Vol. 62, No. 11 (2013)
2013年06月05日
总论
2013, 62 (11): 110101.
doi: 10.7498/aps.62.110101
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本文针对低少子寿命铸造多晶硅片进行试验, 通过一种将多温度梯度磷扩散吸杂工艺与低温退火工艺结合的新型低温退火吸杂工艺, 去除低少子寿命多晶硅片中影响其电性能的Fe杂质及部分晶体缺陷, 提高低少子寿命多晶硅所生产的太阳电池各项电性能. 通过低温退火磷扩散吸杂工艺与其他磷扩散吸杂工艺的比较, 证明了低温退火吸杂工艺具有更好的磷吸杂和修复晶体缺陷的作用. IV-measurement发现经过低温退火工艺处理后的低少子寿命多晶硅, 制备的太阳电池光电转换效率比其他实验组高0.2%, 表明该工艺能有效地提高低少子寿命多晶硅太阳电池各项电性能参数及电池质量. 本研究结果表明新型低温退火磷吸杂工艺可将低少子寿命硅片应用于大规模太阳电池生产中, 提高铸造多晶硅材料在太阳能领域的利用率, 节约铸造多晶硅的生产成本.
2013, 62 (11): 110201.
doi: 10.7498/aps.62.110201
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研究弱非完整系统Lagrange方程的Mei对称性导致的一种结构方程和新型精确以及近似守恒量. 首先建立系统的Lagrange方程. 其次在群的无限小变换下, 给出了弱非完整系统及其一次近似系统Mei对称性的定义和判据, 然后得到了Mei对称性导致的新型结构方程、 新型精确和近似守恒量的表达式. 最后, 举例研究系统的精确新型守恒量和近似新型守恒量问题.
2013, 62 (11): 110202.
doi: 10.7498/aps.62.110202
摘要 +
研究了一类飞秒脉冲激光对纳米金属薄膜传导模型. 首先求出模型的退化解, 然后利用摄动理论和方法, 得到了相应模型的任意次渐近解. 最后论述了解的渐近性态.
2013, 62 (11): 110203.
doi: 10.7498/aps.62.110203
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本文通过采用移动最小二乘函数作为近似函数 和完全拉格朗日方程作为近似方程来改善光滑粒子法的稳定性和数值精度; 在此基础上, 提出了壳结构静力分析的光滑粒子法, 并完善了壳结构动力分析方法; 最后, 采用国际公认的壳结构的标准测试模型对静力和动力问题分别进行了验证, 所得结果与已有数据吻合良好, 证明了本文数值模型的有效性和可靠性, 为光滑粒子法进一步在裂纹、破碎等非线性壳结构中的应用提供参考.
2013, 62 (11): 110204.
doi: 10.7498/aps.62.110204
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本文利用分子动力学方法模拟了液体在固体表面的 接触角及液固界面热阻, 并探讨了二者之间的关系. 通过分别改变液固结合强度和固体的原子性质来分析接触角和界面热阻的关系及变化趋势. 模拟结果显示增强液固间相互作用时, 接触角减小的同时界面热阻也随之单调减小; 而改变固体原子间结合强度和原子质量时, 接触角几乎保持不变, 但界面热阻显著改变. 固体原子间结合强度和原子质量影响界面热阻的原因是其改变了固体的振动频率分布, 导致液固原子间的振动耦合程度发生变化. 本文的结果表明界面热阻不仅与由接触角所表征的液固结合强度有关, 还与液固原子间的振动耦合程度有关. 接触角与界面热阻间不存在单值的对应关系, 不能单一地将接触角作为液固界面热阻的评价标准.
2013, 62 (11): 110205.
doi: 10.7498/aps.62.110205
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本文采用自相似方法求解中空圆柱形边界贝塞尔晶格中变系数非线性薛定谔方程, 得到了与数值模拟解一致的解析解, 表明由非衍射贝塞尔光束诱导的光子晶格可支持稳定的自相似孤子簇. 精确解ψmn是n+2层, 2m极的多极孤立波, 其形状及大小在传播过程中保持不变.
2013, 62 (11): 110301.
doi: 10.7498/aps.62.110301
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在场和非线性介质原子相互作用模型下, 利用concurrence和约化Neumann熵两种纠缠量度, 研究推广的二项式场态和原子基态的量子纠缠动力学. 结果表明concurrence与约化Neumann熵是正关联占优势; 在合适的条件下, 纠缠在较长时间内几乎是不变的. 这有利于量子信息过程.
2013, 62 (11): 110302.
doi: 10.7498/aps.62.110302
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研究了非线性系统中非对角情况的Berry相位, 给出了非线性非对角Berry相位的计算公式. 结果表明, 在非线性非对角情况下, 总相位包含有动力学相位, 通常意义的Berry相位, 以及非线性引起的附加相位. 此外, 还包含有非对角情况时所特有的新的附加项. 这新的一项表示, 当系统哈密顿慢变时产生的Bogoliubov涨落, 与另一个瞬时本征态之间的交叉效应, 进而对总的Berry相位产生影响. 作为应用, 对二能级玻色爱因斯坦凝聚体系, 具体计算了非线性非对角的Berry相位.
2013, 62 (11): 110303.
doi: 10.7498/aps.62.110303
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本文研究了不同磁场环境下一维Heisenberg XXZ自旋链中两量子比特的热量子失协特性. 在四种不同的磁场环境下: 1) B1=B2=0 (无磁场); 2) B1≠0, B2=0 (磁场只作用于其中一个量子比特); 3) B1=B2 (均匀磁场); 4) B1=-B2 (非均匀磁场), 对分别作用在每个量子比特上的磁场B1和B2对其量子关联的影响作了详细的讨论, 且数值计算和比较了其量子失协和量子纠缠的异同. 结果显示: 在有限温度下, 量子失协相比于量子纠缠更普遍, 且非均匀磁场相比于均匀磁场对量子失协和量子纠缠更有用, 更有利于量子通讯和量子信息处理过程.
2013, 62 (11): 110304.
doi: 10.7498/aps.62.110304
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双阱光学超晶格中的超冷原子是近期冷原子物理领域的研究热点. 本文推广提出了实现三阱光学超晶格的方案, 并采用精确对角化的方法分别研究了弱磁场下对称三阱 光学超晶格中铁磁性和反铁磁性的自旋为1的原子系统的基态, 发现二者的相图很不相同: 反铁磁性原子对应的相图中没有沿磁场方向总自旋磁量子数为±2的基态, 而铁磁性原子对应的相图中可能有. 在负的二次塞曼能量区域, 铁磁性原子的相图中只有完全极化态. 分析了可控参数影响基态的物理本质. 由于这些量子自旋态可以通过调节外磁场和光势垒的高度非常简便而精确地控制, 适合用来研究自旋纠缠.
2013, 62 (11): 110305.
doi: 10.7498/aps.62.110305
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在有相互作用的非线性两模系统中, 通过对相互作用参数的调节, 研究了该系统中玻色-费米混合气体的Landau-Zener隧穿现象. 研究发现, 其中某一组分的自相互作用会影响另一组分粒子的隧穿, 使得隧穿出现临界现象.
2013, 62 (11): 110501.
doi: 10.7498/aps.62.110501
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利用多重尺度法, 解析地研究了方势阱中玻色-爱因斯坦凝聚体的孤子动力学行为. 结果表明, 方势阱对凝聚体中的孤子动力学有重要的影响. 进入方势阱时孤子作加速运动, 逃逸出势阱时孤子作减速运动; 且随着势阱深度的增加, 孤子的速度增加、幅度增加、宽度减小. 这为实验操控孤子的动力学行为提供一定的参考价值.
2013, 62 (11): 110502.
doi: 10.7498/aps.62.110502
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利用随机模拟方法研究了惯性棘轮中非高斯噪声对负迁移率的影响. 分别模拟了绝对负迁移率(ANM), 非线性迁移率(NNM) 和负微分迁移率(NDM) 等三种反常输运现象. 计算结果表明: 1) 在不同的参数空间里, 非高斯噪声参数q 能够增强或者削弱ANM, 诱导NNM 和NDM; 2) 当q 较大时, 反常输运现象转化为正常输运; 3) 随着q 逐渐增大, 平均速度- 关联时间特性曲线朝着关联时间较小的方向移动并且其峰值逐渐减小.
2013, 62 (11): 110503.
doi: 10.7498/aps.62.110503
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通过对V2控制Buck变换器电路进行降阶处理, 利用不同工作模式, 推导了两个边界电压, 建立了V2控制Buck变换器的等效一阶同步映射迭代模型, 研究了它的非线性分岔行为. 通过稳定性和工作模式分析, 推导了V2控制Buck变换器从稳定的周期1工作状态到次谐波振 荡状态转移以及从电感电流不连续导电模式 (DCM) 到连续导电模式 (CCM) 转移的条件. 研究结果表明, 当电路参数变化时, V2控制Buck 变换器发生了倍周期分岔和边界碰撞分岔, 不同的参数变化有着不同的分岔路由. 搭建了仿真和实验电路, 仿真和实验结果验证了等效迭代模型的有效性和理论分析的正确性.
2013, 62 (11): 110504.
doi: 10.7498/aps.62.110504
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将周期性扩频技术用于变换器中来抑制其电磁干扰和噪声已经得到了论证并被广泛的应用, 但却忽略了其中的非线性现象. 在分析了周期性扩频技术和单相SPWM-H桥正弦逆变器的精确频闪映射模型的基础上, 研究了采用周期性扩频技术的单相H桥正弦逆变器的分岔和混沌现象, 建立了H桥正弦逆变器扩频后的离散模型, 通过时域图、折叠图、分岔图及李雅亚普诺夫指数谱对其非线性现象进行了分析. 研究表明, 扩频后的H桥正弦逆变器在进入非线性区域后更容易进入混沌区, 并且周期扩频的频率会对系统产生初始分岔点的位置产生影响.
编辑推荐
2013, 62 (11): 110505.
doi: 10.7498/aps.62.110505
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本文在CSR传播模型的基础上提出基于移动社交网络的CSR的谣言传播模型. 改进了CSR模型的传播规则和传播动力学方程, 使得更符合移动SNS上用户的使用习惯. 在CSR模型中的接受概率数学模型基础上, 考虑个人接受阈值对接受概率的影响, 更符合人类接受谣言的心理学特点. 本文对该传播模型进行了理论分析. 并在仿真实验中, 利用多agent仿真平台对新模型和CSR模型以及SIR模型 在匀质网络和异质网络中的传播效果进行了对比研究, 从实验的结果来看, 新的谣言传播模型在匀质网络中传播范围更广, 传播速度更快. 新模型具有初值敏感性的特点.
2013, 62 (11): 110506.
doi: 10.7498/aps.62.110506
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本文通过符号分析法求取联合熵的极大值点, 进而得到相空间重构的最佳延迟时间, 通过对几个典型的混沌系统进行数值仿真试验, 结果表明, 该方法简化了计算, 提高了效率, 能够准确快速地获得最佳延迟时间, 从而有效地重构原系统的相空间, 为混沌信号识别提供一种快速有效的途径.
2013, 62 (11): 110507.
doi: 10.7498/aps.62.110507
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针对小管径两相流流动特性, 全新优化设计弧形对壁式电导传感器. 通过动态实验在获取传感器测量信号的基础上, 采用有限穿越可视图理论构建对应于不同流型的两相流复杂网络. 通过分析发现, 有限穿越可视图网络异速生长指数和网络平均度值的联合分布可实现对小管径两相流的流型辨识; 有限穿越可视图度分布曲线峰值可有效刻画与泡径大小分布相关的流动物理结构细节特征; 网络平均度值可表征流动结构的宏观特性; 网络异速生长指数对流体动力学复杂性十分敏感, 可揭示不同流型演化过程中的细节演化动力学特性. 两相流测量信号的有限穿越可视图分析为揭示两相流流型的形成及演化动力学机理提供了新途径.
2013, 62 (11): 110508.
doi: 10.7498/aps.62.110508
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提出了基于现场可编程门阵列 (FPGA) 技术的混沌直接序列扩频信号盲解调的硬件电路实现方法. 设计了混沌直接序列扩频信号发射机与接收机. 发射机可产生10种不同的混沌直接序列扩频信号. 为方便接收机的硬件电路实现, 对无先导卡尔曼滤波混沌拟合盲解调算法进行了简化, 在简化模型的基础上设计了接收机硬件结构. 提出了一种动态调整偏移因子的新方法, 使接收机能实时适应混沌映射的变化. 通过高斯白噪声信道及多径信道条件下的盲解调实验, 验证了盲解调算法硬件实现的抗噪声与抗多径性能, 以及对10种不同的混沌直接序列扩频信号的自适应破译效果.
2013, 62 (11): 110509.
doi: 10.7498/aps.62.110509
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基于自适应的方法, 提出了一种同步时间可控的混沌投影同步方法. 该方法针对一类不同的混沌系统设计了通用的同步控制器和参数自适应律, 使驱动系统的状态变量和响应系统的状态变量按照给定比例矩阵达到同步, 同步误差按预设的指数速率收敛. 由于比例矩阵和指数速率不为第三方所知, 可提高信息的抗破译能力. 同时, 通过调节相关控制器参数, 可在有限时间内达到投影同步, 并实现对同步时间的有效控制. 数值模拟结果的对比和分析验证了所提方法是有效的和鲁棒的.
2013, 62 (11): 110510.
doi: 10.7498/aps.62.110510
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分析了分段线性电路系统在周期切换下的复杂动力学行为及其产生的机理. 基于平衡点分析, 给出了两子系统Fold分岔和Hopf分岔条件. 考虑了在不同稳定态时两子系统周期切换的分岔特性, 产生了不同的周期振荡, 并揭示了其产生的机理. 在不同的周期振荡中, 切换点的数量随参数变化产生倍化, 导致切换系统由倍周期分岔进入混沌.
2013, 62 (11): 110701.
doi: 10.7498/aps.62.110701
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为了实现图像的压缩和加密同步提出一种基于内嵌零树小波编码 (embedded zerotree wavelet, EZW) 的压缩和树形加密算法. 加密过程在比特平面编码与熵编码之间进行, 使用密钥对图像压缩产生的上下文和判决进行修正, 实现压缩和加密同步. 对算法进行仿真, 结果表明, 算法具有良好的压缩效率和安全性.
2013, 62 (11): 110702.
doi: 10.7498/aps.62.110702
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本文以鉴别机械剥离法制备的高质量石墨烯样品的层数为例, 阐明了如何利用传输矩阵来计算二维原子晶体薄片样品的光学衬度, 并进一步精确地鉴别其层数. 计算结果表明测试时所选用的显微物镜数值孔径对精确确定薄片样品的层数非常重要, 并为实验所证实. 同时提出了使用两个激光波长可以快速地表征样品尺寸接近物镜衍射极限的薄片样品层数的方法. 本文所采用的传输矩阵形式非常适合于计算二维原子晶体薄片样品的光学衬度, 并可以方便地推广到更复杂的多层衬底结构, 以便快速和准确地鉴别各种衬底上二维原子晶体薄片样品的厚度.
2013, 62 (11): 110703.
doi: 10.7498/aps.62.110703
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本文基于IE514分离规结构, 建立了碳纳米管阴极电离规物理模型, 根据电离规标准方程, 利用离子光学模拟软件SIMION 8.0分别研究了电极电压对灵敏度和Igrid/Ie的影响. 结果表明, 随着阳极/门极电压比值增大(Vgrid/Vgate), Igrid/Ie也将增大, 然而, 当阳极电压增大时, 会导致灵敏度降低, 进而影响真空测量下限的延伸; 该模拟结果与相关文献报道的实验结果符合性很好. 因此, 选择合适的电极电压, 将有利于提高灵敏度, 增大阳极电流, 进一步延伸真空测量下限. 本文所采用的数值模拟方法可推广应用于各种新型碳纳米管阴极极高真空电离规的研发和理论分析中, 为解决极高真空测量难题提供了有效的研究途径.
基本粒子物理学与场
2013, 62 (11): 111301.
doi: 10.7498/aps.62.111301
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为了打破传统回旋管数值模拟所采用的回旋发射产生理想电子束的局限性, 本文在理论分析94 GHz双阳极磁控注入式电子枪的结构参数的基础上, 通过共形FDTD算法对网格划分进行优化, 得到了具有横纵速度比为1.42, 最大速度零散为5.92%的高性能电子束, 并将此优化后的电子枪取代传统回旋管数值模拟时采用的回旋发射进行该94 GHz回旋 管系统的数值模拟, 并采用MPI四进程并行计算, 最终获得了具有TE03模、94 GHz、平均输出功率约在40 kW、 效率达到10.5%的高性能回旋振荡管.
核物理学
2013, 62 (11): 112901.
doi: 10.7498/aps.62.112901
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γ谱分析是一种重要的放射性核素定量分析方法. 弱峰的检测和重叠峰的分解是γ 谱分析中的难点. 为了解决这两个问题, 基于压缩感知理论, 提出了一种新的γ 谱分析方法. 这一方法从谱仪对γ 谱调制的物理机理出发, 通过数学建模, 将γ 谱分析转化为一个以真实γ 谱为解的求逆问题, 并在压缩感知理论框架下, 运用γ 谱特征峰的稀疏性, 进行逆问题的求解, 直接获得γ 谱的估计结果. 数值模拟结果和蒙特卡洛模拟结果表明: 该方法能在降低统计涨落的同时, 有效减小谱仪调制带来的能谱展宽, 从而提高γ 谱分析精度.
原子和分子物理学
2013, 62 (11): 113101.
doi: 10.7498/aps.62.113101
摘要 +
采用Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用方法(MRCI+Q) 结合Dunning等的相关一致基aug-cc-pVnZ (n=D,T,Q,5,6) 计算了AlC分子X4∑-和B4∑-态的势能曲线, 并利用总能量外推公式将这两个态的总能量分别外推至完全基组极限. 对势能曲线进行核价相关修正及相对论修正, 并详细讨论了基组、核价相关和相对论修正 等对X4∑-和B4∑-电子态的能量和光谱常数的影响. 拟合核价相关及相对论效应修正的外推势能曲线, 得到了AlC分子X4∑- 和B4∑-电子态的主要光谱常数Te, Re, ωe, ωexe, ωeye, Be和αe. 它们与实验结果符合较好. 求解双原子分子核运动的径向Schrödinger方程, 找到了无转动的AlC分子两个电子态的全部振动态. 针对每一振动态, 还分别计算了其相应的振动能级和惯性转动常数等分子常数. 它们与已有的实验结果一致.
2013, 62 (11): 113102.
doi: 10.7498/aps.62.113102
摘要 +
采用耦合簇CCSD(T)方法结合系列相关一致基组aug-cc-pVXZ (X=D,T,Q,5) 对基态SN-分子离子(X3∑-) 进行了结构优化和单点能扫描计算. 用四种方法进行基组外推得到该体系的平衡核间距Re=0.15852 nm, 谐振频率ωe=948.05 cm-1, 离解能De=3.934 eV均与实验数据符合得很好. 对单点能扫描结果用9参数Murrell-Sorbie势能函数进行了最小二乘拟合, 得到了体系的解析势能函数表达式, 并进一步推导出了体系的力常数和光谱常数. 拟合所得势能曲线准确地再现了SN-分子离子的离解能和平衡结构特征. 通过求解核运动的径向薛定谔方程, 得到了无转动SN- (X3∑-) 的全部振动态, 并进一步计算出了各振动能级相应的分子常数. 与实验结果及其他理论研究结果的对比表明, 本文关于SN-分子离子平衡常数和光谱常数的计算结果达到了较高的精度, 能为进一步的实验探测和理论研究提供参考依据.
2013, 62 (11): 113103.
doi: 10.7498/aps.62.113103
摘要 +
利用原子分子反应静力学推导出AsCl自由基的基态及激发态的理解极限. 采用完全活性空间自洽场和含Davidson 修正的内收缩多参考组态相互作用理论方法, 在aug-cc-pV5Z基组下对AsCl自由基进行结构优化计算及单点能扫描计算. 在AsCl自由基基态势能曲线的基础上, 通过Molcas程序拟合出了AsCl的光谱常数De, Re, e, ee, Be 和e. 通过求解双原子分子核运动的径向Schrdinger方程, 找到了J=0 时该分子基态存在的40个振动态. 针对每一振动态, 计算了其振动能级、转动惯量B和离心畸变常数D, 与现有的实验及其他理论相比较, 本文的光谱参数和分子常数结果更准确.
2013, 62 (11): 113201.
doi: 10.7498/aps.62.113201
摘要 +
本文通过数值求解动量空间的三维含时薛定谔方程, 研究了原子高激发态在高频激光脉冲作用下, 在电离阈值附近的光电子能谱和两维动量角分布. 研究结果表明: 在该能量范围内, 单光子电离过程的贡献是最主要的. 体系初态的主量子数可以由光电子能谱峰值的位置来确定; 体系初态的角量子数可以通过光电子的两维动量角度分布确定. 在比较宽泛的参数范围内, 这一规律不随入射激光的强度和脉冲时间宽度的改变而改变, 因此原则上可以利用它对原子的初态进行识别. 此外, 还研究了体系的初态为相干叠加态, 光电子动量谱随着叠加态相对相位的变化规律.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2013, 62 (11): 114101.
doi: 10.7498/aps.62.114101
摘要 +
本文利用一种已有的金属丝阵列结构, 验证了时间反演技术的时空聚焦特性, 并证明了在该阵列结构中, 时间反演电磁波具有超分辨率聚焦特性. 利用金属丝阵列能为凋落波提供传播渠道这一特性, 通过改变信号对时间反演镜的激励方式, 得到了多种亚波长异地成像的仿真结果. 本文的分析和仿真结果证实了利用时间反演技术, 可以采用传统的材料和设备, 在远场实现超分辨率聚焦成像, 并能在多个位置实现对源信号的提取和分析.
2013, 62 (11): 114102.
doi: 10.7498/aps.62.114102
摘要 +
基于扩展的等效电路方法, 建立了电偶极子和磁偶极子天线近场照射下开孔矩形腔体电磁屏蔽效能计算的近似解析模型, 计算分析了场源–腔体距离对电场和磁场屏蔽效能的影响规律. 结果表明在近场区, 屏蔽效能随场源–腔体距离的减小而明显减小, 近场屏蔽效能小于远场屏蔽效能. 基于Bethe小孔耦合理论, 得出了描述近场和远场屏蔽效能关系的解析公式, 并用该公式检验了等效电路方法计算结果的可信性.
2013, 62 (11): 114103.
doi: 10.7498/aps.62.114103
摘要 +
激光在次稠密等离子中传输, 由于频率下移而被俘获, 从而产生电磁孤立子. 根据先前理论及PIC 模拟给出的孤立子的演化过程, 对不同阶段孤立子的电磁场分布进行了建模. 使用Geant4蒙特卡罗程序, 模拟研究了激光加速产生的能量为几个MeV的质子束对后孤立子的照相. 分析了质子能量, 质子源尺寸等因素对照相结果的影响, 并利用了TNSA加速产生质子束的分幅特性, 开展了时间分辨的孤立子照相模拟研究. 模拟给出的质子照相结果验证了文献中给出的孤立子静电场模型, 为以后在实验上探测孤立子提供了理论依据.
2013, 62 (11): 114201.
doi: 10.7498/aps.62.114201
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基于广义Mie理论, 研究了椭球粒子对在轴入射的拉盖尔-高斯光束的散射特性. 通过局域近似法求解椭球坐标系中的波束因子, 计算得到了波束因子之间满足的普遍关系. 对散射强度随椭球粒子不同尺寸参数和扁圆程度的变化特性进行了数值计算, 并针对不同拓扑荷时的散射强度进行了对比分析. 结果表明: 当椭球粒子尺寸在与入射光波长可比拟的范围内变化时, 散射强度随尺寸参数的增大而增大, 随椭球长短轴之比和拓扑荷的增大而减小. 本文的理论研究能够为拉盖尔-高斯光束在粒径测量、大气激光通信、 大气遥感等领域的应用提供更准确的粒子模型和参考价值.
2013, 62 (11): 114202.
doi: 10.7498/aps.62.114202
摘要 +
本文提出一种基于相位敏感谱域光学相干层析术 (spectral domain optical coherence tomography, SD-OCT) 的遗留指纹获取方法, 该方法具有非接触、无损、快速和高灵敏度优势. 实验结果显示, 即使在低对比度条件下, 本方法也能较好地再现遗留指纹, 证明相位敏感谱域光学相干层析术可以准确、可靠地识别潜指纹.
2013, 62 (11): 114203.
doi: 10.7498/aps.62.114203
摘要 +
进行星间激光通信的光学发射天线光束整形器设计时, 首要解决的问题是根据输入光场及理想的输出光场, 确定整形器的相位分布, 其核心就是相位恢复. 基于角谱传播理论, 在传统 Gerchberg-Saxton (G-S)迭代算法的基础上, 提出了一种幅度梯度加成迭代算法, 给出了算法的详细流程与分析. 与G-S相比, 新算法利用迭代过程, 构建光场幅度反馈回路, 利用梯度搜索最佳迭代路径, 两者的联合作用加速其迭代收敛进程. 数值仿真表明, 新算法的单位迭代次数所引起迭代误差下降的速度是G-S算法的1.7倍, 其收敛速度明显优于G-S算法; 对不同的随机初始相位, 新算法都能进行有效迭代, 表现出适应性强, 且收敛一致性好的优点. 幅度梯度加成迭代算法为复杂光场的高效相位恢复提供了一种新思路, 为设计各种衍射光学元件提供了技术支持.
2013, 62 (11): 114204.
doi: 10.7498/aps.62.114204
摘要 +
根据量子力学相干态表象下的Wigner函数公式, 推导了N00N态在相空间的Wigner分布函数的解析表达式. 基于相空间方法, 研究N00N态作为输入的量子干涉. 推导了与输入光场参数和干涉仪参数相关的输出端探测光子概率的解析表达式, 并进行了数值分析. 从分析结果发现, 当相移参数φ取0和π时, 输出量子态仍为N00N态. 当输入2002态时, 输出结果总是2002态, 与相移参数无关. 随着N的增加, 条件概率随相位的分布峰数一般只有一个, 两个, 三个或四个, 且峰变得更窄. 这些结果可以为实验提供理论指导.
2013, 62 (11): 114205.
doi: 10.7498/aps.62.114205
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提出一种基于自旋相干态变换求解自旋-玻色模型基态的变分法, 并将其用于单原子模型, 得到旋波近似和非旋波近似情形下的解析基态能量和波函数, 特别是在光场与原子的弱、强耦合区域都与数值对角化结果符合得很好. 另外, 该方法也可以直接用于求解任意原子数的Dicke模型基态和相应的量子相变研究, 而通常基于Holstein-Primakoff变换的变分法, 原则上只适用于原子数趋于无穷的热力学极限情形.
2013, 62 (11): 114206.
doi: 10.7498/aps.62.114206
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立足于Yb离子能级结构、谐振腔增益损耗和布居数分配情况, 利用爱因斯坦辐射理论和速率方程理论, 建立了适合Yb3+离子激光的准三能级理论模型. 该模型引入有效腔长增益贡献因子对腔内光强进行了从头计算, 获得了阈值方程. 利用此模型与Yb激光的实验结果相比较, 发现有效腔长对增益的贡献可以改变腔内损耗和粒子数反转的概率, 也继而影响激光阈值和输出功率效率. 应用于LD端抽运Yb3+:YVO4激光实验中, 在971 nm LD抽运, 有效晶体长度 L=1 mm, 输出镜透过率对激光波长1016 nm为1%条件下, 获得阈值为1.1 W; 有效晶体长度L=2 mm, 输出镜透过率为10%条件下, 阈值获得为3.9 W.
2013, 62 (11): 114207.
doi: 10.7498/aps.62.114207
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研究了在圆柱曲面基底上自组装空心和实心的圆柱形蛋白石和反蛋白石结构光子晶体的方法. 用垂直沉积法在不同曲率半径的毛细管内自组装了空心圆柱形聚苯乙烯(PS)蛋白石结构光子晶体薄膜和二氧化硅 (SiO2) 反蛋白石结构薄膜; 用类重力沉积法制得实心圆柱形蛋白石和反蛋白石结构光子晶体, 并讨论了这一生长方式中的状态变化过程及影响因素. 用扫描电子显微镜对样品内部结构进行了表征, 用光谱仪测试了光子晶体薄膜的反射光谱, 结果表明: 基底曲率半径和微球粒径的大小是影响空心蛋白石和反蛋白石薄膜质量的主要因素; 微球大小是影响实心结构有序性的主要因素.
2013, 62 (11): 114208.
doi: 10.7498/aps.62.114208
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本文设计了一种基于Franz-Keldysh (FK) 效应的GeSi电吸收调制器. 调制器集成了脊形硅单模波导. 光由脊形硅波导以倏逝波形式耦合进锗硅吸收层. 在硅基锗二极管FK效应实验测试的基础上, 有源区调制层锗硅中的硅组分设计为1.19%, 从而使得器件工作在C (1528–1560 nm) 波段. 模拟结果显示该调制器的3 dB带宽可达64 GHz, 消光比为8.8 dB, 而插损仅为2.7 dB.
2013, 62 (11): 114209.
doi: 10.7498/aps.62.114209
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本文建立了偏分复用系统中偏振模色散与信号偏振态变化引起信道串扰的数学模型, 分析了偏振模色散对偏分复用信道射频功率的影响, 并提出了适用于偏分复用系统的光域偏振模色散补偿与偏分解复用同时进行的方案: 用信道的射频功率作为反馈控制信号, 监测链路中偏振模色散和偏振态变化引起的信道串扰的大小, 用改进的粒子群优化算法对偏振控制器进行自适应控制, 同时完成偏振模色散补偿与偏分解复用. 在112 Gb/s偏分复用-差分正交相移键控(PDM-DQPSK)传输系统中仿真验证了该方案的有效性. 结果表明该方案可以使112 Gb/s-PDM-DQPSK传输系统完成自适应偏分解复用的同时, 在1 dB的光信噪比代价下, 使系统对偏振模色散的容忍度提高20 ps.
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2013, 62 (11): 114301.
doi: 10.7498/aps.62.114301
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将弹性管壁视为膜弹性结构, 探索在外部声场作用下弹性微管内液柱-气泡-管壁构成耦合振动系统的非线性特征. 利用逐级近似法对系统非线性共振频率、基频和三倍频振动幅值响应、 分频激励共振机理等进行了理论分析. 基频和三倍频振动的幅-频响应数值结果表明: 气泡的轴向共振和管壁共振不能同时出现; 两垂直方向的振动均表现出幅值响应多值性, 进而可能引起系统的不稳定声响应; 三倍频振动在低频区的声响应强于高频区.
2013, 62 (11): 114501.
doi: 10.7498/aps.62.114501
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颗粒物质由离散的固体颗粒组成, 受到周期性振动时可以表现出复杂的动力学行为. 这些行为往往受众多因素的影响, 如空气阻力和器壁摩擦力等. 针对受振颗粒体系中冲击力的倍周期分岔现象, 通过抽真空或将容器底镂空消除空气阻力, 单独研究器壁滑动摩擦力的影响. 结果表明在仅有器壁摩擦力作用的情况下, 倍周期分岔过程仅受约化振动加速度的控制, 与颗粒的尺寸、颗粒层数及振动频率无关. 将器壁摩擦力处理成一个大小恒定、方向与颗粒和器壁相对速度反向的阻力, 并包含到完全非弹性蹦球模型中, 能够对所观察到的现象给出很好的解释. 通过对倍周期分岔点测量平均值的拟合, 得到器壁滑动摩擦力的大小约为颗粒总重量的10%.
2013, 62 (11): 114701.
doi: 10.7498/aps.62.114701
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基于不可压Navier-Stokes方程, 采用计算流体力学方法, 数值模拟与分析了层流圆管潜射流在密度均匀黏性流体中的演化机理及其表现特征, 定量研究了蘑菇形涡结构无量纲射流长度L*、螺旋型涡环半径R*及其包络外形长度d*等几 何特征参数随无量纲时间t*的变化规律. 数值结果表明, 蘑菇形涡结构的形成与演化过程可分为三个不同的阶段: 启动阶段、发展阶段和衰退阶段. 在启动阶段, L*和d*随t* 线性变化, 而R*则近似为一个常数; 在发展阶段, 蘑菇形涡结构的演化具有自相似性, L*, R*和d*与t*1/2均为同一正比关系, 而且雷诺数和无量纲射流时间不影响该正比关系; 在衰退阶段, L* 和R* 正比于t*1/5, 而d*则近似为一个常数. 此外, 还对蘑菇形涡结构二次回流点、 动量源作用中心及其几何中心的速度变化规律、垂向涡量分布特征和 涡量-流函数关系进行了分析.
2013, 62 (11): 114702.
doi: 10.7498/aps.62.114702
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基于可压缩流体力学基本理论, 通过边界积分方程, 采用不同表面压力模型, 求解空泡在计及可压缩性的涡流场中的运动规律; 通过表面离散及坐标变换, 采用Kirchhoff动边界积分方程, 将空泡表面视为运动变形边界, 作为直接噪声源, 获得涡流场中空泡运动产生的时域声压分布; 分析了涡流场参数对空泡运动规律及声辐射特性的影响. 研究结果表明: 计及流场可压缩性, 空泡的脉动幅度会随时间减弱, 辐射声压幅值随之减小; 空泡在涡流场中会发生延展、 颈缩、 撕裂, 并在撕裂后子空泡中形成射流; 当流场中的压力减小时, 空泡运动过程中的最大半径与撕裂前的最大长度逐渐增加, 且当流场中压力较小时, 空泡撕裂时形成的子空泡增多; 空泡辐射声压的指向性较弱, 撕裂会使辐射声压产生突变, 形成极大峰值; 随着涡通量的增大或空泡数的减小, 空泡脉动周期及其诱导的辐射声压波动周期随之延长, 辐射声压峰值逐渐滞后并减小. 本文结果旨在为涡流场中空泡运动规律及声辐射特性的相关研究提供参考.
气体、等离子体和放电物理
2013, 62 (11): 115201.
doi: 10.7498/aps.62.115201
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本文基于流体动力学理论改进出一种新的棒-板电极负电晕放电混合数值模型, 模型中加入了27种主要碰撞反应, 并考虑了光电离和二次电子发射过程. 对棒-板间距3.3 mm, 施加电压-5.0 kV情况下进行数值计算, 得到负电晕放电的特里切尔脉冲. 重点分析了单个特里切尔脉冲持续过程中5个关键时刻的微观特征量发展规律, 丰富并量化描述了特里切尔脉冲的微观过程, 主要结论如下: 随着放电时间的发展, 电场集中分布区域向阳极移动且幅值变小, 这对电子崩的发展非常不利. 大部分放电区域都是电中性的, 只有在阴极鞘和阳极鞘附近有带正电的等离子体特性, 带负电的离子云随着放电时间的发展缓慢向阳极发散式移动. 整个特里切尔脉冲持续过程中, 阴极鞘内电子密度几乎为0; 特里切尔脉冲前期, 阴极鞘附近电子密度迅速增加至最大值并保持基本不变; 随着放电时间的增加, 放电间隙内电子密度整体增加, 并且向阳极发展. 在特里切尔脉冲后期, 电子的产生主要来自于N2和O2的碰撞电离, 电子的消失则主要由N2+的复合决定, O4+和O2-分别是数量最多的正离子和负离子.
2013, 62 (11): 115202.
doi: 10.7498/aps.62.115202
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本文利用朗缪尔静电探针对掺入了电负性气体O2, Cl2, SF6的由4068 MHz激发的单射频容性耦合Ar等离子体进行了诊断测量. 测量结果表明: 随着电负性气体流量的增加, 电子能量概率分布函数出现了高能峰, 高能峰且有向高能侧漂移的现象; 电负性气体掺入Ar等离子体后显著降低了等离子体的电子密度; 电子温度随着电负性气体流量比的增加而升高. 另外, 本文还测量了掺入三种电负性气体后在不同流量比下的混合气体等离子体的电负度α . 对实验现象进行了初步的解释.
2013, 62 (11): 115203.
doi: 10.7498/aps.62.115203
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利用流体-亚稳态原子传输混合模型研究了氩气矩形空心阴极放电稳态时的参数. 数值计算得到了压强为10 Torr时的电势、电子、离子和亚稳态氩原子密度以及电子平均能量的分布. 结果表明电子和离子密度峰值为4.7×1012 cm-3, 亚稳态原子密度峰值为2.1×1013 cm-3. 本文同时对流体-亚稳态原子传输混合模型和单一流体模型模拟得到的放电参数进行了比较. 结果表明, 分步电离是新电子产生的重要来源, 亚稳态原子对空心阴极放电特性有重要影响. 与单一流体模型相比, 混合模型计算得到的电子密度升高, 阴极鞘层宽度和电子平均能量降低.
2013, 62 (11): 115204.
doi: 10.7498/aps.62.115204
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从模式保留和转换的角度, 过模波导器件可分为模式转换器、模式保留器和模式综合器. 传统方法只解决其中一种器件的设计或者对器件的某个指标进行改进. 本文在深入分析耦合波理论之后, 提出了过模波导器件的迭代设计方法, 从原理上解决了过模波导器件的设计问题. 该方法能够统一设计三类过模波导器件, 通过添加不同的结构控制方法, 可得到转换效率更高、带宽更宽、结构更紧凑、满足不同工程需求的器件, 而且还能有效设计一些新型器件. 给出了两个设计实例: 双频TM01–TE11模式变换器和光壁馈源喇叭. 双频TM01–TE11模式变换器的两个工作频点为8.75 GHz和10.3 GHz, 波导半径为16 mm, 在两个频点转换效率为99%以上. 光壁馈源喇叭实现TE11模式向高斯束的转换. CST仿真结果验证了这两个器件设计的正确性和有效性.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2013, 62 (11): 116101.
doi: 10.7498/aps.62.116101
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本文对静态随机存储器 (SRAM) 总剂量辐射引起的功能失效进行了六种不同测试图形下的测试. 利用不同测试图形覆盖的出错模式不同, 通过对比一定累积剂量下同一器件不同测试图形测试结果的差异, 以及对失效存储单元单独进行测试, 研究了总剂量辐照引起的SRAM器件功能失效模式. 研究表明: 器件的功能失效模式为数据保存错误 (Data retention fault) 且数据保存时间具有离散性, 引起数据保存错误的SRAM功能模块为存储单元. 通过对存储单元建立简化的等效电路图, 分析了造成存储单元数据保存错误以及保存时间离散性的原因, 并讨论了该失效模式对SRAM总剂量辐射功能测试方法的影响.
2013, 62 (11): 116201.
doi: 10.7498/aps.62.116201
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本文采用第一性原理研究了六角相ErAx (A=H, He)的弹性性质, 其中x=0, 0.0313, 0.125, 0.25, 分别讨论了体系中不同浓度的氢和氦对体系弹性性质的影响. 计算结果表明, 六角相铒-氢体系晶体的弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量基本上随着晶体中氢的浓度增加而增加, 然而, 铒-氦体系的弹性常数、体弹模量、剪切模量和杨氏模量几乎随着氦浓度的增加而降低. 从电荷转移方面分析了氢和氦与Er的相互作用, 发现六角相ErHx的弹性性质随H浓度的变化机理与ErHex随He浓度的变化机理不同.
2013, 62 (11): 116202.
doi: 10.7498/aps.62.116202
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本文在传统Asay窗技术基础上设计发展了一种用于诊断熔化状态下 金属样品表面附近一定厚度区域内熔化破碎现象的Asay-F窗技术, 较准确给出了该区域熔化破碎物质的质量和密度分布信息, 并与表面微喷和固体层裂片的特征进行了比对分析, 为熔化破碎现象的形成机理认识和物理建模提供了重要实验数据. 而且研究表明Asay-F窗技术可在一定程度上弥补目前熔化破碎现象 主要依靠高成本质子照相技术诊断的不足.
2013, 62 (11): 116203.
doi: 10.7498/aps.62.116203
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针对摩擦力效应产生的机理, 本文设计了三种不同尺寸的试件进行SHPB实验, 得到了摩擦力效应对实验的定量影响, 在此基础上对混凝土的DIF进行了修正研究, 为混凝土抗冲击工程设计提供了参考依据.
2013, 62 (11): 116801.
doi: 10.7498/aps.62.116801
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采用直流磁控溅射工艺, 在一定条件下通过控制溅射时间, 在钠钙玻璃上制备了不同厚度的用于Cu(Inx, Ga1-x)Se2薄膜太阳电池背接触材料的Mo薄膜, 并利用X射线衍射 (XRD)、场发射扫描电子显微镜 (SEM)、四探针测试仪、台阶仪研究了厚度对溅射时间、薄膜微结构、电学性能及力学性能的交互影响. Mo薄膜的厚度与溅射时间呈线性递增关系; 随厚度的增大, Mo薄膜 (110) 和 (211) 面峰强均逐渐增大, 择优生长从(110)方向逐渐向 (211)方向转变, 方块电阻值只随 (110) 方向上的生长而急剧减小直到一特定值约2 Ω/⇑, 电导率随薄膜的 (110) 择优取向程度的降低而线性减小直到一特定值约0.96×10-4 Ω·cm; Mo薄膜内部是一种多孔的长形簇状颗粒和颗粒间隙交织的结构, 并处于拉应力态, 其内部应变随薄膜厚度的增大而减小.
2013, 62 (11): 116802.
doi: 10.7498/aps.62.116802
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在关联有效场理论的框架内, 利用微分算子技术, 详细地计算了基于横场伊辛模型描述的对称铁电薄膜系统的相变性质. 根据薄膜各层自旋平均值构成的一系列耦合方程, 推导出可以用来计算任意层的具有不同表面层的薄膜相图的解析通式方程, 讨论了参数修改对薄膜相互作用参数从FPD (铁电相占主导地位的相图)到PPD (顺电相占主导地位的相图)过渡值和参数空间中各相变区域的影响. 在与平均场近似进行比较的结果显示, 关联有效场理论所得到的铁电薄膜的铁电性在某种程度上比平均场近似下的结果减弱.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2013, 62 (11): 117101.
doi: 10.7498/aps.62.117101
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用第一性原理离散变分方法研究了难熔元素钨(W)在金 属间化合物NiAl(010)刃型位错体系中的占位以及对键合性质的影响, 计算了纯位错体系和掺杂体系的能量参数(结合能、 杂质偏聚能及原子间相互作用能)、 态密度和电荷密度分布. 体系结合能和杂质偏聚能的计算结果表明: 难熔元素W优先占据Al格位. 此外,由于难熔元素W的4d轨道与近邻基体原子Ni的3d轨道和Al的3p轨道的杂化, 使得掺杂体系中难熔元素W与近邻基体原子间的相互作用能加强; 同时难熔元素W与位错芯区近邻基体原子间有较多的电荷聚集, 这表明W与近邻基体原子间形成了较强的化学键. 难熔元素W对NiAl化合物的能量及电子结构有较大的影响, 从而影响位错的运动及NiAl金属间化合物的性能.
2013, 62 (11): 117102.
doi: 10.7498/aps.62.117102
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本文采用第一性原理方法对清洁Cu∑5晶界与有B掺杂 到间隙位的Cu∑5晶界进 行了拉伸和压缩的模拟研究. 结果分析表明, Cu∑ 5晶界结合因B的掺入得到加强. 清洁Cu∑5晶界处因有较大空隙而存在电子密度低的区域, 晶界结合相对较弱, 在拉伸过程中晶界从其界面处开始断裂. 有B掺杂在间隙位的Cu∑5晶界电子由Cu向Cu-B间积聚, 晶界结合相对较强, 拉伸时晶界从其近邻原子层开始断裂. 在形变小于20%的压缩过程中, B的掺入未对晶界产生明显影响.
2013, 62 (11): 117103.
doi: 10.7498/aps.62.117103
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本文采用正电子湮没谱研究质子辐照诱生缺陷, 实验发现: 能量为5 MeV的质子辐照在GaN厚膜中主要产生的是Ga单空位, 没有双空位或者空位团形成; 在10 K测试的低温光致发光谱中, 带边峰出现了"蓝移", 辐照后黄光带的发光强度减弱, 说明黄光带的起源与Ga空位(VGa)之间不存在必然的联系, 各激子发光峰位置没有改变, 仅强度随质子注量发生变化; 样品(0002)面双晶XRD扫描曲线的半峰宽在辐照后明显增大, 说明质子辐照对晶格的周期性产生了影响, 薄膜晶体质量下降.
2013, 62 (11): 117301.
doi: 10.7498/aps.62.117301
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Cu-CeO2体系因其特殊的催化能力而在固体氧化物燃料电池和水煤气转化反应等多个催化领域有重要应用. 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在原子和电子层面上系统地研究了单个Cu原子及Cu小团簇在CeO2(110)面上的吸附构型, 价键特性和电子结构, 结果表明: 1) 单个Cu原子的最稳定吸附位是两个表面O的桥位; 2) Cu团簇的稳定吸附构型为扭曲的四面体结构; 3) Cu原子及Cu团簇的吸附在CeO2(110)面的gap区域引入了间隙态, 这些间隙态主要来自于Cu及其近邻的O和表层还原形成的Ce3+, 间隙态的出现表明Cu的吸附增强了CeO2(110)表面的活性; 4) 吸附的单个Cu原子及Cu团簇分别被CeO2(110)面表层的Ce4+离子氧化形成了Cuδ+和Cu4δ+, 并伴随着Ce3+离子的形成, 这个反应可归结为Cux/Ce4+→Cuxδ+/Ce3+; 5) Cu团簇的吸附比Cu单原子的吸附引入了更多的Ce3+离子, 进而形成了更多的Cuδ+-Ce3+催化活性中心. 结合已报道的Cu/CeO2(111)界面特性, 更加全面地探明了Cu与CeO2(111)和(110)两个较稳定低指数表面的协同作用特性, 较为系统地揭示了Cu增强CeO2催化特性的原因及Cu与CeO2协同作用的内在机理.
2013, 62 (11): 117302.
doi: 10.7498/aps.62.117302
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采用等离子增强原子层沉积技术在单晶硅基体上成功制备了AlN晶态薄膜, 利用椭圆偏振仪、原子力显微镜、小角掠射X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜、 X射线光电子能谱仪对样品的生长速率、表面形貌、晶体结构、薄膜成分进行了表征和分析, 结果表明, 采用等离子增强原子层沉积制备AlN晶态薄膜的最低温度为200 ℃, 薄膜表面平整光滑, 具有六方纤锌矿结构与(100)择优取向, Al2p与N1S的特征峰分别为74.1 eV与397.0 eV, 薄膜中Al元素与N元素以Al-N键相结合, 且成分均匀性良好.
2013, 62 (11): 117303.
doi: 10.7498/aps.62.117303
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为了抑制埋层注氮导致的埋层内正电荷密度的上升, 本文采用氮氟复合注入方式, 向先行注氮的埋层进行了注氮之后的氟离子注入, 并经适当的退火, 对埋层进行改性. 利用高频电容-电压 (C-V) 表征技术, 对复合注入后的埋层进行了正电荷密度的表征. 结果表明, 在大多数情况下, 氮氟复合注入能够有效地降低注氮埋层内的正电荷密度, 且其降低的程度与注氮后的退火时间密切相关. 分析认为, 注氟导致注氮埋层内的正电荷密度降低的原因是在埋层中引入了与氟相关的电子陷阱. 另外, 实验还观察到, 在个别情况下, 氮氟复合注入引起了埋层内正电荷密度的进一步上升. 结合测量结果, 讨论分析了该现象产生的原因.
2013, 62 (11): 117304.
doi: 10.7498/aps.62.117304
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本文通过对含有高In组分量子点的双波长LED进行了模拟计算, 并对器件的能带结构、载流子浓度、复合速率和辐射光谱进行了研究. 通过对器件结构的调整与对比, 发现蓝绿双波长LED的绿光量子阱中加入高In组分量子点后可以拓宽辐射光谱, 使LED光谱具有更高的显色指数, 为实现无荧光粉的白光LED提供指导. 量子点对载流子具有很强的束缚能力, 并且载流子在量子点处具有更短的寿命, 载流子优先在量子点处复合, 量子点处所对应的黄光与量子阱润湿层所对应的绿光的比例随量子点浓度的增大而增大, 载流子浓度较低时以量子点处的黄光辐射为主, 载流子浓度变大后, 量子点复合逐渐达到饱和, 绿光辐射开始占据主导. 对间隔层厚度和间隔层掺杂浓度的调节可以很方便地调控载流子的分布, 从而实现对含有量子点的双波长LED两个活性层辐射速率的调控. 结果表明, 通过对量子点浓度、间隔层厚度、间隔层掺杂浓度的控节可以很好地实现对LED辐射光谱的调控作用.
2013, 62 (11): 117305.
doi: 10.7498/aps.62.117305
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在室温下利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备的颗粒膜P掺杂SiO2为栅介质, 使用磁控溅射方法利用一步掩模法制备出一种新型结构的侧栅薄膜晶体管. 由于侧栅薄膜晶体管具有独特的结构, 在射频磁控溅射过程中, 仅仅利用一块镍掩模板, 无需复杂的光刻步骤, 就可同时沉积出氧化铟锡(ITO)源、漏、栅电极和沟道, 因此, 这种方法极大地简化了制备流程, 降低了工艺成本. 实验结果表明, 在P掺杂SiO2栅介质层与沟道层界面处形成了超大的双电层电容(8 μF/cm2), 这使得这类晶体管具有超低的工作电压1 V, 小的亚阈值摆幅82 mV/dec、高的迁移率18.35 cm2/V·s和大的开关电流比1.1×106. 因此, 这种P掺杂SiO2双电层超低压薄膜晶体管将有望应用于低能耗便携式电子产品以及新型传感器领域.
2013, 62 (11): 117501.
doi: 10.7498/aps.62.117501
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基于第一性原理投影缀加波和梯度矫正局域密度近似(PAW-GGA), 研究了Nd2Fe14B和Dy2Fe14B的基态晶格属性, 进而对Dy在Nd2Fe14B晶格中的掺杂进行了研究, 并采用GGA+U的方式进行了原子磁矩计算, 并与自旋轨道耦合 (SOI) 计算结果进行了对照. 置换计算表明, Dy原子倾向于置换Nd2Fe14B晶格中4f位的稀土原子. 磁矩计算表明, 在R2Fe14B (R: 稀土元素) 晶格中, 4f位的稀土元素与Fe原子作用更强, 对磁性能的影响更大. 稀土原子与Fe的作用与距离呈正相关.
2013, 62 (11): 117701.
doi: 10.7498/aps.62.117701
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本文首先以刚度矩阵法为基础, 给出了ZnO薄膜/金刚石在四种不同激励条件下的有效介电常数计算公式. 然后以此为工具, 分别计算了多晶ZnO(002) 薄膜/多晶金刚石和单晶ZnO(002) 薄膜/多晶金刚石的声表面波特性, 并根据计算结果及设计制作声表面波器件的要求, 对ZnO膜厚的选择进行了详细地分析. 最后讨论了ZnO/金刚石/Si复合晶片可以忽略Si衬底对声表面特性影响时对金刚石膜厚的要求.
2013, 62 (11): 117702.
doi: 10.7498/aps.62.117702
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通过对克劳修斯-莫索蒂方程的近似, 分析了钙钛矿结构微波介质陶瓷频率温度系数 (τf) 的主要影响因素, 发现改变材料介电响应中离子位移极化和电子位移极化的比例, 可调节频率温度系数的正负与大小. 通过电子结构计算和容忍因子分析, 预测引入(Zn1/3Nb2/3)4+对具有正温度系数 的CaTiO3进行B位取代将提高材料电子极化响应比例, 调节τf由正变负. 采用偏铌酸盐为前驱体, 通过固相反应法合成了Ca[(Zn1/3Nb2/3)xTi(1-x)]O3钙钛矿结构陶瓷, 并对其进行结构分析和性能测试, 实验结果与理论分析一致, 获得了具有近零频率温度系数的Ca[(Zn1/3Nb2/3)0.7Ti0.3]O3介质陶瓷材料.
2013, 62 (11): 117801.
doi: 10.7498/aps.62.117801
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本文报道了结构自还原对铋掺杂碱土金属硅磷铝硼玻璃超宽带近红外发光性质的影响. 以Eu作为对比, 在空气气氛中采用高温熔融法分别制备了Eu2O3和Bi2O3掺杂的35SiO2-25AlPO4-12.5Al2O3-12.5B2O3-15RO(R=Ca,Sr,Ba) 玻璃. 结果证实该玻璃中可发生Eu3+→Eu2+的高温自还原现象, 且随着碱土金属离子半径增大Eu2+ 的自还原性减弱; 同样条件下Bi位于1300 nm波段的近红外发光却随之增强, 而位于1100 nm波段近红外发光和源于Bi2+的红光则减弱. 根据结构自还原机理及碱土离子半径变化对玻璃近红外超宽带发光性质的影响, 讨论了Bi离子的近红外发光中心的归属. 上述研究表明玻璃结构自还原特性可以为Bi近红外发光机理研究以及高效Bi掺杂超宽带近红外发光玻璃的设计提供一种有效的思路和方法.
2013, 62 (11): 117802.
doi: 10.7498/aps.62.117802
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研究了利用金属有机化学气相淀积生长的氮化铟薄膜的光致发光特性. 由于氮化铟本身具有很高的背景载流子浓度, 费米能级在导带之上, 通过能带关系图以及相关公式拟合光致发光图谱可以得到生长的氮化铟的带隙为0.67 eV, 并且可以计算出相应的载流子浓度为n=5.4×1018 cm-3, 从而找到了一种联系光致发光谱与载流子浓度两者的方法. 另外通过测量变温条件下氮化铟的发光特性, 研究了发光峰位以及发光强度随温度的变化关系, 发现光致发光强度随温度的升高逐渐降低, 发光峰位随温度的升高只是红移, 并没有出现"S"形的非单调变化, 这种差异可能是由于光致发光谱的半高宽过高导致, 同时也可能与载流子浓度以及内建电场强度有关.
2013, 62 (11): 117803.
doi: 10.7498/aps.62.117803
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在还原气氛下, 采用高温熔融法制备了Eu2+/Ce3+共掺的高钆氧化物玻璃. 荧光性能测试显示, Ce3+能够有效地敏化Eu2+的发光, 使Eu2+的发光强度增强了2.3倍; 测试对比了Ce3+ 发光的荧光寿命随Eu2+的掺入前后的变化情况, 计算得出Ce3+→Eu2+ 的能量传递效率可达61.5%, 并进一步探讨了其能量传递机理. 研究表明: 在高钆氧化物玻璃中, 采用Eu2+ 和Ce3+ 共掺的方法可有效地增强Eu2+ 的发光性能和闪烁性能.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2013, 62 (11): 118101.
doi: 10.7498/aps.62.118101
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采用热丝化学气相沉积法制备硼掺杂纳米金刚石 (BDND) 薄膜, 并对薄膜进行真空退火处理, 系统研究退火温度对BDND薄膜微结构和电学性能的影响. Hall效应测试结果表明掺B浓度为5000 ppm (NHB) 的样品的电阻率较掺B浓度为500 ppm (NLB) 的样品的低, 载流子浓度高, Hall迁移率下降. 1000 ℃退火后, NLB和NHB 样品的迁移率分别为53.3和39.3 cm2·V-1·s-1, 薄膜的迁移率较未退火样品提高, 电阻率降低. 高分辨透射电镜、紫外和可见光拉曼光谱测试结果表明, NLB样品的金刚石相含量较NHB样品高, 高的硼掺杂浓度使薄膜中的金刚石晶粒产生较大的晶格畸变. 经1000 ℃退火后, NLB和NHB薄膜中纳米金刚石相含量较未退火时增大, 说明薄膜中部分非晶碳转变为金刚石相, 为晶界上B扩散到纳米金刚石晶粒中提供了机会, 使得纳米金刚石晶粒中B浓度提高, 增强纳米金刚石晶粒的导电能力, 提高薄膜电学性能. 1000 ℃退火能够恢复纳米金刚石晶粒的晶格完整性, 减小由掺杂引起的内应力, 从而提高薄膜的电学性能. 可见光Raman光谱测试结果表明, 1000℃退火后, Raman谱图中反式聚乙炔 (TPA) 的1140 cm-1峰消失, 此时薄膜电学性能较好, 说明TPA减少有利于提高薄膜的电学性能. 退火后金刚石相含量的增大、金刚石晶粒的完整性提高及TPA含量的大量减少有利于提高薄膜的电学性能.
2013, 62 (11): 118102.
doi: 10.7498/aps.62.118102
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采用晶体相场模型模拟获得了平均晶粒尺寸从11.6131.32 nm的纳米晶组织, 研究了单向拉伸过程纳米晶组织的强化规律的微观变形机理. 模拟结果表明: 晶粒转动、晶界迁移等晶间变形行为是纳米晶材料的主要微观变形方式, 纳米晶尺寸减小, 有利于晶粒转动, 使屈服强度降低, 显示出反霍尔-佩奇效应.当纳米晶较小时, 变形量超过屈服点达到4%, 位错运动开启, 其对变形的直接贡献有限, 主要通过改变晶界结构而影响变形行为, 位错运动破坏三叉晶界, 引发晶界弯曲, 促进晶界迁移. 随纳米晶增大, 晶粒转动困难, 出现晶界锯齿化并发射位错的现象.
2013, 62 (11): 118103.
doi: 10.7498/aps.62.118103
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在基底与靶材之间放置磁性强弱不同的永久磁铁来研究外加磁 场对磁控溅射制备氮化硅陷光薄膜的影响. 通过X射线衍射、原子力显微镜 (AFM) 以及紫外分光光度计分别测试了外加磁场前后所制备薄膜的组织结构、表面形貌和光学性能. 结果表明, 外加磁场后, 氮化硅薄膜依然呈现非晶结构; 但是表面形貌发生明显改变, 中心磁场1.50 T下, 薄膜表面为特殊锥状尖峰结构类金字塔的突起, 而且这些突起颗粒垂直于基底表面; 在 可见光及近红外范围内, 中心磁场1.50 T 下的薄膜样品平均透射率最大, 平均透射率达到90% 以上, 比未加磁场的样品提高了近1 倍, 具有很好的陷光特性.
2013, 62 (11): 118104.
doi: 10.7498/aps.62.118104
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采用射频磁控溅射方法, 在低功率和低温条件下利用纯氮气作为反应溅射气体制 备出不同In含量的三元氮化物CuxInyN薄膜. 研究发现In掺杂浓度对薄膜微结构、形貌、表面化学态以及光学特性有灵敏的调节作用. 光电子峰、俄歇峰、俄歇参数的化学位移变化从不同角度揭示了不同含量In掺杂引 起的原子结合情况的变化. XPS结果显示In含量小于8.2 at.%的样品形成了Cu-In-N键. 对In含量为4.6 at.%的样品进行XRD和TEM结构测试, 实验结果肯定了In原子填充到Cu3N的反ReO3结构的体心位置. 并且当In含量增至10.7 at.%时, 薄膜生长的择优取向从之前占主导地位的(001)方向转变为(111)方向. 此外, 随着In含量的增加, 薄膜的R-T曲线从指数形式变为线性. 当In含量为47.9 at.%时, 薄膜趋于大温区恒电阻率材料, 电阻温度系数TCR仅为-6/10000. 光谱测量结果显示In摻杂使得氮化亚铜掺杂薄膜的光学帯隙从间接帯隙变为直接帯隙. 由于Burstein-Moss效应, 帯隙发生蓝移, 从1.02 eV 到2.51 eV, 实现了帯隙连续可调.
2013, 62 (11): 118701.
doi: 10.7498/aps.62.118701
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影响细胞群体行为的因素是多种多样的, 除了以前研究的细胞通讯方式和环境因素外, 还与现有文献没有或很少研究的细胞数目(即系统规模)有关. 本文研究了系统规模对一类合成多细胞通讯系统的聚类行为的影响. 在该系统中, 单个系统是由压制振动子和基于延迟的松弛振子整合而成的振子, 而振子之间通过群体感应机制相互耦合. 通过分岔分析和数值模拟发现: 细胞数目的增加不仅可以改变平衡态聚类稳定性区间的大小并诱导新的聚类行为, 而且有利于扩大平衡态聚类的吸引域, 表明细胞分化可能与系统规模有密切关系; 细胞数目的增加还可以极大地丰富平衡态聚类和振动聚类的表现形式和共存方式, 为生物体对环境的适应性提供了良好的基础. 我们的结果不仅扩充了耦合系统的动力学行为, 也为理解多细胞现象奠定了基础.
2013, 62 (11): 118702.
doi: 10.7498/aps.62.118702
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利用动态光散射技术系统地研究了不同化合价的平衡离子氯化钠 (Na+)、氯化镁 (Mg2+)、三氯六氨络合钴 ([Co(NH3)6]3+) 和精胺 ([C10N4H30]4+) 与DNA之间的相互作用. 实验结果显示, 当缓冲液中只包含Na+ 或Mg2+, 且浓度c≥ 5 mM时, DNA电泳迁移率之比约为2:1; 当缓冲液单独包含Na+或[Co(NH3)6]3+, 且浓度c≥ 5 mM时, DNA 的电泳迁移率之比约为4.5:1. 而当平衡离子的化合价为4时, 观察到DNA的电泳迁移率由负变正, 意味着发生了电荷反转. 在平衡离子浓度c<5 mM时, 随着离子浓度的增大, 迁移率之比逐渐增大. 对于一价或二价平衡离子情形, 实验结果与Manning的平衡离子凝聚理论的预言相符. 对于三价平衡离子, 实验结果与理论值有明显偏离. 而对于四价离子, 由于发生了DNA电荷逆转, 基于平均场的平衡离子凝聚理论失效. 另外, 通过原子力显微镜观察到当平衡离子的化合价大于等于3 时, DNA分子的构型发生变化. 因此, 自由溶液中的聚电解质的构型和离子关联效应在聚电解质迁移过程中起重要作用.
编辑推荐
2013, 62 (11): 118703.
doi: 10.7498/aps.62.118703
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心脏磁场源重构, 即通过人体胸腔表面的磁场阵列测量信号反演产生该磁场的电流源分布, 是一种无创地研究心脏电活动的方法. 本文用线性化方程描述测量磁场与心脏内部电流源的关系, 并通过一种贪婪优化的方法得到了源重构的稀疏解. 通过近似正交化过程和改变迭代算法中原子的选择方式, 降低了优化算法的复杂度, 可在保证源重构精度的情况下, 快速搜索源空间中强度比较大的位置. 文中通过一组正常人的心磁测量数据, 说明了源重构方法的有效性. 这组数据的研究结果表明, 强度大于65%的重构电流源的空间移动轨迹与心脏除极和复极电活动的传导过程基本符合. 其QRS 和ST-T 段的实测心磁图与重构电流源产生的磁场图的平均拟合优度分别为99.36%和99.78%.
2013, 62 (11): 118704.
doi: 10.7498/aps.62.118704
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本文采用互信息方法对磁刺激内关穴过程中的脑电信 号进行了两两通道间非线性时域关联特性分析, 构建了不同频率刺激前、刺激中、刺激后的脑功能网络, 并基于复杂网络理论对脑功能网络的特征进行了深入研究. 结果表明, 磁刺激频率为3 Hz 时, 大脑功能网络的平均度、平均聚类系数和全局效率与刺激前相比均有显著升高, 平均路径长度显著降低, 并且相应脑功能网络的"小世界"属性有所增强, 信息在大脑各区域间的传递更加高效. 本研究首次开展了磁刺激穴位复杂脑功能网络的构建与分析, 为探索磁刺激穴位对大脑神经调节的作用和机理提供新思路和新方法.
地球物理学、天文学和天体物理学
2013, 62 (11): 119401.
doi: 10.7498/aps.62.119401
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航天器与等离子体环境中的电子、离子相互作用, 表面将出现充放电效应, 对航天器产生负面影响. 表面充电电位对充放电影响至关重要. 综合考虑等离子体中粒子质量、温度及密度, 二次电子效应及非偏置固体的运动速度等因素, 基于气体动理论, 利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中非偏置固体表面充电电位一般表达式. 分析了等离子体以及非偏置固体特殊状态下的表达式及一般状态下的表达式, 总结出不同等离子环境、不同运动状态下的表面充电规律.
2013, 62 (11): 119701.
doi: 10.7498/aps.62.119701
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为实现X射线脉冲星导航系统在地面的演示验证, 提出并设计了一种高精度X射线脉冲星仿真源. 该仿真源由模拟调制信号发生器和栅控X射线球管组成. 模拟调制信号发生器根据脉冲星标准脉冲轮廓数据和栅控球管特性曲线, 利用直接数字频率合成技术产生模拟调制信号, 加载在X射线球管控制栅极, 从而控制轰击阳极靶的高速电子数目来实现X射线的调制, 产生与脉冲星标准脉冲轮廓高吻合度的X射线光子统计分布. 在X射线脉冲星地面仿真系统中对Crab脉冲星仿真源的性能进行测试, 测试结果为: 采集脉冲轮廓与标准脉冲轮廓时域相关度和频率相关度分别达到0.9774和0.9853, 辐射流量为1. 90 ph·cm-2·s-1, 脉冲辐射流量与总辐射流量之比为76.15%, 脉冲半宽度为1.879 ms. 结果表明: 该仿真源具有符合度高, 成本低, 操作简单灵活, 对X 射线脉冲星导航关键技术的攻关具有重要的意义.
