Vol. 61, No. 13 (2012)
2012年07月05日
总论
2012, 61 (13): 130201.
doi: 10.7498/aps.61.130201
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本文推导了包层为单轴各向异性晶体的光纤理想正规模特征方程, 应用中值定理, 结合Matlab的数值求解, 提出了这一超越方程的一种求解算法, 并在此基础上, 对包层为单轴各向异性材料的光纤Bragg光栅的反射谱与包层折射率关系进行了模拟分析. 模拟结果表明, kcl 对反射谱有很大的影响, 不同的kcl 可以导致不同的光栅反射率和Bragg波长.
2012, 61 (13): 130202.
doi: 10.7498/aps.61.130202
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辅助方程法已构造了非线性发展方程的有限多个新精确解. 本文为了构造非线性发展方程的无穷序列类孤子精确解, 分析总结了辅助方程法的构造性和机械化性特点. 在此基础上,给出了一种辅助方程的新解与Riccati方程之间的拟Bcklund变换. 选择了非线性发展方程的两种形式解,借助符号计算系统 Mathematica,用改进的(2+1) 维色散水波系统为应用实例,构造了该方程的无穷序列类孤子新精确解. 这些解包括无穷序列光滑类孤子解, 紧孤立子解和尖峰类孤立子解.
2012, 61 (13): 130401.
doi: 10.7498/aps.61.130401
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采用约化摄动法, 得到描述无磁场等离子体中离子声波传播的modified Kadomtsev- Petviashvili(mKP) 方程, 构造有限差分格式对mKP方程的一类特殊孤立波解的稳定性进行数值研究. 数值结果表明: 在两种特殊情形的初始扰动下, 该孤立波均不稳定.
2012, 61 (13): 130501.
doi: 10.7498/aps.61.130501
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在二维Frenkel-Kontorova模型中, 为了更好地模拟真实的物理系统, 采用高斯波的平移叠加作为基底, 运用分子动力学模拟方法, 讨论了有相互作用的原子平面在公度、 不公度两种情况下, 原子在无序基底上运动的摩擦机理, 以及基底的无序对静摩擦力Fs 的影响.
2012, 61 (13): 130502.
doi: 10.7498/aps.61.130502
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研究了乘性非高斯噪声和加性高斯白噪声共同激励下FitzHugh-Nagumo(FHN) 神经元系统的随机共振问题. 利用路径积分法和两态模型理论, 推导出系统信噪比的表达式. 研究结果表明: 系统参数在不同的取值条件下, FHN神经元模型出现了随机共振和双重随机共振现象. 此外, 非高斯参数q在不同的取值条件下, 乘性噪声强度和加性噪声强度对信噪比的影响是不同的. 非高斯噪声的加入有利于增强FHN神经元系统的信号响应.
2012, 61 (13): 130503.
doi: 10.7498/aps.61.130503
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针对乘性二次噪声和加性周期调制噪声联合驱动的线性过阻尼振子, 利用随机平均法推导了系统响应的一阶、 二阶稳态矩以及稳态响应振幅和方差的解析表达式. 理论分析和仿真实验均表明这类系统具有比传统的由线性噪声驱动的线性系统更丰富的动力学特性; 当二次噪声的系数满足一定条件时, 系统稳态响应的振幅及方差均存在广义随机共振现象.
2012, 61 (13): 130504.
doi: 10.7498/aps.61.130504
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在电力电子电路中, H桥逆变器是一类基本的非线性电路拓扑, 在工作过程中, 由于电路属于时变参数系统, 使得其中很容易产生时间域上的快标不稳定现象, 斜坡补偿是一种简单而有效的方法, 可以很好地削弱这种不稳定现象.在一般电路应用中, 斜坡补偿主要依赖于经验设计, 缺乏必要的设计准则.本文将从非线性系统的分叉控制理论出发, 对峰值电流模式控制H桥逆变器中的斜坡补偿进行详细地分析和研究, 给出了斜坡信号补偿幅度的理论要求.分析计算结果和大量的精确仿真结果是一致的, 电路在稳定工作的同时, 各项性能指标也获得了极大的改善.该分析方法同样适用于其他电力电子电路的稳定性分析.
编辑推荐
2012, 61 (13): 130505.
doi: 10.7498/aps.61.130505
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提出了KLD系数和归一化KLD系数来刻画多维序列的相关结构, 以解决KLD维密度固有的局限性. 利用完全相关和完全不相关的多维序列, 导出KLD维密度的上界和下界函数, 进而导出KLD系数的上界和下界, 在此基础上提出归一化KLD系数. 解析分析和数值仿真都证明, 多维序列相关结构的变化会引起归一化KLD系数线性的变化. 数值仿真还证明, 即使多维序列中仅有其中的两个时间序列的相关结构发生改变, 归一化KLD系数仍能灵敏地检测到. 不仅如此, 归一化KLD系数还可用于非平稳时间序列的分析. 耦合映象格子的数值仿真结果表明, 归一化KLD系数还能够分析非线性系统的相关结构.
2012, 61 (13): 130506.
doi: 10.7498/aps.61.130506
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以双层耦合复金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)方程系统为时空模型, 研究了其中的模螺旋波, 讨论了这种特殊波动现象的稳定条件和相关影响因素. 模螺旋波与该类时空系统中常见的相螺旋波相比, 其中心不存在缺陷点, 同时仅在其变量的振幅部分(而非相位部分) 表现为螺旋结构. 本文通过数值方法研究了耦合复金兹堡-朗道方程中产生模螺旋波所需要的初始和参数条件.研究表明, 当双层耦合系统的初始斑图之间的差距较大时, 才能够产生模螺旋波; 同时观察到系统在参数不匹配的条件下会发生相螺旋波向模螺旋波的转变.通过对同步函数的计算, 发现该转变过程具有非连续性.
2012, 61 (13): 130507.
doi: 10.7498/aps.61.130507
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为了准确分析混沌序列的复杂性, 采用模糊熵算法(FuzzyEn) 对典型离散混沌系统和连续混沌系统的复杂度进行分析. 与近似熵(ApEn)、 样本熵(SampEn) 和强度统计复杂度算法相比, FuzzyEn算法是一种更有效的混沌复杂度测度算法, 且对相空间维数(m)、 相似容限度(r) 和序列长度(N) 的敏感性、 依赖性更低, 鲁棒性和测度值的连续性更好. 对混沌系统的复杂性分析表明, 连续混沌系统的复杂度远小于离散混沌系统, 但是如果利用高复杂度的离散混沌伪随机序列或经典 m序列对连续混沌系统产生的伪随机序列进行扰动, 则能大大提高混沌序列的复杂性. 为混沌序列在密码学和混沌保密通信中的应用提供了理论依据.
2012, 61 (13): 130508.
doi: 10.7498/aps.61.130508
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提出了一种基于混沌加密算法和传统加密算法的混沌加密系统, 并采用FPGA技术进行了硬件开发. 根据离散化和数字化技术, 将Henon映射和Logistic映射作离散化处理, 采用Verilog HDL语言和FPGA技术产生迭代序列, 结合传统加密算法, 基于Xilinx的FPGA开发平台进行了硬件实验研究, 并给出了该系统通过互联网上实现了文件加密和解密的通信实验, 结果显示具有网络通信的应用潜力.
2012, 61 (13): 130509.
doi: 10.7498/aps.61.130509
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行人初始位置布局不平衡的多安全出口疏散过程, 是行人疏散流仿真研究的热点. 利用行人流动态参数仿真模型, 在实际距离和假想距离极大极小路径选择机理的基础上, 改进假想距离的计算方法及其拥堵计算区域, 实现疏散过程的动态平衡; 提出行人位置布局的不平衡系数, 以描述疏散空间内行人初始位置布局的不平衡性. 从行人初始位置随机和固定布局的角度, 仿真研究正常疏散环境下行人布局的不平衡性对疏散时间的影响, 并将仿真结果与原始模型做对比分析. 研究表明, 模型能有效地实现行人流疏散过程的动态平衡, 行人疏散时间受行人位置或安全出口布局的影响较小, 而与安全出口总宽度、 行人的初始数量以及拥堵感知系数有关.
2012, 61 (13): 130510.
doi: 10.7498/aps.61.130510
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基于EAM原子嵌入势, 对临界尺寸下的自由Pt纳米线的奇异结构和熔化行为进行分子动力学模拟. 模拟结果显示, 超细Pt纳米线的熔点随径向尺寸和结构的不同而发生明显改变; 引入林德曼因子, 令其临界值为0.03, 以此得到对应熔点值大小与通过势能-温度变化曲线找出的一致, 又比较了纳米线各层粒子平均林德曼指数的大小, 对各层纳米结构的热稳定性进行定量标度; 综合分析发现螺旋结构纳米线的熔化从内核开始, 而多边形结构的纳米线的熔化从外壳层开始.
原子和分子物理学
2012, 61 (13): 133101.
doi: 10.7498/aps.61.133101
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掺硅类金刚石(Si-DLC) 薄膜表现出优异的摩擦学性能, 在潮湿空气和高温中显示出极低的摩擦系数和很好的耐磨性, 但是许多实验表明Si-DLC膜的摩擦性能受其硅含量的影响很大. 因此, 本文采用分子动力学模拟的方法分别研究干摩擦和油润滑两种情况下不同硅含量的Si-DLC膜的摩擦过程. 滑移结果表明干摩擦时DLC膜和掺硅DLC膜之间生成了一层转移膜, 而油润滑时则为边界膜. 因此干摩擦时的摩擦力明显大于油润滑时的摩擦力. 少量添加硅确实能降低DLC膜的摩擦力, 但是硅含量大于20%后对DLC膜的摩擦行为几乎无影响. 干摩擦时硅含量对转移膜内键的数量影响很大, 转移膜内CC键和CSi键都先增加后减少, 滑移结束时几乎不含CSi键.
2012, 61 (13): 133201.
doi: 10.7498/aps.61.133201
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本文采用三维半经典再散射模型系统地研究了 He 原子在 光强从域下到近序列双电离区强场作用下的非序列双电离问题, 统计了各种场强下最终电离的两个电子正负关联的几率之比, 发现发生最大正关联的场强处于向非序列 双电离饱和区过渡的区域, 并在关联纵向动量谱中展示了形成最大关联度的过程. 最后通过轨道"回溯"分析, 进一步研究了其背后的物理机理, 发现在碰撞后其中一个电子再散射和隧穿电子高速弱碰撞分别 是低场强和高场强下负关联比例增加的原因.
2012, 61 (13): 133301.
doi: 10.7498/aps.61.133301
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对于使用实验数据作为原数据进行的数值计算, 由于实验误差的普遍存在, 在数值计算过程中可能存在对实验误差的放大效应, 使得微小的实验误差对数值计算的结果产生明显影响. 因此本文通过在AM (algebraic method) 方法中加入用以抵消实验误差的微小变分项δE, 从而将AM改进为节点变分的代数方法VAM (variational algebraic method). 该方法具有更广泛的适用范围, 尤其对处理那些实验数据较少、 误差较大、 已知的实验振动能级远离体系离解能的双原子体系效果明显. 本文利用VAM方法研究了AM方法难以处理的51Πu7Li2, (6d)1Δg Na2, (7d)1ΔgNa2 和51∑+ NaK 等不同碱金属双原子分子的完全振动能谱与离解能, 不但得到了与实验数据精确相符的理论结果, 还正确地预言了许多由于实验条件与技术原因而未能测得的物理数据. 充分表明了VAM 方法的可行性与正确性. 此处对数值误差的分析和物理思考对其他精确的数值计算 或数值模拟研究也有积极的参考意义.
2012, 61 (13): 133401.
doi: 10.7498/aps.61.133401
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用BBK模型和修正后的BBK模型, 计算了入射能为15.6 eV, 17.6 eV, 25 eV, 40 eV的电子入射电离氢原子的二重微分散射截面. 本文把计算结果与测量的实验结果进行比较, 分析了截面的结构, 系统研究了交换效应对截面的贡献.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2012, 61 (13): 134101.
doi: 10.7498/aps.61.134101
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设计了三种类型吸波体, 分别为基于正方形金属贴片(square metal patch, SMP) 结构超材料吸波体、 电阻型频率选择表面(Resistance Frequency Selective Surface, RFSS) 吸波体和SMP与RFSS的复合结构吸波体. 采用FDTD算法分别对这三种类型吸波体的电磁波吸收特性进行数值模拟分析. 模拟得到的结果表明: 在整个230 GHz频率范围内, SMP吸波体, 通过几何参数的设计可以实现多频窄带强吸收; RFSS吸波体, 通过方块电阻的设计可以实现高频宽带强吸收, 但强吸收的带宽有限; SMP与RFSS的复合结构吸波体, 在325 GHz之间吸收率大于90%以上, 且宽频范围内与自由空间具有较好的阻抗匹配特性.
2012, 61 (13): 134102.
doi: 10.7498/aps.61.134102
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基于电阻型频率选择表面(Resistance Frequency Selective Surface, RFSS) 设计了一种低频宽带、 极化不敏感和宽入射角特性的超材料吸波体. 该吸波体的基本单元由开槽十字型平面超材料(Cave Cross Planar Metamaterial, CCPM)、 RFSS、 电介质基板和金属背板组成. 采用FDTD方法数值模拟得到的结果表明: 相比于单纯的CCPM吸波体、 RFSS吸波体, CCPM和RFSS复合结构吸波体低频吸收特性得到极大改善, 在整个15 GHz频率范围内, 吸收率大于80%, 吸收峰值达到98%以上. 数值模拟得到的不同极化角和不同入射角下的吸收率表明: 该复合结构吸波体具有极化不敏感和宽角度吸收特性.
2012, 61 (13): 134103.
doi: 10.7498/aps.61.134103
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研究了非线性传输线电路禁带内能量的不对称传输现象. 传输线电路中的两子电路结构相同,电感参数不同,并且具有低通滤波器的特点. 鉴于驱动频率在通频带的截止频率之上,所以形成不对称能流的载体为 禁带内传播的非线性波.该研究中,产生不对称能量传输的机理与非线性超传导现象密切相关. 通过调整耦合电感的大小,总结出传输能量与耦合强度之间的变化规律. 同时也采用仿真的方式分析了驱动电压幅值与传输能量间的相关性. 最后,通过在实验上改变驱动频率的大小,得到超传导发生时的门限电压与驱动频率间的依赖关系, 该关系与理论计算的结果完全定性一致.
2012, 61 (13): 134104.
doi: 10.7498/aps.61.134104
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基于Bethe小孔耦合理论和腔内电磁场的本征模展开, 建立了平面波照射下开孔矩形腔体电磁场分布的近似解析模型. 该模型物理意义清晰, 可以考虑开孔的形状、 尺寸、 个数及位置和入射波的传播与极化方向等参数的影响. 该模型的计算结果优于传统的等效电路方法, 与实验结果的一致性更好. 计算分析了相关因素对电磁屏蔽效能的影响规律, 所得结果对电磁屏蔽腔体的设计有指导意义.
2012, 61 (13): 134201.
doi: 10.7498/aps.61.134201
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部分偏振光传播时的光强和偏振态变化情况比较复杂, 尤其是当大数值孔径成像时, 光束的偏振态还会影响成像质量. 本文提出一种用于分析部分偏振光能量传递和偏振态的光线椭圆方法, 采用光线椭圆叠加的办法来分析光束在各向同性的均匀介质中传输时能量和偏振态的变化情况, 同时直观性好, 计算量小. 论文最后, 对大数值孔径、 高像质的齐明透镜系统讨论了入射无偏振光的能量、 偏振态变化, 以及偏振效应问题. 结果表明, 大数值孔径使成像光束中TM偏振光强度相对增加, 影响成像对比度; 提高像方介质的折射率, 会改善此种偏振效应问题.
2012, 61 (13): 134202.
doi: 10.7498/aps.61.134202
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利用矢量菲涅尔衍射积分公式, 以高斯涡旋光束为例, 推导出傍轴高斯涡旋光束在自由空间传输过程中电场分量和磁场分量的解析表达式, 详细研究了自由空间中电场和磁场的偏振奇点变化规律. 结果表明, 高斯涡旋光束在自由空间传输中, 存在二维和三维电场和磁场的偏振奇点, 其位置一般不重合. 改变光束束腰宽度比、 振幅比以及传输距离, 偏振奇点出现移动. 在二维电场和磁场中, 当满足一定条件时, 会有V点产生.
2012, 61 (13): 134203.
doi: 10.7498/aps.61.134203
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将来自物体的散射光视为物体表面相位随机取值的大量点源发出光波的叠加, 对数字全息重建像及离焦像的衍射场进行研究. 基于重建像以像素为单位显示的特点, 对焦深作出新的定义, 然后, 根据重建像的像素物理尺寸与计算方法相关的特点, 推导出不同重建算法重建图像的焦深表达式, 最后给出相关的实验证明.
2012, 61 (13): 134204.
doi: 10.7498/aps.61.134204
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基于电磁感应透明技术, 通过求解原子的密度矩阵方程和电磁场的传输矩阵方程, 研究了被行波场和驻波场共同耦合的一个四能级冷原子介质的稳态光学特性, 发现在特定参数下能够产生一个几乎完美的双光子带隙结构, 在这两个光子带隙对应的频率区域内反射率都均匀地超过95%. 通过改变耦合场的强度和频率, 可以方便地调节这两个光子带隙的位置和宽度. 这一双光子带隙结构可用来实现全光路由和全光开关, 有望在全光信息网络中获得应用.
2012, 61 (13): 134205.
doi: 10.7498/aps.61.134205
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自行研制了基于掺Er光纤飞秒激光器的光学频率梳并实现了重复频率 fr信号和载波包络偏移频率(Carrier-envelope offset, fo) 信号的精密锁定, 锁定后的 fr信号和 fo 信号的频率抖动量的标准偏差分别为0.515 mHz和93.13 mHz.
2012, 61 (13): 134206.
doi: 10.7498/aps.61.134206
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推导了光子晶体光纤中声波微小位移波动方程; 研究了泵浦波长以及纤芯折射率对声波模式的影响; 应用石英圆柱模型研究了小芯径光子晶体光纤中纤芯直径对布里渊声波模式色散的影响. 结果表明在光子晶体光纤中, 纵向声波和横向声波共同作用产生质点声场, 两者相互耦合将产生混合声波模式; 可以通过改变泵浦波长或光子晶体光纤纤芯折射率来改变参与布里渊散射(BS) 过程的声波模式的传播常数; 随着光子晶体光纤(PCF) 纤芯直径的增大, 声波模式耦合程度得到加强, 相速度呈减小趋势, 且同一传播常数下, 声波模式数呈增多趋势; 随着泵浦波频率的增大, 声波相速度减小.
2012, 61 (13): 134207.
doi: 10.7498/aps.61.134207
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基于分步束传播法数值分析了离散空间光孤子在准一维光诱 导光子晶格中的相干与非相干相互作用过程. 结果表明: 对于相干孤子, 同相时相互吸引, 反相时相互排斥. 然而, 由于非线性响应的各向异性, 横向排布的非相干孤子会因间隔波导数目的增加而由相互吸引变为相互排斥. 并且, 沿对角方向排布的两个非相干孤子在孤子相 互作用力和布拉格反射的共同影响下, 会呈现出"钟摆式"振荡传输现象. 研究结果有助于进一步理解非线性各向异性对离散孤子相互作用的影响机制, 并为后续实验研究提供理论参考.
2012, 61 (13): 134208.
doi: 10.7498/aps.61.134208
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本文提出一种新型函数光子晶体, 其折射率是空间位置函数. 由费马原理, 我们给出光在一维、 二维和三维函数光子晶体中的运动方程, 以及一维函数光子晶体的色散关系、 带隙结构和透射率, 再利用传输矩阵理论研究函数光子晶体周期数、 入射角和介质层的厚度等对透射率和禁带结构的影响, 计算发现通过选择不同的折射率空间分布函数, 可以得到比传统光子晶体更宽或更窄的禁带结构. 这样为我们设计不同带隙结构的光子晶体提供理论依据.
2012, 61 (13): 134209.
doi: 10.7498/aps.61.134209
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设计了基于宽度抛物线型和孔径渐变的一维(1-D)光子晶体 (PhC)纳米梁腔.通过FDTD的计算模拟, 设计的这种纳米梁腔可以实现超高Q值1.8× 107, 同时拥有超小模体积V～ 0.04(λ/n)3, 在继承抛物线型和渐变孔径型纳米梁腔高Q的基础上,进一步降低了模体积V. 我们设计的这种腔具有紧凑, 低制造工艺要求以及高Q/V 值等优点,在未来应有广泛应用.
2012, 61 (13): 134210.
doi: 10.7498/aps.61.134210
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基于传输线加载集总元件的方法制备光量子阱. 对阱内物质为光子晶体和左手材料两种情况下的传输特性进行比对. 结果表明局域模个数与阱内物质的周期数相同; 左手材料情况下光量子阱具有尺度小、 便于调节的优点.实验结果与理论结果相符合.
2012, 61 (13): 134301.
doi: 10.7498/aps.61.134301
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将颗粒介质看成是等效均匀介质, 其中的声衰减系数和声速等于该颗粒介质中的相应的量值(它们可由作者的理论给出), 等效静态密度可以用二元混合规则求得. 此外, 根据浓颗粒介质中相互作用的声传播理论, 当入射波为平面波时, 相互作用的次级波仍然是平面波. 在这样的情况下, 可以将三维非线性方程组简化为一维情况, 从而算得浓颗粒介质中的粘滞系数, 结果表明, 颗粒介质中的粘滞系数不仅依赖于颗粒的体积分数而且还与频率有关. 根据推导过程可知, 对比于爱因斯坦理论所能应用的限制, 本文的结果可以更广泛地应用于实际介质.
2012, 61 (13): 134302.
doi: 10.7498/aps.61.134302
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采用单轴式声悬浮方法研究了黏度 =0.9475.65 mPas的甘油-水溶液液滴的扇谐振荡规律. 发现一定阶数的振荡模式存在一定的临界黏度c, 只有当 c时, 该阶扇谐振荡才能被激发. 实验测定了声场调制幅度 = 0.23 时, l =29 阶扇谐振荡的临界黏度, 发现ln c与l近似呈线性递减关系. 采用参数共振理论分析了黏性液滴的扇谐振荡过程, 发现激发扇谐振荡的液滴赤道半径扰动阈值hc正比于液滴黏度, 并随l增大而增大, 因此扇谐振荡难以在高黏度和高阶模式下发生. 实验还发现, 各阶扇谐振荡的振幅和共振频率宽度随液滴黏度增大而减小, 黏度对液滴本征频率无明显影响.
2012, 61 (13): 134303.
doi: 10.7498/aps.61.134303
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基于多层复合材料结构的二维声隐身斗篷设计思想, 利用主动隔膜声学空腔有效密度可以任意控制这一特性, 设计了主动声学超材料下的无限长圆柱声隐身斗篷. 给出了主动隔膜声学空腔单元的声电元件类比模拟电路图和具体的有效密度控制方法. 进行了主动声学超材料声隐身斗篷的结构建模, 并对平面入射波入射下此圆柱隐身斗篷周围声压分布场进行仿真计算. 结果表明, 平面波在一定频率范围内可以毫无阻碍地透过圆柱斗篷, 似乎不存在这种障碍物, 达到声隐身效果. 同时, 计算了主动声材料斗篷下总散射截面随频率变化曲线, 研究了此斗篷隐身效果随频率的变化特性. 本文从主动控制角度探讨实验实现隐身斗篷的技术问题, 有望给声隐身斗篷实验设计提供一条新的技术途径.
2012, 61 (13): 134304.
doi: 10.7498/aps.61.134304
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研究早期诊断骨疲劳的方法是当前骨质评价方面的研究热点之一. 本文对不同弹性模量下长骨中超声导波的传播特性进行了理论分析和仿真研究.首先, 通过数值计算得到导波在管状长骨中的理论解析解.然后对管状长骨进行了时域有限差分(FDTD) 仿真, 并验证了它与理论解析解的一致性, 同时得到长骨中不同模式导波群速度、 中心频率和衰减与弹性模量的关系.研究结果表明各个导波模式的群速度和中心频率均随弹性模量的增加而增加, 而衰减随弹性模量的增加而减小.说明超声导波的传播特性参量可以反映长骨弹性模量的变化, 从而为长骨的早期疲劳诊断提供理论依据.
2012, 61 (13): 134305.
doi: 10.7498/aps.61.134305
摘要 +
降频助听算法是改善听障患者声音辨识能力的最安全有效的方法. 本文以主观测试实验为手段, 通过分析当前算法的声音识别能力的不足, 提出一种自适应慢放降频算法. 算法结合慢放算法和频移算法的优点, 并能根据信号的频谱结构, 自适应调整慢放因子, 降低时域不同步性. 并且, 通过分析含噪信号和噪声信号的频谱关系, 提出一种噪声下的慢放因子评估方法. 实验结果显示, 同其他降频算法相比, 该算法可以提高15%到20%的识别率. 在对听障患者的测试中, 同传统的助听设备相比, 平均识别率也获得显著改善.
2012, 61 (13): 134401.
doi: 10.7498/aps.61.134401
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基区Ge组分的加入可以改善SiGe HBT的直流特性、 频率特性和噪声特性, 但Ge组分及其分布对HBT热学特性的影响报道还很少. 本文利用SILVACO半导体器件仿真工具, 建立了多指SiGe HBT模型, 对基区具有不同Ge组分梯度结构的SiGe HBTs的热学特性和电学特性的热稳定性进行了研究. 研究发现, 在Ge组分总量一定的条件下, 随着Ge组分梯度的增大, 器件的特征频率明显提高, 增益和特征频率fT随温度变化变弱, 器件温度分布的均匀性变好, 但增益变小; 而基区均匀Ge组分(Ge组分梯度为零) 的HBT的增益较大, 但随温度的变化较大, 器件温度分布的均匀性也较差. 在此基础上, 将基区Ge组分均匀分布和Ge组分缓变分布相结合, 提出了兼顾器件热学特性、 增益特性和频率特性的新型基区Ge组分分布- 分段分布结构. 结果表明, 相比于基区Ge组分均匀分布的器件, 新器件温度明显降低; 和fT保持了较高的值, 且随温度的变化也较小, 显示了新结构器件的优越性. 这些结果对HBT的热学设计具有重要的参考意义, 是对SiGe HBT性能研究的一个补充.
2012, 61 (13): 134402.
doi: 10.7498/aps.61.134402
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随着微电子器件尺寸的减小、 工作频率的提高, 金属薄膜中电子与声子将处于非平衡状态, 这将导致微电子器件的热阻增大. 为准确地对这些微电子器件进行热管理, 电子-声子耦合系数的测量变得越来越重要. 本文采用飞秒激光抽运-探测热 反射法研究了不同厚度的金属纳米薄膜的非平衡传热过程. 通过抛物两步模型对实验数据进行拟合, 在拟合过程中引入电子温度与声子温度对反射率影响的比例关系, 从而优化了拟合结果. 通过对不同厚度的Ni膜与Al膜的电子-声子耦合系数的研究, 表明金属薄膜中的电子-声子耦合系数并不随薄膜厚度的改变发生变化. 实验结果还验证了探测光的反射率同时受到电子温度和声子温度的影响, 并通过数据分析量化了电子温度和声子温度对反射率的影响系数.
2012, 61 (13): 134501.
doi: 10.7498/aps.61.134501
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本文通过实验和理论研究了影响"巴西果"分离的因素及其物理机理. 分析了振动加速度、大小颗粒尺寸和密度对分离时间的影响, 并利用流体模型对分离时间作估算, 对实验结果进行定性解释. 结果表明在振动频率固定时, 调节振动加速度是控制"巴西果"分离的一个主要手段. 振动加速度存在一个临界值, 当高于此临界值时, "巴西果"分离的主要物理机理由对流机理转变为几何填空机理, 且振动加速度对分离影响变小, 大颗粒尺寸对分离的影响增大. 可通过调节大颗粒的尺寸来改变分离效果. 当大、 小颗粒密度比为1时, 仍会出现"巴西果"分离现象. 增大小颗粒尺寸或密度可以促进"巴西果"分离.
2012, 61 (13): 134701.
doi: 10.7498/aps.61.134701
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针对入水空泡生成机理和发展过程, 以及影响入水空泡发展的复杂因素等开展入水试验研究. 通过垂直和倾斜两种方式入水试验研究, 分析了入水过程中的一系列流动现象, 以及空泡的生成、 发展和闭合, 同时通过对比试验结果得出了空泡闭合方式与入水速度之间的关系; 在此基础之上开展了多弹体入水试验, 分析了串列和并列入水时空泡的生成和相互之间的影响, 以及对运动体本身稳定性的影响.
2012, 61 (13): 134702.
doi: 10.7498/aps.61.134702
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温度分布在线实时测量对于燃烧过程优化和污染物控制具有重要意义, 针对以往非接触三维温度分布重建过程的耗时性问题和忽略壁面辐射的不足, 本文提出了一种新的离散重建模型, 用于三维吸收、 发射和散射性高温燃烧介质以及壁面温度的快速联合非接触测量. 该模型以四个CCD(Charge Coupled Device) 为测量传感器, 通过构建辐射逆问题求解方程, 从CCD输出的辐射投影图像重建温度分布. 介质中不同投影方向内的辐射传递过程通过离散传递法来描述, 介质的散射和壁面反射则通过离散坐标法来近似. 离散后计算局部辐射强度的病态方程通过最小二乘余量法来求解, 论文对其计算速度进行了优化. 通过非对称温度分布测量算例分析了该模型的有效性, 讨论了测量噪音、 介质和壁面辐射特性对重建精度的影响, 并与其他方法对比分析了模型的重建速度. 计算结果表明本文提出的离散模型可以有效地用于大型高温燃烧介质和壁面温度分布的联合非接触测量. 即使在有噪声的情况下, 该模型也能获得准确的测量结果, 与其他计算方法相比, 采用改进的最小二乘余量法, 能有效地提高温度分布的重建计算速度.
2012, 61 (13): 134703.
doi: 10.7498/aps.61.134703
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液膜马达作为一种新颖的实验装置在基础研究和技术应用方面都将会发挥着重要的作用, 深入研究各种条件下液膜马达的电致流动特征是非常有意义的. 本文从理论上研究了均匀恒定外电场中的液膜马达在方波电泳电场驱动下的动力学特征, 解析地给出了液膜转动的线速度随时空变化的规律. 理论结果表明, 液膜会随着电泳电场频率的增大由对称性往复转动逐渐转变为振动, 这不仅有助于从理论上认识液膜马达振动的物理根源, 也为在实际应用中设计液膜搅拌机提供了一种新思路.
气体、等离子体和放电物理
2012, 61 (13): 135201.
doi: 10.7498/aps.61.135201
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冲击波精密调速技术是惯性约束聚变研究的关键技术之一. 针对冲击波精密调速诊断技术的要求, 以神光III原型上脉宽为3 ns的两台阶整形激光脉冲为源, 用石英晶体做窗口材料, 模拟了双冲击在石英晶体中传输和追赶的过程. 利用两发典型双冲击波调速的实验数据, 验证了神光III原型具有的精密调速能力. 实验结果表明, 在驱动源、 靶和诊断系统参数一致的条件下, 两发实验获得的实验结果中两次冲击出现的时刻, 冲击波速度都很一致. 通过精细分析, 发现在两次冲击交会的时刻, 干涉条纹清晰度和完整性变化最大, 最终数据处理获得的冲击波速度偏差也最大. 同时, 在二次冲击的冲击波速度有较大增加的条件下, 并没有观察到冲击波阵面的反射率的明显增加. 本文的实验结果作为一个数据依据, 为全面开展冲击波调速实验提供了有效的方法.
2012, 61 (13): 135202.
doi: 10.7498/aps.61.135202
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表面等离激元是一种在金属与介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡, 具有近场增强和短波长等特性, 在纳米光子学的研究中扮演重要角色. 将表面等离激元的效应用于单光子源的制备, 不但可以有效减小器件的体积, 而且可以有效提高单光子的辐射和收集效率. 本文根据表面等离激元的珀赛尔系数与光子态密度的关系, 采用局域态密度计算的方法, 分析了不同金属材料的局域态密度及珀赛尔系数的特性. 通过计算比较, 选择银为最佳金属材料, 并在此基础上讨论了探测距离和电介质材料对局域态密度和珀赛尔系数的影响, 为基于表面等离子激元的单光子源制备提供重要参数.
2012, 61 (13): 135203.
doi: 10.7498/aps.61.135203
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本文理论计算了多峰离子源永磁体, 采用二体碰撞模型处理电子之间的库仑碰撞, 运用空碰撞方法处理电子与氢元素相关粒子碰撞, 开发了全三维粒子模拟-蒙特卡罗模拟算法, 并采用此软件对热门多峰离子源JET-60U的两种优化设计模型进行数值模拟研究, 探索了两种离子源空间分布特性和体积负氢离子产率相关问题, 提出了负氢离子源设计的基本思想: 适当调整离子源多峰磁场分布情况可以输出均匀离子束; 适当调整引出磁场大小和离子源结构, 可以达到离子束空间均匀性和高产率兼顾的效果.
2012, 61 (13): 135204.
doi: 10.7498/aps.61.135204
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利用激光驱动气库材料形成的等离子体射流对材料进行斜波加载, 可以获得高应变率的准等熵压缩. 在神光III 原型高功率激光装置上开展了激光驱动铝材料的准等熵压缩实验, 成像型速度干涉仪VISAR记录到样品自由面连续、光滑的速度历史, 采用反积分法得到60 GPa以上的峰值压强, 加载上升沿约10 ns,应变率可达108 s -1, 并且观察到了压缩波在样品后表面的反射效应.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2012, 61 (13): 136101.
doi: 10.7498/aps.61.136101
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奥克托金(HMX) 在温度作用下, 会发生热膨胀、相转变、热分解等物理、化学变化, 导致在材料内部产生大量缺陷, 进而会对其宏观性能造成明显影响. 为了深入了解热损伤HMX内部的缺陷演化, 本文采用X射线小角散射和原子力显微技术研究了热损伤HMX的内部缺陷. 结果发现HMX在180℃相变过程中散射曲线有明显的变化, 颗粒内部生成了大量10nm左右的孔洞, 随着加载时间延长, 其尺寸增大到25nm, 数量明显降低. 当HMX在190℃、 200℃保温5h时, 由于HMX热分解内部有新缺陷生成, 小角散射发现其尺寸约为5至8nm, 随着加载温度升高, 其数量增加.
2012, 61 (13): 136102.
doi: 10.7498/aps.61.136102
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在碳纳米管的制备过程中, 各种点缺陷不可避免地存在于其晶格结构中, 对于碳管的热输运性质造成不可忽视的影响. 使用非平衡分子动力学方法, 选用反应经验键序势能, 模拟计算含有缺陷的碳纳米管的热导率. 尝试采用正交试验方法设计算例, 不但减少了计算量, 并且利于分析缺陷类型、 管长和管径三种结构因素对缺陷造成的热导率下降影响的主次和趋势. 重点研究了掺杂、 吸附和空位三类点缺陷的影响, 与无缺陷完整碳纳米管进行比较, 开展缺陷效应分析, 并进一步考察了环境温度等因素的影响. 模拟结果表明, 相对完整无缺陷碳管, 含有点缺陷的碳管热导率显着下降; 在有缺陷存在的情况下, 缺陷的类型对碳管热导率的影响最大, 管径次之, 管长影响相对最小; 缺陷类型对热导率影响力从大到小依次为: 空位 掺杂 吸附; 不同环境温度下, 点缺陷对碳管热导率的影响不尽相同.
2012, 61 (13): 136401.
doi: 10.7498/aps.61.136401
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采用分子动力学方法对Ca70Mg30合金快速凝固玻璃形成过程进行了计算机模拟, 深入分析了液-固玻璃转变过程热力学、 动力学和结构特性的转变机理, 对不同方法所确立的玻璃转变温度之间的关系进行了探讨. 结果表明: 本模拟计算所获得的Ca70Mg30金属玻璃的结构因子和玻璃转变温度均与实验结果符合, 而且二十面体局域结构对Ca70Mg30金属玻璃的形成起决定性作用. 由于周围原子形成的瞬时笼子效应, 过冷液体动力学特性逐渐偏离Arrhenius规律而满足模态耦合理论的幂指数规律. 动力学玻璃转变温度接近于微观结构玻璃转变温度, 但高于热力学玻璃转变温度; 而且它们与理想动力学玻璃转变温度之间满足Odagaki关系.
2012, 61 (13): 136801.
doi: 10.7498/aps.61.136801
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利用拉曼谱测量了100 K303 K温度范围内受限于二氧化硅介孔内水的振动性质. 利用水分子在亲水介孔内, 先径向后轴向的吸附生长特点, 改变孔内界面水和位于孔中心水的相对含量. 发现越接近界面, 水低温相的振动谱越偏离体相六角冰的振动谱. 当界面水层减小到小于两个水分子层厚度时, 界面水在降温过程中不具有晶化行为, 其低温相与体相非晶冰相的拉曼谱主峰位在不同的温区内随温度的变化趋势相同、 连续.
2012, 61 (13): 136802.
doi: 10.7498/aps.61.136802
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采用密度泛函理论研究了Ru(0001) /BaO表面的原子层结构和氮分子的吸附性质. 研究结果表明, 在低覆盖度下氧化钡倾向于以相同的构型形成Ru(0001) 表面原子层. 在此构型中, 氧原子位于表面p(1 1) 结构的hcp谷位, 而钡原子则位于同一p(1 1) 结构的顶位附近. 钌氧键键长等于0.209 nm, 比EXAFS的实验值大0.018 nm. 在Ru(0001) /BaO表面氮分子倾向吸附于钡原子附近. 相应位置的氮分子吸附能位于0.70到0.87 eV之间, 大于氧原子附近的氮分子吸附能. 钡原子附近的钌原子对氮分子具有更强的活化性能. 相应位置的氮分子拉伸振动频率等于1946 cm- 1, 比氧原子附近的最大分子振动频率小约130 cm-1. Ru(0001) /BaO表面氮分子键强度介于清洁Ru(0001) 和Ru(0001) /Ba表面之间. Ru(0001)/BaO表面不同位置的氮分子吸附性质差异是由钡和氧原子化学性质不同造成的. 表面钡原子的作用能够减少吸附氮分子的*轨道电子密度, 增加*轨道电子密度, 从而增强氮分子和钌原子间的轨道杂化作用, 弱化氮分子键.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2012, 61 (13): 137101.
doi: 10.7498/aps.61.137101
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采用基于密度泛函理论的非平衡格林函数, 对具有不同缺陷构型的锯齿型石墨烯带(zigzag graphene nanoribbon, ZGNR) 的输运性质进行了理论计算与模拟. 研究表明, 相同数目、 不同构型缺陷结构对ZGNR的导电特性将产生不同的影响. 如A-B构型双空缺对ZGNR电导的影响最为显著, 而A-A构型双空缺对其电导的影响最小. 更为重要的是, 当引入碳环构型缺陷时, ZGNR将被改性, 即由原本的金属性质转变为半导体性质, 为缺陷调控石墨烯导电特性提供了理论依据.
2012, 61 (13): 137102.
doi: 10.7498/aps.61.137102
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采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了稀土元素(La, Ac, Sc 和 Y) 微合金化对FeAl (B2) 有序金属间化合物合金晶体结构、 弹性和电子性能的影响. 计算结果表明: 稀土元素Y 易于取代Fe位, 而Sc, La和Ac易于取代Al位, 其中Ac元素的加入使晶格点阵发生最大的变形. 弹性性能的计算表明La, Ac, Sc 和 Y 元素的加入可以改善FeAl (B2) 的塑性, 其中Fe7Al8Sc具有最好的塑性和硬度. 稀土元素对合金性能的影响, 主要是由于稀土原子的加入改变了Fe和Al电子之间的杂化作用. 计算结果与已有的试验结果和理论结果相一致.
2012, 61 (13): 137103.
doi: 10.7498/aps.61.137103
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在多体微扰理论的框架下, 分别采用G0W0方法和准粒子自洽GW方法计算3C-SiC和2H-SiC的准粒子能级. 由一个平均Monkhorst-Pack网格点上的准粒子能级和准粒子波函数出发, 结合最局域Wannier函数插值, 得到3C-SiC和2H-SiC的自洽准粒子能带结构. 3C-SiC的价带顶在点, 导带底在X点. DFT-LDA, G0W0和准粒子自洽GW给出的3C-SiC间接禁带宽度分别为 1.30 eV, 2.23 eV和2.88 eV. 2H-SiC价带顶在 点, 导带底在K点. 采用DFT-LDA, G0W0和准粒子自洽GW方法得到的间接禁带宽度分别为2.12 eV, 3.12 eV和 3.75 eV. 计算基于赝势方法, 对于3C-SiC和2H-SiC的准粒子自洽GW计算给出的禁带宽度均比实验值略大.
2012, 61 (13): 137104.
doi: 10.7498/aps.61.137104
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基于kp微扰理论, 通过引入应变哈密顿量作为微扰, 建立了双轴应变Ge/Si1-xGex价带色散关系模型. 模型适于任意晶向弛豫Si1-xGex虚衬底上的应变Ge价带结构, 通过该模型可获得任意k方向应变Ge的价带结构和空穴有效质量. 模型的Matlab模拟结果显示, 应变Ge/Si1-xGex价带带边空穴有效质量随Ge组分的增加而减小, 其各向异性比弛豫Ge更加显著. 本文研究成果对Si基应变Ge MOS器件及集成电路的沟道应力与晶向的设计有参考价值.
2012, 61 (13): 137201.
doi: 10.7498/aps.61.137201
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有机染料和量子点等荧光标记材料存在发射光谱宽、 光热稳定性差和细胞毒性等缺陷, 限制了其在生物学研究中的应用. 镧系掺杂上转换发光材料不存在自发荧光和光漂白现象, 灵敏度高, 长期稳定性好, 利于活体检测. 论文首次采用热解法, 以油酸和十八烯为表面活性剂和溶剂, 制备了KY3F10: Yb, RE(RE=Er, Ho, Tm) 纳米晶. 研究了油酸含量对产物形貌和粒径尺寸的影响, 当油酸与十八烯的比例为3:1时, 为制备类球形单分散纳米晶体的最佳工艺条件, 在980 nm半导体激光器激发下, 样品KY3F10: Yb, RE(RE=Er, Ho, Tm) 分别发射出较强的黄绿、 绿色和蓝色光, 这些结果显示KY3F10: Yb, RE(RE=Er, Ho, Tm) 纳米粒子作为生物探针在多重荧光标记方面具有优异的特性.
2012, 61 (13): 137202.
doi: 10.7498/aps.61.137202
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由于电子的多体关联和量子相干性的联合作用, 双量子点Aharonov-Bohm 干涉系统中的电子输运过程隐含 内在的快、慢两条通道, 且通道之间的有效耦合强度可以通过磁通调控. 但是, 这一非平庸的内在性质, 在通常的稳态输运电流中不能得以反映. 本文利用在研究非平衡动力学相变中所发展的大偏离方法, 对该输运系统中的电子动力学路径做大偏离统计分析. 结果显示, 以上内在性质将诱导出路径空间中清晰的动力学相变行为.
2012, 61 (13): 137203.
doi: 10.7498/aps.61.137203
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本文基于人体放电模型分别对肖特基势垒二极管的阴极和阳极进行同一电压脉冲下的多次放电, 利用热电子发射理论、1/f 噪声的迁移率涨落模型和白噪声理论, 分别深入研究静电放电损伤对器件I-V和低频噪声的影响. 结果表明, 静电放电作用于肖特基二极管阴极时损伤更严重, 噪声参量变化率更大. 随着放电次数的增加, 正向特性无变化, 反向电流总体增大, 偶有减小; 而正向和反向1/f 噪声均增大. 鉴于噪声与应力条件下器件内部产生的缺陷与损伤有关, 且更敏感, 故可将低频噪声特性用作肖特基二极管的静电放电损伤灵敏表征工具.
2012, 61 (13): 137302.
doi: 10.7498/aps.61.137302
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利用波段内连续激光, 辐照禁带宽度为0.33 eV的中波光伏碲镉汞探测器. 实验结果表明, 随着辐照激光光强的逐渐增大, 探测器从线性响应过渡为非线性响应. 当探测器进入非线性状态, 探测器的开路电压随激光光强的增大而减小, 且在激光开启辐照时开路电压信号迅速下跳, 在激光停止辐照时开路电压信号迅速上跳. 通过考虑激光辐照下探测器的温度场分布以及温度对p-n结内建电场的影响, 结合考虑机械快门在开启和关闭时对激光光强变化的影响, 建立了光伏探测器在波段内连续激光辐照下的解析模型, 模型计算结果与实验结果吻合得较好. 研究表明, 激光辐照过程中的非线性响应, 主要由温度对p-n结内建电场的影响决定, 激光开启和关闭时的开路电压的幅值是由光强和温度共同决定.
2012, 61 (13): 137303.
doi: 10.7498/aps.61.137303
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近些年来,越来越多的发光二极管采用铟锡氧化物(ITO)作为电流扩展层,但是如果不对其进行任何处理,得到的发光二极管的电学特性很差,要得到好的电学特性需要对长有铟锡氧化物的发光二极管进行退火处理.针对不同的退火时间和退火温度对发光二极管的电学特性影响不同的问题,通过测量不同条件下退火得到的发光二极管的理想因子和串联电阻, 根据Shah等人提出的模型进行分析,推测出铟锡氧化物和P型氮化镓的接触特性.结果表明:发光二极管的电学特性开始随着退火温度的升高和时间的增加到达一个优值,如果继续增加温度或者时间都会导致发光二极管电学特性的下降.这样有利于优化退火温度和时间, 得到电学性能较好的器件.
编辑推荐
2012, 61 (13): 137401.
doi: 10.7498/aps.61.137401
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通过对永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和方形永磁体在液氮温度、 零场冷、 轴对称情况下磁悬浮力的测量, 研究了三种不同组态中辅助永磁体的引入方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响. 实验结果表明, 如果处在超导体上方的测量用方形永磁体N极向下, 则在轴对称情况下, 当方形辅助永磁体N极向上与超导体下表面贴在一起时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到31.8 N, 提高到222%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向上且场冷后去掉辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到21.6 N, 增加到151%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向下且场冷后去掉方形辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N减小到8.6 N, 减小为无辅助永磁体时的60%.这些结果说明, 只有通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式, 才能获得较高的磁场强度, 有效地提高超导体的磁悬浮力特性, 该结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义.
2012, 61 (13): 137402.
doi: 10.7498/aps.61.137402
摘要 +
运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究两种 型烧绿石氧化物超导体AOs2O6(A=K, Rb) 的结构稳定性, 声子软化以及与超导电性的关系. 通过计算发现, AOs2O6中碱金属原子A(=K, Rb) 沿〈111〉晶向具有不稳定性, 且以K原子的不稳定性更为突出. 同时, 计算得到的KOs2O6在布里渊区中心的声子频率普遍比RbOs2O6的低, 使得KOs2O6的电声子耦合常数比RbOs2O6的大. 本文计算结果表明, 较小的碱金属原子K位于较大的氧笼子中, 活动性较强, 导致声子的软化, 是引起KOs2O6具有较强的电声子耦合及较高的超导转变温度的根本原因. 这些结果对解释两种 型烧绿石氧化物超导体AOs2O6(A=K, Rb) 的超导电性具有重要意义.
2012, 61 (13): 137501.
doi: 10.7498/aps.61.137501
摘要 +
采用直流磁控反应共溅法制备了非磁性元素Al和磁性元素Co掺杂的ZnO薄膜, 样品原位真空退火后再空气退火处理. 利用X射线衍射仪(XRD) 和物理性能测量仪(PPMS) 对薄膜的结构和磁性进行了表征. XRD和PPMS结果表明, 不同的退火氛围对掺杂薄膜的结构和磁性有着很大的影响. 真空退火的Al掺杂ZnO薄膜没有观察到铁磁性, 而空气退火的样品却显示出明显的室温铁磁性, 铁磁性的来源与空气退火后导致Al和ZnO基体间电荷转移增强有关. 而对于Co掺杂ZnO薄膜, 真空退火后再空气退火, 室温铁磁性明显减弱. 其磁性变化与Co离子和ZnO基体间电荷转移导致磁性增强和间隙Co原子被氧化导致磁性减弱有关.
2012, 61 (13): 137502.
doi: 10.7498/aps.61.137502
摘要 +
采用溶胶凝胶法在玻璃基片上制备了ZnO及Ni, Fe共掺杂的Zn0.95-xNi0.05FexO (x=0, 0.005, 0.01, 0.03, 0.05) 薄膜. 通过扫描电镜(SEM) 和X射线衍射(XRD) 研究了薄膜样品的表面形貌和晶体结构. 结果表明所有样品都具有(002) 择优取向, Fe掺杂导致ZnO: Ni薄膜的晶体质量变差, 晶粒尺寸减小, 但适当的Fe掺杂有利于获得致密、 均匀的薄膜. XPS测试结果表明样品中Ni离子的价态为+2价, Fe离子的价态为+2价和+3价.室温光致发光(PL) 测量表明, 所有样品均观察到较强的紫外发光峰, 蓝光双峰和绿光发光峰. ZnO: Ni薄膜的发光强度可以通过Fe掺杂进行有效调节. 进而我们讨论了Ni, Fe共掺杂ZnO样品的发光机理.
2012, 61 (13): 137503.
doi: 10.7498/aps.61.137503
摘要 +
利用直流电化学沉积法, 在多孔阳极氧化铝模板中首次制备出了具有[220]取向的单晶 面心立方结构的CoCu固溶体合金纳米线阵列, 其Co含量高达70%.透射电子显微镜显示纳米线均匀连续, 具有较高的长径比, 约为300. 磁性测量表明所制备的Co70Cu30 合金纳米线具有超高的矫顽力Hc//=2438 Oe(1 Oe=79.5775 A/m)和较高的矩形比S//=0.76, 远高于以往报道的CoCu合金纳米线的磁性, 分析表明磁性好的主要原因是由于较高Co含量和高形状各向异性. 通过磁性测量和模型计算, 得到Co70Cu30 合金纳米线阵列在反磁化过程中遵从对称扇型转动的球链模型, 并从结构的角度分析了Co70Cu30合金纳米线阵列的反磁化行为.
2012, 61 (13): 137504.
doi: 10.7498/aps.61.137504
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分析和测试了偏置电压调整时PZT5/Terfenol-D/PZT8层合换能结构磁电性能. 提出了一种磁致伸缩/压电层合磁电换能结构的一阶谐振频率控制方法. 通过改变压电驱动层的直流电压对磁电层合结构的预应变进行改变, 从而调整谐振频率. 分析偏置电压、 应变、 弹性模量、 谐振频率和谐振磁电电压系数之间关系. 分析表明: 在较小应变情况下, 控制电压几乎可以线性调节谐振频率, 而层合结构谐振磁电电压系数几乎与偏置电压无关. 实验研究验证: 理论与实验结果较好吻合. 在-170 V+170 V的偏置电压时, 谐振频率可以几乎线性调整. 最大频率调整量达到1 kHz, 偏置电压对一阶纵振频率的控制率达到: 2.94 Hz/V. 在偏置磁场为0225 Oe时, 谐振频率调整量与偏置磁场无关. 偏置磁场会改变谐振磁电电压系数, 在大于178 Oe静态磁场偏置时, 磁电电压系数最大, 达到1.65 V/Oe.
2012, 61 (13): 137701.
doi: 10.7498/aps.61.137701
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当CMOS器件特征尺寸缩小到45 nm以下, SiO2作为栅介质材料已经无法满足性能和功耗的需要, 用高k材料替代SiO2是必然选择. 然而, 由于高k材料自身存在局限性, 且与器件其他部分的兼容性差, 产生了很多新的问题如界面特性差、阈值电压增大、迁移率降低等. 本文简要回顾了高k栅介质在平面型硅基器件中应用存在的问题以及从材料、结构和工艺等方面采取的解决措施, 重点介绍了高k材料在新型半导体器件中的应用, 并展望了未来的发展趋势.
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2012, 61 (13): 137801.
doi: 10.7498/aps.61.137801
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本文从理论与实验两方面入手, 对高价态差金属W掺杂ZnO (WZO) 薄膜材料的特性进行分析讨论. 采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法对WZO材料特性进行理论分析, 计算结果表明: W以替位形式掺入ZnO六角纤锌矿晶格结构中, 由于WO键的键长较长引起晶格常数增加, 产生晶格畸变; 掺杂后费米能级进入导带, 其附近的导电电子主要由W 5d, O 2p及Zn 3d电子轨道提供, 材料表现出n型半导体的特性; 同时能带简并效应使其光学带隙展宽. 为进一步验证该理论分析结果的适用性, 本文采用脉冲直流磁控溅射技术进行了本征ZnO及WZO薄膜的实验研究, 结果表明: W掺入未改变ZnO的生长方式, 但引起薄膜的晶格常数增加, 电阻率由本征ZnO的1.35 10-2 cm减小到1.55 10-3 cm, 光学带隙由3.27 eV展宽到3.48 eV. 制备的WZO薄膜在4001100 nm的平均透过率大于83%. 实验结果对理论计算结果进行了验证, 表明WZO薄膜作为透明导电薄膜的应用潜力.
前沿领域综述
2012, 61 (13): 137301.
doi: 10.7498/aps.61.137301
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表面等离子光子学是研究金属、 半导体纳米结构材料独特的光学特性, 是目前光子学中最有吸引力、 发展最快的领域之一. 伴随着微/纳制造技术与计算机模拟技术的进步, 表面等离子光子学在可见光、 红外、 太赫兹以及微波频域得到了广泛研究, 在高灵敏生化传感、 亚波长光波导、 近场光学显微、 纳米光刻等领域有潜在的应用价值. 特别是人工超材料的发展, 为自然界长期缺乏响应太赫兹波的材料和器件奠定了基础, 从而也促进了太赫兹波段表面等离子光子学的研究. 本文从太赫兹表面等离子波的激发、 传导、 最新应用及未来发展趋势等几个方面进行了回顾和讨论, 将最新研究成果展示给读者.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2012, 61 (13): 138101.
doi: 10.7498/aps.61.138101
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采用两种不同的溶剂热路径合成出了不同形貌和尺寸的CdS纳米晶, 一种是以无水乙二胺(en) 为溶剂, CdCl22.5H2O和硫脲(H2NCSH2N) 为镉源和硫源, 在不同反应温度(160 ℃220 ℃ 下制备出了CdS纳米晶, 讨论温度对CdS纳米晶生长的影响; 另一种是以en为溶剂, 将在160 ℃下合成的产物在200 ℃下原位再结晶生长28 h, 分析原位生长时间对CdS纳米晶生长的影响. 通过X射线衍射(XRD)、 扫描电子电镜(SEM) 和透射电子电镜(TEM) 等表征产物的物相、 形貌和微结构, 分析可知: 两种路线合成的产物均为六方相CdS; 当温度为160 ℃时, 产物形貌为纳米颗粒状, 当温度高于160 ℃时, 产物为CdS纳米棒状; 同时, 在200 ℃下原位再结晶生长不同时间后发现产物形貌由纳米颗粒转变为纳米棒, 通过场发射扫描电镜(HRTEM) 分析可知: 纳米棒是由零维纳米颗粒自组装而成. 最后, 讨论了影响产物CdS纳米晶形貌转变的因素和纳米棒的生长机理.
2012, 61 (13): 138201.
doi: 10.7498/aps.61.138201
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在实验室反应釜中于不同的温度(35 ℃, 55 ℃和70 ℃) 下, 以氟气体积浓度为12.5%的氟/氮混合气对热压制备的聚乙烯(PE) 片状试样(厚约0.8 mm) 进行了相同时间(2 h) 的表层氟化改性. 利用压力波法研究了氟化温度对PE中空间电荷积累的影响. 结果显示, 随着氟化温度的提高直流高压作用下的氟化试样中的空间电荷积累明显减少, 这个70 ℃的氟化试样中几乎没有空间电荷. 衰减全反射红外分析表明, 氟化引起了试样表层化学组成的本质变化及氟化度随氟化温度的明显提高. 接触角测量与表面能计算间接地表明了这些氟化层有显著增大的介电常数. 开路热刺激放电电流测量进一步揭示了这些氟化层 不同的电荷捕获特性, 及随着氟化温度的提高氟化层对化学杂质从半导性电极向PE扩散的增强的阻挡特性, 因此表明氟化层中自由体积的相应减小. 表层自由体积的减小对抑制空间电荷的积累, 比介电常数的增大和电荷陷阱的变化起到更加显著的作用.
2012, 61 (13): 138401.
doi: 10.7498/aps.61.138401
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如何提高硅基薄膜太阳电池的光稳定性是硅基薄膜太阳电池研究和产业化过程中非常重要的问题. 为了提高非晶硅/微晶硅叠层电池的光稳定性, 本文首先给出了良好光稳定性非晶硅顶电池的结果, 然后重点研究了N/P隧穿结和微晶硅底电池本征层硅烷浓度梯度对叠层电池光稳定性的影响. 经过初步优化, 连续光照1000 h后非晶硅/微晶硅叠层电池的最小光致衰退率只有7%.
2012, 61 (13): 138501.
doi: 10.7498/aps.61.138501
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利用载流子漂移-扩散模型, 模拟并分析了InGaAs/InP单载流子光电探测器(Uni-traveling-carrier/UTC-PD) 在不同条件下的物理特性及其带宽和饱和特性, 结合器件实验结果分析了影响器件高速和高饱和性能的物理机理. 结论表明在吸收区采用浓度渐变掺杂和增加InP崖层(cliff layer), 可以显著提升器件饱和特性, 高入射功率下吸收区电场崩塌是器件饱和的直接因素, 直径大于20 μm的UTC探测器中RC常数仍是影响带宽的主要因素. 论文指出了优化器件结构、 提升器件性能的有效方法.
2012, 61 (13): 138502.
doi: 10.7498/aps.61.138502
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GaN基高压直流发光二极管工艺制备, 采用蓝宝石图形衬底(PSS) 外延片制备正梯形芯粒结构的GaN基高压直流LED.相对其他结构器件, 该结构器件发光效率最高, 封装白光后, 在色温4500 K, 驱动电流20 mA时, 光效116.06 lm/W, 对应电压50 V. 测试其I-V曲线表明, 开启电压为36 V, 对应驱动电流为1.5 mA; 在电流15 mA至50 mA时, 光功率随驱动电流增加近似于线性增加, 在此区域光效随电流增加而降低的幅度比较缓慢, 表明GaN基高压直流LED适宜于采用大电流密度驱动, 而不会出现驱动电流密度增加导致量子效率明显下降(efficiency droop), 为从芯片层面研究解决量子效率下降难题提供了一种新思路.
2012, 61 (13): 138503.
doi: 10.7498/aps.61.138503
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采用APSYS软件研究了InGaN/GaN量子阱垒层掺杂变化对双波长 发光二极管发光光谱的调控问题. 在不同掺杂类型和浓度下对器件电子空穴浓度分布、 载流子复合速率、 能带结构、 发光光谱进行分析, 结果表明, 调节量子阱垒层n型和p型的掺杂浓度可以精确而有效地根据需要调控发光光谱, 解决发光光谱调控难的问题. 这些现象归因于掺杂的量子阱垒层对电子空穴分布的调控作用.
2012, 61 (13): 138801.
doi: 10.7498/aps.61.138801
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基于GaAs/InAs-GaAs/ZnSe的P-i-N量子点太阳电池结构, 根据光学原理和扩散理论建立了光生电流密度与膜层厚度相关的数学模型, 定量分析了量子点层厚度等参数对太阳电池性能的影响,以期达到提高量子 点太阳电池转换效率的目的.理论模拟表明:在i层厚度取3000 nm时,优化后P(GaAs)型、N(ZnSe)型层 薄膜的最佳膜厚为1541 nm, 78 nm, 并在单一波长下太阳电池转换效率为20.1%；同时量子 点体积和温度对于量子点太阳电池I-V特性也会产生影响, 当量子点体积和温度逐渐增大时, 开路电压呈现减小趋势,使得转换效率降低.
地球物理学、天文学和天体物理学
2012, 61 (13): 139201.
doi: 10.7498/aps.61.139201
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本文数值模拟并诊断分析了2009年7月华北的一次桑拿天过程, 分析了高温高湿天气的环流特征, 温度、 湿度的水平和垂直分布特征, 位涡分布特征等. 分析发现, 此次桑拿天事件高层为反气旋性环流的高压控制, 水平分布图上, 低层相对湿度大. 垂直剖面上, 中低层为下沉气流和暖湿区, 有明显的水汽梯度和垂直温度梯度, 有倾斜的位涡分布. 既然桑拿天发生在夏季普遍高温的大环境之下, 因此靠单纯的温度或湿度来动力识别和诊断桑拿天, 有较大难度. 本文抓住华北地区桑拿天过程高温、 高湿、 高位涡的特点, 引入一个适合于桑拿天的湿热力位涡参数(MTPV, 它表示为▽ q (▽ ▽ Q), 这里q是湿度, 表示为大气或者云中水汽和所有水凝物的总和, 是位温, Q是位涡), 对桑拿天进行动力诊断分析, 并通过实际个例的计算分析作出简化. 个例分析发现, 此次高温高湿的桑拿天过程伴随MTPV的异常. 虽然2009年7月此次华北地区桑拿天过程有较高的温度, 较大的湿度和倾斜位涡发展, 但是单个变量的范围远大于我们要研究的华北地区桑拿天的爆发范围. 而结合这三个变量引入的MTPV及其简化形式, 无论从经向还是纬向剖面图来看, MTPV的异常大值区相对集中在北京及其周边的华北地区对流层的低层, 并维持. 因而, MTPV及其简化形式均能对此次高温高湿的桑拿天进行较好的动力识别。
2012, 61 (13): 139202.
doi: 10.7498/aps.61.139202
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本文利用经验正交函数(EOF) 将海表温度(SST) 距平场进行分解, 得到一组相互正交的模态构成重构空间, 然后在该空间中展开500 hPa温度场, 进一步借助贝叶斯分析方法定义各个模态对温度场的影响指数, 并研究指数随不同海温分布型(模态) 的变化特征. 结果发现SST场在46月份对500 hPa温度场的影响较大, 且气候发生转变后, 不同海温分布型对温度场的影响不同.
2012, 61 (13): 139701.
doi: 10.7498/aps.61.139701
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脉冲星辐射信号具有极低的信噪比, 传统降噪方法难以在抑制噪声的同时保留其细节信息. 为此, 提出了一种小波域脉冲星信号消噪方法. 在小波域, 利用一种可导的阈值函数和一种自适应阈值选取方法, 对含噪脉冲星信号进行小波域阈值去噪处理, 并利用信噪比(SNR)、 均方根误差(RMSE)、 峰值相对误差(REPV) 以及峰位误差(EPP) 四项指标来对去噪效果进行评价. 实验结果表明, 与软阈值与硬阈值法相比, 该方法能在有效去除含噪脉冲星信号中的噪声、 显著提高其信噪比的同时, 更有效地保留原始信号中的有用信息, 同时可以获得更小的均方根误差、 脉冲峰值相对误差与峰位误差.
