 mW.
2012, 61 (1): 014214.
doi: 10.7498/aps.61.014214
摘要 +
利用微加工技术, 在SOI上制作出了高Q值的光子晶体微腔, Q值可以达7104以上, 为后续的光与物质相互作用和量子信息方面的实验奠定了基础. 实验结果与理论模拟符合得较好. 通过三维时域有限差分法模拟, 得到光子晶体微腔的Q值为1.2105左右.
2012, 61 (1): 014215.
doi: 10.7498/aps.61.014215
摘要 +
通过理论和实验研究了1550 nm量子阱垂直腔面发射激光器(QW-VCSEL) 的饱和效应对2.5 Gbps二进制伪随机序列(PRBS)慢光延时的影响. 利用Fabry-Perot腔边界条件结合光场分布, 推导出VCSEL中信号相位和延时表达式, 并结合速率方程, 建立信号功率与延时之间的联系. 实验研究了在VCSEL逐渐达到饱和状态过程中PRBS信号的延时时间和眼图的变化情况. 理论和实验结果表明, 由于受饱和效应的影响, 大功率信号在VCSEL中传输得到更好的信号质量, 但以牺牲延迟时间为代价. 为了获得较大的时延, 一方面需要控制信号功率, 其次还需要调节信号波长以追踪由于饱和效应导致的VCSEL峰值增益波长的变化轨迹.
2012, 61 (1): 014216.
doi: 10.7498/aps.61.014216
摘要 +
提出了一种可用于振动检测的新型光纤光栅传感技术. 用偏振控制器和高双折射保偏光纤构建成Sagnac环, 结合掺铒光纤、单模光纤和隔离器, 形成了单波长光纤激光器, 由粘有光纤Bragg光栅的悬臂梁作为传感探头, 并利用Sagnac环本身的线性边缘, 解调振动信号. 阐述了Sagnac环原理及其产生的边缘效应, 并进行了数值模拟计算, 对振动信号进行了检测实验, 检测系统从L1到L1+L2之间对应的周期可调, 灵敏度高达38.2 W/nm, 线性度为0.9996, 动态范围在4070 dB, 可满足振动传感检测的技术参数要求.
2012, 61 (1): 014217.
doi: 10.7498/aps.61.014217
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归零(RZ)码与非归零(NRZ)码是波分复用和时分复用系统中广泛采用的两种码型, 全光NRZ到RZ码型转换能完成从波分复用到时分复用的网络接口功能, 是未来透明光子网络中一项重要的全光信号处理技术. 提出并实验证实了一种基于色散平坦高非线性光子晶体光纤中四波混频效应的单到双NRZ到RZ码型转换方法, 将一束信号光与同步时钟脉冲同时输入色散平坦高非线性光子晶体光纤中, 通过四波混频过程, 产生两个携带该数据信息的闲频光, 从而实现了单到双的NRZ到RZ码型转换功能, 码型转换器工作波长在193 nm范围可调谐, 最大转换效率为-21 dB, 最优消光比和品质因子分别为11.9 dB和7.2. 该方法的特点在于基于光纤中的四波混频效应工作, 因而具有对调制格式和比特率透明的优点, 同时, 光子晶体光纤特有的高非线与色散平坦性, 既避免了使用传统光纤需要较长的长度, 又避免了波长设置不灵活的弊端, 并具备可进一步增加带宽的能力, 且在码型转换的同时, 实现了波长转换, 完成了双通道波长组播功能. 整个系统为全光纤设计, 结构简单, 性能可靠, 并易于与现有的光纤通信系统相容, 对促进超高速大容量光子网络的发展具有重要意义.
2012, 61 (1): 014601.
doi: 10.7498/aps.61.014601
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试样的扭转应变随外场(温度场、电场、磁场) 的变化谱即扭转应变谱可以有效地反映试样对外场的动力学响应行为. 研究表明, 利用传统倒扭摆可以高精度测量扭变谱, 证实了含铅量为32%的弛豫铁电体铌镁酸铅(PMN-32%PT)的四方-立方转变是一种爆发型马氏体相变.
前沿领域综述
2012, 61 (1): 014401.
doi: 10.7498/aps.61.014401
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多孔介质的强制对流换热主要涉及渗流、对流换热、热弥散和热辐射等方面的内容, 文中对这个几个方面的国内外研究进展和发展趋势进行了逐一综述. 同时对主要理论模型、实验研究和经验关联式进行了分类整理, 总结了它们的特点、适用范围和局限性, 并对主要研究成果进行了对比分析, 指出了将来进一步研究的方向和难点所在. 而且通过简化计算得到高温多孔介质冷却过程何时需要考虑辐射换热. 所有这些对多孔介质的理论研究和工程应用都具有指导性的意义.
气体、等离子体和放电物理
2012, 61 (1): 015201.
doi: 10.7498/aps.61.015201
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采用FAC (flexible atomic code)程序, 在细致能级层次计算等离子体原子结构参数和等离子体中各种原子物理过程的基础上, 建立了等离子体中各种能级布居的速率方程, 其中考虑了等离子体中各种原子物理过程的影响. 通过求解基于细致能级的速率方程, 计算了Z箍缩产生的Al等离子体辐射的细致能谱结构, 对实验谱进行了辨认和归类, 并对实验测量谱的成分做了简单分析.
2012, 61 (1): 015202.
doi: 10.7498/aps.61.015202
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在新能源的研究中, 氢能成为与太阳能、风能等一样的绿色能源. 分数H原子是在某些特定催化物(如Ar+)的作用下, 基态H原子可以向比基态能级更低的分数主量子数能级跃迁, 同时释放出大量能量. 通过对氢氩等离子体H原子Balmer 谱线超常展宽的规律性进行研究, 探讨这种伴随着大量能量释放的含H等离子体反应的存在性. 研究结果表明: 利用空心阴极放电管证实高能H原子的存在并首次发现超常展宽与氢氩配比的关系符合催化反应的特点; 通过比较研究的方法, 在实验上寻找加强含H等离子体反应的途径, 得到了更加清晰的H原子Balmer 谱线超常展宽(半高展宽达到0. 245 nm).
2012, 61 (1): 015203.
doi: 10.7498/aps.61.015203
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用一维粒子模拟研究了超短强激光脉冲与两个固体薄膜靶作用产生X射线的一个方案, 特别研究了该方案中产生相对论电子层的源靶的厚度和密度分布对产生X射线的能谱、能量转换效率的影响. 数值模拟发现当产生高能电子层的源靶的厚度d与产生的X射线的波长/4x2相当或者更小( 是入射激光波长)时, 才能产生准单色的X射线光谱, 否则产生的光谱有极大展宽, 且最高频率下降很快. 另外, 当薄膜靶前面存在不均匀预等离子体时, X射线光谱会明显变差.
2012, 61 (1): 015204.
doi: 10.7498/aps.61.015204
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利用自主研制的全悬浮双探针, 对影响双频容性耦合等离子体径向均匀性的因素进行了研究. 发现低频功率、放电气压和放电间距对径向均匀性有明显影响. 合适的低频功率、放电气压及较大的极板间距可以得到更均匀的等离子体. 采用与实验相同的放电参数, 利用改进的二维流体模型进行理论模拟, 得到了不同极板间距下径向离子密度分布, 并和实验测量结果进行了比较, 两者的变化趋势基本符合.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2012, 61 (1): 016101.
doi: 10.7498/aps.61.016101
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利用固态反应法制备了名义成分为FeTe的合金, 采用X射线粉末衍射技术和Rietveld全谱拟合分析方法测定了其相组成和晶体结构. 研究表明,主相为Fe1.08Te,空间群为P4/nmm,点阵参数 a = 3.8214(3) Å, c = 6.2875(3) Å, Z = 2, Fe原子占据2a和2c晶位, Te原子占据2c晶位. 利用脉冲激光沉积技术制备的FeTe薄膜超导转变起始温度为13.2 K,零电阻温度为9.8 K.
2012, 61 (1): 016102.
doi: 10.7498/aps.61.016102
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推导出了单相纳米晶合金的晶界过剩体积与晶粒尺寸之间的定量关系, 建立了纳米晶合金的晶界热力学性质随温度和晶粒尺寸发生变化的确定性函数. 针对SmCo7纳米晶合金, 通过纳米晶界热力学函数计算和分析, 研究了单相纳米晶合金的晶粒组织热稳定性. 研究表明, 当纳米晶合金的晶粒尺寸小于对应于体系中晶界自由能最大值的临界晶粒尺寸时, 纳米晶组织处于相对稳定的热力学状态; 当纳米晶粒尺寸达到和超过临界尺寸时, 纳米晶组织将发生热力学失稳, 导致不连续的快速晶粒长大. 利用纳米晶合金热力学理论与元胞自动机算法相耦合的模型对SmCo7纳米晶合金在升温过程中的晶粒长大行为进行了计算机模拟, 模拟结果与纳米晶合金热力学模型的计算预测结果一致, 由此证实了关于纳米晶合金晶粒组织热稳定性的研究结论.
2012, 61 (1): 016103.
doi: 10.7498/aps.61.016103
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基于CdS良好的光学性质和单壁碳纳米管(SWCNT)优异的电子学性质, 制备了纳米CdS/SWCNT复合材料和纳米CdS/聚乙烯亚胺(PEI)功能化SWCNT复合材料, 并利用日光灯光源模拟太阳光研究了它们的光电性质. 结果表明, 纳米CdS/SWCNT复合材料呈现显著的负光电导现象, 而纳米CdS/PEI-SWCNT复合材料呈现强烈的正光电导现象. 用电子转移理论对这一结果进行了解释. 两样品在大角度弯折的情况下, 光电性质均基本没有变化. 因此, 纳米CdS/碳纳米管复合材料在光电领域, 尤其是新兴的柔性光电子学领域有着良好的应用前景.
2012, 61 (1): 016104.
doi: 10.7498/aps.61.016104
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研究金属间化合物NiAl的表面结构和成分对于理解其抗氧化机制、断裂过程等非常重要. 采用巨正则系综Monte Carlo方法对NiAl内部和(110)表面层的原子分布、点缺陷浓度、长程序参数等进行了模拟计算,发现1273 K温度的NiAl化合物在富Al段表面层和内部成分比例之间存在准标度关系,合金成分比例对化学计量比的偏离在表面层被放大,放大系数超过30倍.
2012, 61 (1): 016105.
doi: 10.7498/aps.61.016105
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研究普通热处理和快速热处理工艺下直拉单晶硅中过渡族金属铜杂质对洁净区生成的影响. 通过腐蚀和光学显微镜研究发现,常规高-低-高三步洁净区生成热处理样品中, 第一步高温热处理前对样品铜沾污,样品中没有洁净区生成,高密度的铜沉淀布满了样品整个截面. 而第二步、第三步热处理过程中引入铜杂质不影响洁净区的生成. 研究表明,高温热处理过程中生成的铜沉淀不能溶解是导致洁净区不能形成的最主要原因. 另外,由于不同温度下热处理,导致引入铜杂质的平衡浓度不同,会在一定程度上影响洁净区的厚度. 对于快速热处理样品,可以得到相似的结果.
2012, 61 (1): 016106.
doi: 10.7498/aps.61.016106
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在商用0.35 m互补金属氧化物半导体工艺上制备了两种栅氧化层厚度(tox)的条形栅、环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体 (n-channel metal oxide semiconductor, 简记为NMOS) 晶体管, 并进行了2000 Gy(Si)的总剂量辐射效应实验. 实验结果显示, 栅氧厚度对阈值电压漂移的影响大于栅氧厚度的3次方. 对于tox为11 nm的低压NMOS晶体管, 通过环形栅或半环形栅的加固方式能将其抗总剂量辐射能力从300 Gy(Si)提高到2000 Gy(Si)以上; 而对于tox为26 nm的高压NMOS晶体管, 通过环栅或半环栅的加固方式, 则只能在低于1000 Gy(Si)的总剂量下, 一定程度地抑制截止漏电流的增加. 作为两种不同的版图加固方式, 环形栅和半环形栅对同一tox的NMOS器件加固效果类似, 环形栅的加固效果略优于半环形栅. 对于上述实验结果, 进行了理论分析并阐释了产生这些现象的原因.
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2012, 61 (1): 016107.
doi: 10.7498/aps.61.016107
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利用透射电子显微镜对质子辐照前后空间太阳望远镜Mo/Si多层膜的微观结构进行了表征, 并对其辐照前后反射率的变化进行了测量.研究表明, Mo/Si多层膜经质子辐照后形成了一些缺陷结构,局部区域Mo/Si的周期性遭到破坏, Mo层与Si层的宽度发生了变化,多层膜层与层之间的界面也比辐照前更为粗糙,部分层状结构由于质子辐照发生了明显的扭曲和折断等现象;此外,质子辐照导致了Mo/Si多层膜反射率的下降,这些微观缺陷的形成是光学性能降低的直接诱因.
2012, 61 (1): 016108.
doi: 10.7498/aps.61.016108
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采用第一性原理赝势平面波方法, 计算并详细分析了面心立方Cu晶体及其 (100), (110) 和 (111) 这3个低指数表面的原子结构、 表面能量及表面电子态密度. 表面能的计算结果表明, Cu (111) 表面的结构稳定性最好, Cu (100) 表面次之, Cu (110)表面的结构稳定性最差. 3个表面的表面原子弛豫量随着层数的增加而逐渐减弱. Cu (110) 表面的最表层原子相对收缩最大, Cu (100)表面次之, Cu (111) 表面的最表层原子相对收缩最小. 表面原子弛豫不仅引起表面几何结构的变化, 而且使表面层原子的电子态密度峰形相对晶体内部发生变化, 这是表面能产生的主要原因, 而Cu (110)表面相对于Cu (100)与Cu (111)表面具有高表面活性的主要原因则源于其表面层原子电子态密度在高能级处的波峰相对晶体内部显著的升高.
2012, 61 (1): 016201.
doi: 10.7498/aps.61.016201
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应用大规模分子动力学方法, 模拟了具有不同原子级粗糙形貌的两种刚性球形探头与弹性平面基体的黏附接触行为. 研究了载荷与真实接触面积、接触界面排斥力与真实接触面积, 以及黏附力与真实接触面积之间的关系. 分子模拟得到的载荷与真实接触面积的关系, 与连续力学接触理论预测很好地定性一致. 无论是原子级光滑探头还是粗糙探头, 黏附接触下的排斥力与真实接触面积的关系, 都与无黏附接触时的规律相一致, 即黏附力对接触行为的影响作用, 可以等效为附加在真实外载荷基础上的虚拟载荷, 将对黏附接触行为的分析转变为无黏附接触分析. 两种探头的黏附力随真实接触面积都呈幂函数形式的增长, 但是, 原子级光滑探头的幂指数大于1, 而原子级粗糙探头的幂指数小于1.
2012, 61 (1): 016202.
doi: 10.7498/aps.61.016202
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用离体壁虎刚毛阵列在自制微黏附摩擦测试台上对预加载荷对刚毛摩擦与黏着的各向异性特性的影响进行了实验研究.实验结果表明,在逆壁虎刚毛自然弯曲方向卷出实现脱附时, 刚毛所受摩擦力与法向力成正比,摩擦系数为0.6;沿顺刚毛自然弯曲方向卷入实现黏附时, 随预载荷增加摩擦力增加,法向力由黏附力变为斥力.在同等预载荷下,卷入方向的摩擦力是卷出方向的2倍以上. 本文提出了摩擦各向异性特征参数,对壁虎刚毛的黏着与摩擦各向异性进行了定量表征, 这种特性是由刚毛的弯曲及多等级结构决定的.
2012, 61 (1): 016401.
doi: 10.7498/aps.61.016401
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利用从头算法确定了基于对势的平均场模型中的未知势参数, 从而确定了势函数, 然后利用得到的势函数构建平均场, 进一步计算了5种金属材料 Al, Cu, Ni, Na, K在熔点处原子振动的自由体积. 计算的结果表明, 熔化曲线上原子振动的自由体积与原子晶胞体积之比是常数这一假设并不普遍适用; 对该假设修正后可以比较准确地计算材料的熔化曲线.
2012, 61 (1): 016801.
doi: 10.7498/aps.61.016801
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运用巨正则Monte Carlo方法, 模拟了H2在自由扩散状态下及碳纳米管吸附状态下的分布, 对H2的自由扩散和吸附状态进行了对比研究. 研究表明: 77 K和2 MPa下, (30, 30)扶手椅型碳纳米管质量储氢密度为3.74%, 77 K和10 MPa下, 质量储氢密度为7.4%. 吸附状态的H2分子主要汇聚在碳纳米管内外两个壁面.
2012, 61 (1): 016802.
doi: 10.7498/aps.61.016802
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结合Marom模型与实验数据, 给出了晶粒尺寸与金属薄膜厚度的关系式. 基于已有的理论模型, 针对厚度为1050 nm Cu薄膜, 考虑到表面散射与晶界散射以及电阻率晶粒尺寸效应, 提出一种简化电阻率解析模型. 结果表明, 在1020 nm薄膜厚度范围内, 考虑晶粒尺寸效应后的简化模型与现有实验数据符合得更好. 相对于Lim, Wang与Marom模型, 所提模型的相对标准差分别降低74.24%, 54.85%, 78.29%.
2012, 61 (1): 016803.
doi: 10.7498/aps.61.016803
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采用等离子增强化学气相沉积法, 以氨气和硅烷为反应气体, p型单晶硅为衬底, 低温下(200 ℃)制备了非化学计量比氮化硅(SiNx)薄膜. 在N2氛围中, 于5001100 ℃范围内对薄膜进行热退火处理. 室温下分别使用Fourier变换红外吸收(FTIR)光谱技术和X射线光电子能谱(XPS)技术测量未退火以及退火处理后SiNx薄膜的SiN, SiH, NH键键合结构和Si 2p, N 1s电子结合能以及薄膜内N和Si原子含量比值R的变化. 详细讨论了不同温度退火处理下SiNx薄膜的FTIR和XPS光谱演化同薄膜内Si, N, H原子间键合方式变化之间的关系. 通过分析FTIR和XPS光谱发现退火温度低于800 ℃时, SiNx薄膜内SiH和NH键断裂后主要形成SiN键; 当退火温度高于800 ℃时薄膜内SiH和NH键断裂利于N元素逸出和Si纳米粒子的形成; 当退火温度达到1100 ℃时N2与SiNx薄膜产生化学反应导致薄膜内N和Si原子含量比值R增加. 这些结果有助于控制高温下SiNx薄膜可能产生的化学反应和优化SiNx薄膜内的Si纳米粒子制备参数.
2012, 61 (1): 016804.
doi: 10.7498/aps.61.016804
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采用离子束溅射技术制备了单层和双层Ge量子点, 通过原子力显微镜对比了不同Si隔离层厚度和不同掩埋量子点密度情况下表层量子点的尺寸和形貌差异, 系统研究了掩埋Ge量子点产生的应变对表层量子点的浸润层及形核的影响, 并用埋置应变模型对其进行解释. 实验结果表明, 覆盖Ge量子点的Si隔离层中分布着的应变场, 导致表层量子点浸润层厚度的降低, 从而增大点的体积; 应变强度随隔离层厚度的减小而增加, 造成表层量子点形状和尺寸的变化; 此外, 应变还调控了表层量子点的空间分布.
2012, 61 (1): 016805.
doi: 10.7498/aps.61.016805
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利用分子动力学方法模拟了Al原子在Pb基底上的沉积过程. 对Al原子在Pb基底(001)面上沉积的形态与Pb原子在Al(001)基底上沉积的形态做了比较. 由于界面间势垒的不同, 两个体系界面间的形态有明显的差异. 分析了基底温度、基底晶面指向、沉积原子的入射动能对界面间原子混合的影响. 模拟结果显示: 随着基底温度升高, 基底原子的可移动性大大增加, 与沉积原子发生较大程度的混合; 入射能的改变对界面间原子的混合影响很小; 基底表面取不同的晶格指向时, 基底与沉积原子间的混合行为也有明显的不同. 利用径向分布函数分析了沉积原子的入射能对薄膜中原子排列有序性的影响. 较高入射能对应更有序的薄膜结构; 由径向分布函数的结构可以推测Al原子在Pb(001)基底表面沉积时界面间可能有金属间化合物生成.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2012, 61 (1): 017101.
doi: 10.7498/aps.61.017101
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了锐钛矿相和金红石相TiO2:Nb的晶体结构、电子结构和光学性质. 结果表明, 在相等的摩尔掺杂浓度下(6.25%), 锐钛矿相TiO2:Nb的导带底电子有效质量小于金红石相TiO2:Nb, 且前者室温载流子浓度是后者的两倍左右, 即具有更大的施主杂质电离率, 从而解释了锐钛矿相TiO2:Nb比金红石相TiO2:Nb具有更优异电学性能的实验现象. 光学计算也表明锐钛矿相在可见光区有更大的透过率, 从而在理论上解释了锐钛矿相TiO2:Nb比金红石相TiO2:Nb更适于做透明导电材料的原因. 计算结果与实验数据能较好符合.
2012, 61 (1): 017102.
doi: 10.7498/aps.61.017102
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采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能. 计算出的能带结构显示Ti8O15相比锐钛型TiO2禁带宽度大幅度降低. 态密度分析表明, 其原因在于Ti8O15的O原子的2p轨道以及Ti原子的3p, 3d轨道相对于TiO2的相应轨道向左产生了偏移, 同时由于O原子的缺失使得Ti原子的3d, 3p轨道多余电子在Fermi能级附近聚集形成新的电子能级. 态密度分析结果还显示, 相对于TiO2, Ti8O15 Fermi能级附近电子格局发生了如下变化: O原子的2p轨道电子贡献减少, Ti原子的3d轨道的电子对Fermi能级贡献增大. 光吸收计算图谱表明, TiO2仅在紫外光区有较高的光吸收能力, 而Ti8O15由于禁带宽度变窄引起光吸收范围红移到可见光区, 从而在紫外光区和可见光区都有较高的光吸收能力, 计算结果与实验得到的紫外-可见漫反射吸收光谱结果一致.
2012, 61 (1): 017103.
doi: 10.7498/aps.61.017103
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采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂ZnO单胞和两种不同浓度的Ga/N高共掺ZnO超胞模型, 分别进行了几何结构优化、总态密度分布和能带分布的计算. 研究表明, ZnO高共掺Ga/N的条件下, Ga/N高共掺浓度越大, 导电性能越弱, 并且高掺杂后高能区红移效应显著, 计算得到的结果与实验结果的变化趋势一致.
2012, 61 (1): 017104.
doi: 10.7498/aps.61.017104
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高压直流塑料交联聚乙烯电缆的研发难点是消除其中的空间电荷效应. 目前, 国内外学者普遍通过添加纳米粒子在聚乙烯体内形成深陷阱捕获电荷的机理来抑制电荷积聚, 但此抑制机理违背了电场的基本理论. 以能带理论全面阐述聚合物介质中空间电荷的形成和抑制机理, 从一级陷阱模型出发, 应用电荷入陷和脱陷动力方程, 推导了聚合物介质中空间电荷的形成过程. 在聚合物介质中引入深陷阱后, 介质Fermi能级位移, 电极与介质之间界面接触由Ohm接触转变为阻塞接触. 考虑到无定形相中大量的陷阱密度, 电荷耗尽区宽度小于100 , 电极与介质之间的界面对电子变得透明, 形成中性接触, 在电压作用下, 这种聚乙烯介质中不再可能形成空间电荷. 最后, 在纯聚乙烯和纳米改性后含有深陷阱的聚乙烯两种试样上, 分别测量了电导与电场强度的关系和空间电荷分布曲线, 实验结果符合理论推导.
2012, 61 (1): 017105.
doi: 10.7498/aps.61.017105
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为了进一步提高小尺寸金属氧化物半导体(MOSFET)的性能,在应变硅器件的基础上, 提出了一种新型的异质栅MOSFET器件结构.通过求解二维Poisson方程,结合应变硅技术的物理原理,建立了表面势、表面电场以及阈值电压的物理模型,研究了栅金属长度、功函数以及双轴应变对其的影响. 通过仿真软件ISE TCAD进行模拟仿真,模型计算与数值模拟的结果基本符合. 研究表明：与传统器件相比,本文提出的异质栅应变硅新器件结构的载流子输运效率进一步提高, 可以很好地抑制小尺寸器件的短沟道效应、漏极感应势垒降低效应和热载流子效应, 使器件性能得到了很大的提升.
2012, 61 (1): 017106.
doi: 10.7498/aps.61.017106
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通过综合模式搜索法、广义Lagrange乘子法、以及转轴法等多种数值方法, 建立了一套针对多轨道Hubbard模型隶玻色子解法的数值优化方法. 该数值方法能够在考虑晶场劈裂、轨道间跳跃以及真实能带结构基础上, 利用隶玻色子方法计算实际关联电子材料的性质. 首先利用该方法计算了两轨道体系的Mott金属-绝缘体转变性质, 得到了与目前已有工作一致的结果; 然后利用该方法讨论了Coulomb关联对三轨道体系NaxCoO2的影响. 结果表明: 在中间关联情况下由eg'轨道形成的六个小Fermi面消失, 原因是由于电子关联导致该轨道上的空穴数随U减少. 这些结果也证实了算法的正确性和有效性.
2012, 61 (1): 017107.
doi: 10.7498/aps.61.017107
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在考虑Rashba自旋-轨道耦合的条件下, 采用二次幺正变换和变分方法研究了二维抛物量子点中由于电子与体纵光学声子的耦合作用形成的极化子在基态Zeeman分裂能级上的自旋弛豫过程.这一过程主要是通过吸收或发射一个形变势或压电声学声子完成.具体分析了强、弱耦合两种极限下极化子自旋弛豫率与外磁场、量子点半径、Landau因子参数、Rashba自旋轨道耦合参数的变化关系.
2012, 61 (1): 017108.
doi: 10.7498/aps.61.017108
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结合CdS/CdTe太阳电池背接触层的制备要求考虑, 利用基于密度泛函理论平面波超软赝势方法和广义梯度近似, 计算了未掺杂ZnTe、稀土Y、Gd掺杂ZnTe的能带和电子态密度, 得到了不同体系下系统总能和晶格常数. 研究表明, 稀土Y和Gd掺杂后ZnTe结构的稳定性均提高, 掺杂Y使ZnTe与CdTe的晶格匹配更好. 计算表明, 掺杂可使载流子发生简并, 掺Y比掺Gd电子有效质量小, 掺Y与掺Gd的载流子浓度数量级相同. 根据计算结果分析了稀土掺杂对ZnTe背接触层的影响.
2012, 61 (1): 017201.
doi: 10.7498/aps.61.017201
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采用电声脉冲测量技术研究了直流电场下低密度聚乙烯材料的电荷入陷和脱陷特征. 发现在不同电场周期下样品的电荷衰减呈现不同的特征, 为此提出了一个简单的基于两陷阱水平的入陷和脱陷模型, 并计算了相应的参数, 如陷阱能级和密度. 确定了不含任何添加剂的低密度聚乙烯样品中存在的两种水平的陷阱能级分别为: 较浅陷阱能级0.770.81 eV 对应的浅陷阱电荷密度为(1.1681.553) 1019 m-3; 较深陷阱能级0.961.01 eV 对应的深陷阱电荷密度为(1.1944.615) 1018 m-3. 最后初步验证了材料的深陷阱能级和对应的深陷阱电荷密度随老化而增加, 可考虑将模型中的两能级陷阱参数作为老化诊断特征参量.
2012, 61 (1): 017202.
doi: 10.7498/aps.61.017202
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运用密度泛函平面波赝势方法和广义梯度近似, 对替代式掺杂Ag和Zn的闪锌矿CdS的超晶胞晶体结构、电子结构和光学性质进行了计算, 分析了其电子态分布与结构的关系,给出了掺杂前后CdS体系的介电函数和复折射率函数. 研究表明,掺有Ag的CdS晶体空穴浓度增大,会明显提高材料的电导率, 而Zn掺杂不改变CdS晶体载流子浓度; Ag, Zn掺杂体系光学带隙均变窄; 通过分析掺杂前后CdS晶体的介电函数和复折射率函数,解释了体系的发光机理.
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2012, 61 (1): 017501.
doi: 10.7498/aps.61.017501
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采用直流磁控溅射方法在玻璃基底上制备了不同Fe掺杂浓度的TiO2薄膜, 并对其晶体结构和磁特性进行了研究.在所有掺杂样品中,均观察到了室温铁磁性, 磁性源于Fe离子与其近邻空间分布的空穴相互作用. 在掺杂量为7%的锐钛矿相薄膜中观察到了最大的磁化强度. 随着Fe掺杂浓度的进一步增加, TiO2的晶体结构逐渐由锐钛矿相向金红石相转变,并且磁性减弱. 不同结构的TiO2中TiO键长不同,导致替代的磁性Fe离子与空穴的作用强度发生改变, 进而使其磁性发生变化.
2012, 61 (1): 017701.
doi: 10.7498/aps.61.017701
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对邻苯二甲酸二甲酯(dimethyl phthalate)、邻苯二甲酸二乙酯(diethyl phthalate)、邻苯二甲酸二丁酯(dibutyl phthalate)和邻苯二甲酸二异辛酯 (dioctyl phthalate)系列材料中, -弛豫的降温介电谱进行了测量, 得出了相应材料-弛豫的平均弛豫时间a 随温度T的变化关系. 通过a 的实验结果与经验的Vogel-Fulcher-Tammann)定律a = 0 exp (A/(T-T0))的拟合, 获得了上述系列材料的0, A和T0. 分析发现, 随邻苯二甲酸二甲酯系列分子侧链中碳原子数目n的变化, 材料的0, A, T0 和Tg 表现出一定的规律性, 具体为随n的增加, 即分子内部自由度的增多, A和Tg 都表现出近乎相同的先减后再增的趋势, 而1/0 和T0 则表现出基本相同的先快速减小, 然后保持基本上不变的趋势.
2012, 61 (1): 017702.
doi: 10.7498/aps.61.017702
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利用分子束外延系统在Si (001) 衬底上制备了单晶Tm2O3薄膜, 利用X射线光电子能谱研究了Tm2O3相对于Si的能带偏移. 得出Tm2O3相对于Si的价带和导带偏移分别为3.1 eV 0.2 eV和1.9 eV 0.3 eV, 并得出了Tm2O3的禁带宽度为6.1 eV 0.2 eV. 研究结果表明Tm2O3是一种很有前途的高k栅介质候选材料.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2012, 61 (1): 018101.
doi: 10.7498/aps.61.018101
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为提高微晶硅薄膜的纵向结晶性能, 在甚高频等离子体增强化学气相沉积技术的基础上, 采用过渡参数缓变和两步法相结合的方法在普通玻璃衬底上高速沉积薄膜. 当功率密度为2.1 W/cm2, 硅烷浓度在6%和9.6%之间变化时, 从薄膜方向和玻璃方向测算的Raman晶化率的差异维持在2%以内. 硅烷浓度为9.6%时, 薄膜沉积速率可达3.43 nm/s, 从薄膜方向和玻璃方向测算的Raman晶化率分别为50%和48%, 差异的相对值仅为4.0%. 合理控制过渡阶段的参数变化, 可使两个方向的Raman晶化率差值下降到一个百分点. 表明采用新方法制备薄膜, 不仅可以抑制非晶孵化层的形成, 改善微晶硅薄膜的纵向结构, 还为制备优质薄膜提供了较宽的参数变化空间.
2012, 61 (1): 018401.
doi: 10.7498/aps.61.018401
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针对全极化微波辐射计精确探测的需求, 研究了辐射计姿态对于观测亮温的影响以及亮温误差校正. 建立了姿态偏移与观测入射角以及极化旋转角的关系, 模拟了观测亮温随观测入射角以及极化旋转角波动的变化; 仿真了姿态偏移情况下的辐射计原始观测亮温；运用一种基于辐射传输模型的姿态补偿方法, 以垂直极化亮温和第三Stokes参数亮温为例, 对原始观测亮温展开误差校正. 研究显示, 该方法能够有效去除辐射计姿态偏移对观测亮温造成的影响, 校正结果满足辐射计数据预处理的误差精度要求.
2012, 61 (1): 018501.
doi: 10.7498/aps.61.018501
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提出了一种基于微观晶粒尺寸分布的Cu互连电迁移失效寿命模型. 结合透射电子显微镜和统计失效分析技术, 研究了Cu互连电迁移失效尺寸缩小和临界长度效应及其物理机制. 研究表明, 当互连线宽度减小, 其平均晶粒尺寸下降并导致互连电迁移寿命降低. 小于临界长度的互连线无法提供足够的空位使得铜晶粒耗尽而发生失效. 当互连长度大于该临界长度时, 在整个电迁移测试时间内, 部分体积较小的阴极端铜晶粒出现耗尽情况. 随着互连长度的增加该失效比例迅速增大, 电迁移失效寿命减小. 当互连长度远大于扩散长度时, 失效时间主要取决于铜晶粒的尺寸, 且失效寿命和比例随晶粒尺寸变化呈现饱和的波动状态.
2012, 61 (1): 018502.
doi: 10.7498/aps.61.018502
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研制了一种GaAs基波长可调谐共振腔增强型探测器. 采用分子束外延设备生长In0.25Ga0.75As/GaAs量子阱作为器件的有源区, 无偏压时器件的响应峰波长在1071 nm,器件在21 V的直流调谐电压下,实现了波长大于23 nm的调谐. 统计结果表明,当调谐电压大于5 V时,调谐电压与响应波长之间具有稳定、精确的对应关系, 且近似线性调谐,同时对器件响应峰的特性进行了理论分析.
2012, 61 (1): 018503.
doi: 10.7498/aps.61.018503
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采用等离子体增强化学气相沉积高低频交替生长法生长了SiO2/Si3N4透明介质分布式Bragg反射镜(DDBR), 提出了对DDBR采用干、湿法并用的腐蚀方法. 采用传输矩阵法理论分析了DDBR, 得出了为满足出光增益要求的反射率和DDBR结构. 使用光致发光(PL)谱仪测量分析了DDBR反射谱和光致发光谱, 获得了使光致发光谱辐射增强的DDBR结构, 在整个光致发光谱380780 nm波段, 整体辐射增强1.058倍, 在谐振波长处辐射增强1.5倍, 半峰全宽值由23 nm变窄为10.5 nm, 获得了很好的光谱纯度. 利用最优DDBR结构制成了高性能共振腔发光二极管器件, 与普通结构相比, 实现了低开启电压1.78 V; 在20 mA注入电流下, 轴向光强提高了20%, 光功率和光效分别提高了27.7%和26.8%, 光功率衰减缓慢; 在0100 mA注入电流下, 没有明显的下降趋势, 表现出了良好的温度稳定性.
2012, 61 (1): 018701.
doi: 10.7498/aps.61.018701
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利用相干X射线衍射成像过采样采集样品的远场相干衍射图样, 结合相位重建迭代算法重建物空间样品信息. 三维重建过程中, 边界约束条件是相位重建算法中最为关键的部分. 本文采用数字模拟的方法, 利用灰度值图像作为物空间的样品, 研究并实现了边界条件的自动寻找, 重建结果显示比以往采用较松的边界约束更为精确. 利用噪声模拟方法, 研究了衍射图样中不同噪声类型的滤除对重建结果的影响. 研究发现传统的去噪方法在高噪声情况下不能直接应用于相干X射线衍射成像, 并找到了适用于相干X射线衍射成像噪声滤除的有效方法. 研究表明, 此方法能非常有效地降低噪声对重建结果的影响. 利用模拟三维纳米金颗粒作为样品, 完成了对纳米金颗粒中电子密度分布的三维重建, 在有随机噪声的影响下, 也得到了很好的重建结果, 并找到了成功实现三维重建的噪声限为信噪比不低于27.
2012, 61 (1): 018801.
doi: 10.7498/aps.61.018801
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基于改进的悬浮球模型,计算了碳纳米管和衬底间的接触电阻存在时碳纳米管顶端的局域电场, 并结合Fowler-Nordheim (F-N)场发射规律研究了接触电阻对碳纳米管场发射的影响.研究表明,接触电阻的存在,在高电场区域接触电阻抑制了碳纳米管的电子场发射,导致在高电场区域出现电流饱和及FN直线偏折现象.其原因可归结为接触电阻使得在碳纳米管顶端的局域电场相对于没有接触电阻时相对地减少.
地球物理学、天文学和天体物理学
2012, 61 (1): 019701.
doi: 10.7498/aps.61.019701
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研制了用于脉冲星导航的X射线光子计数探测器原理样机, 该探测器主要由对X射线灵敏度较高的CsI光电阴极、微通道板电子倍增器和收集阳极组成. 对X射线光子计数探测器灵敏度、时间分辨率和整个系统的死时间进行了测试, 实验结果表明该探测器的灵敏度在5 keV时可达5.2× 103 A/W, 时间分辨率可达到1.1 ns, 系统整体的死时间为100 ns.
