Vol. 62, No. 19 (2013)
2013年10月05日
总论
2013, 62 (19): 190201.
doi: 10.7498/aps.62.190201
摘要 +
本文主要研究一种梯度响应面模型及其在气动优化设计中的应用. 目前应用广泛的多项式响应面模型是连续可导的, 采用梯度信息构造完全二阶多项式响应面模型, 所需样本数与设计参数个数呈线性关系. 首先通过改进实验设计方法, 快速生成满足精度要求的样本并确定梯度响应面模型. 随后通过函数实验验证梯度响应面模型的精度, 及该模型在多极值函数最值搜索中的有效性. 最后由伴随方法快速求解气动优化设计目标函数的梯度信息, 并开展基于梯度响应面模型和复合形法的叶片压力反设计和效率优化设计. 结果表明: 基于梯度响应面模型的优化方法在全局最优及提高优化效率两方面均有出色表现, 基于该优化方法的气动优化设计能够显著改善叶片的气动性能.
2013, 62 (19): 190202.
doi: 10.7498/aps.62.190202
摘要 +
启发式优化算法中寻优代理过早收敛易陷入局部最优. 本文对此进行机理分析并发现, 虚拟碰撞作为一种隐性过早收敛现象将直接影响群体智能优化算法的准确性与快速性, 而采样过程的无约束性和样本分布信息的缺失是导致虚拟碰撞的根本原因. 为解决上述问题, 本文提出雨林优化算法. 该算法仿照植物生长模式, 利用规模可变种群代替规模限定种群进行分区分级寻优采样, 并结合均匀与非均匀采样原则来权衡优化算法的探索与挖掘, 可以有效减少虚拟碰撞的发生, 在提高寻优效率的同时, 获取精准性和稳定性较高的全局最优解. 与遗传算法、粒子群算法对标称函数的寻优对比实验表明, 雨林算法在快速性、准确性以及泛化能力等方面均具有优势.
2013, 62 (19): 190301.
doi: 10.7498/aps.62.190301
摘要 +
研究了两个初始处于纠缠相干态上的宏观场各自独立地与一个环境相互作用的系统, 环境对腔场的影响只体现在腔场光子数的泄漏上. 采用共生纠缠(concurrence)度量两个宏观场间的纠缠, 并给出宏观场纠缠的解析解, 以分析这种系统中宏观场纠缠的动力学特性. 研究表明当场的初始平均光子数较大时, 即使很小的光子泄漏率也会导致腔场间出现纠缠突然死亡现象. 同时研究结果也表明光子从腔场泄漏到环境后会导致两环境间的纠缠突然产生, 而这种纠缠产生的时机直接与腔场的初始光子数相关. 本文还进一步发现在大光子数的情况下, 在任何时刻任意一个腔场与任意一个环境间都不会产生纠缠.
2013, 62 (19): 190302.
doi: 10.7498/aps.62.190302
摘要 +
本文研究单分子磁体Na9[Cu3Na3(H2O)9 (α-AsW9O33)2]·26H2O中三角自旋 环在磁场作用下的热纠缠性质, 利用数值计算求出任意两个Cu2+离子量子比特之间的配对纠缠度, 分别记为C12, C23和C13. 研究结果表明, 磁场的方向和大小以及温度对配对纠缠度具有重要影响, 而且参数的变化对C12, C23和C13的影响也是各不相同. 给出外加三个不同方向的磁场时, 配对纠缠度C12, C23和C13各自对应的临界温度Tc随磁场强度的变化图, 由此可以得到单分子磁体三角自旋环中存在纠缠态的参数范围. 通过选择适当的磁场方向和大小以及温度等实验参数, 可以有效地调节和提高单分子磁体中的配对纠缠度.
2013, 62 (19): 190501.
doi: 10.7498/aps.62.190501
摘要 +
分子马达的梯跳运动和在过阻尼溶液中动力学原理尚未揭示清楚, 从分子马达输运特点和实验现象出发, 构建满足朗之万方程的单向能量跃迁模型, 并通过Monte Carlo方法分析了分子马达的随机动力学行为. 结果表明, 在合适的跃迁能量作用下, 分子马达可以利用噪声进行稳定的梯跳运动和有效的输运, 但负载力会减弱分子马达系统的输运能力; 轨道周期势虽影响分子马达速度的大小但不会改变其运动方向, 分子马达运动方向由跃迁能量决定; 另外, 虽然在不同的噪声强度时平均速度不为零, 但是分子马达系统的高效输运对噪声有一定选择性.
2013, 62 (19): 190502.
doi: 10.7498/aps.62.190502
摘要 +
研究了周期外力对频率涨落的过阻尼谐振子系统作功的特点. 结果揭示了瞬时功率随时间的周期变化出现不对称性. 研究结果还揭示周期外力一个周期对系统所做的功随乘法噪声强度的变化出现非单调行为, 系统是否出现能量随机共振与抑制并存, 由乘法噪声与加法噪声之间互关联的符号决定.
2013, 62 (19): 190503.
doi: 10.7498/aps.62.190503
摘要 +
心脏中的心肌组织是一种典型的可激发介质, 鉴于心肌细胞分布的离散性, 采用离散可激发介质模型研究了不应态时间随机扰动对螺旋波动力学行为的影响, 在扰动随机出现情况下, 螺旋波的稳定性与受扰元胞的数目和扰动幅度有关, 数值计算结果表明: 在适当的条件下, 可以观察到螺旋波漫游、破碎和消失现象, 并简要分析了产生这些现象的机理.
2013, 62 (19): 190504.
doi: 10.7498/aps.62.190504
摘要 +
提出了一类新的具有切换与内同步特性的关联混沌系统, 该系统即可在同维系统间切换, 也可在不同维系统间切换, 当系统切换为四维系统后, 还可实现系统变量间的同步. 通过理论推导、数值仿真、 Lyapunov维数、Lyapunov指数谱研究了其基本动力学特性与内同步机理. 最后, 设计了该切换混沌系统的硬件电路并运用Multisim软件对该混沌系 统及其内同步特性进行了仿真实现, 数值仿真和电路仿真证实了该切换混沌系统物理可实现, 系统具有丰富的动力学特性.
2013, 62 (19): 190505.
doi: 10.7498/aps.62.190505
摘要 +
载人登月转移轨道具有飞行时间长, 动力学模型复杂, 非线性强且变系数的特点, 而载人登月工程对转移轨道可靠性要求极高, 研究地月转移轨道偏差传播机理和轨道稳健性设计不仅具有工程意义, 更具有探索地月空间复杂引力场对轨道偏差作用的科学意义. 本文首先分析了日地月中心引力和地球J2项摄动等主要作用力对转移轨道偏差的作用范围与影响大小, 其次提出了一种基于标称轨道数据的变系数非线性动力学系统偏差传播机理解析分析方法, 最后构建了基于偏差传播矩阵的转移轨道稳健性评价指标, 并基于NSGA-II (Nondominated Sorting Genetic Algorithms)算法求解了载人登月转移轨道稳健性优化设计问题. 仿真结果表明, 本文提出的偏差传播机理分析方法能快速准确地求解出载人登月转移轨道偏差传播矩阵, 利用偏差传播矩阵进行协方差分析和中途修正脉冲计算是简单准确的, 考虑稳健性的转移轨道优化设计可以提高标称轨道品质.
2013, 62 (19): 190506.
doi: 10.7498/aps.62.190506
摘要 +
在提出的一种压控忆阻器的基础上, 构造了最简的并联忆阻器混沌系统, 分析其动力学特性, 得到了该系统的Lyapunov指数和Lyapunov维数, 给出了时域波形、相图、Lyapunov指数谱、分岔图、Poincar映射等. 利用EWB软件设计了该新混沌系统的振荡电路并进行了仿真实验. 研究结果表明, 忆阻器的i-v特性在参数的变化时, 并不保持斜8字形, 会变为带尾巴的扇形. 该混沌系统与磁控忆阻器混沌系统不同, 系统只有一个平衡点, 初始条件在系统能振荡的情况下不影响系统状态. 电路实验仿真结果和数值仿真具有很好的一致性, 证实了该系统的存在性和物理上可实现性.
2013, 62 (19): 190507.
doi: 10.7498/aps.62.190507
摘要 +
电力系统混沌振荡被认为是大型互联电力系统停电事故的主要原因, 本文通过相图、 李雅普诺夫指数图和时域波形图分析了二阶电力系统混沌振荡的动力学行为, 并提出了等效快速终端模糊滑模控制来抑制电力系统混沌振荡, 使其恢复到同步运行状态. 仿真结果表明, 所提出的控制方案不仅具有较快的收敛速度, 而且能够柔化控制信号, 减少控制能量, 并且能有效地降低抖振.
2013, 62 (19): 190508.
doi: 10.7498/aps.62.190508
摘要 +
针对混沌系统参数辨识问题, 在基本群智能算法粒子群优化算法的基础上, 提出量子粒子群算法, 测试函数证明了算法具有良好的全局优化能力. 进而将其应用于混沌系统参数辨识问题, 将参数辨识问题转化为多维函数空间上的优化问题. 通过对平衡板热对流典型混沌系统Lorenz系统进行研究, 并与基本算法和遗传算法比较. 仿真实验证明, 算法的有效性, 对混沌理论的发展有着非常重要的意义.
2013, 62 (19): 190509.
doi: 10.7498/aps.62.190509
摘要 +
以实际采集的交通流量序列作为研究对象, 分别应用互信息法和虚假邻点法确定其延迟时间和最佳嵌入维数, 完成交通流量序列的相空间重构. 通过计算交通流量序列的饱和关联维数和最大Lyapunov指数判定其混沌特性. 以最小均方(LMS)算法为基础, 构建了一种基于Davidon-Fletcher-Powell方法的二阶Volterra模型(DFPSOVF), 其应用了一种可随输入信号变化而实时变化的基于后验误差假设的可变收敛因子技术. DFPSOVF模型避免了在Volterra模型中采用LMS自适应算法调整系数时参数选择不当引起的问题. 将DFPSOVF模型应用于具有混沌特性的短时交通流量预测, 结果表明: 当模型记忆长度与交通流量序列的嵌入维数选择一致时, 模型的预测精度较高, 可以满足交通诱导和交通控制的需要, 为智能交通控制提供了新方法、新思路及工程应用参考.
2013, 62 (19): 190510.
doi: 10.7498/aps.62.190510
摘要 +
本文以成功率作为逻辑随机共振的测度, 主要研究了非高斯噪声激励下一维双稳系统的逻辑随机共振现象, 并用平均首次通过时间的方法对此现象的机理进行了解释. 研究结果表明: 只有在适当的噪声强度带或关联时间带上, 成功率才会达到共振峰值. 通过对系统参数进行优化, 提高了系统实现逻辑操作的可靠性.
2013, 62 (19): 190511.
doi: 10.7498/aps.62.190511
摘要 +
建立了二维势场中弹性耦合粒子的输运模型, 其中一维上加交流驱动及噪声, 另一维上不加驱动及噪声, 分析讨论了过阻尼情形下系统和外部参量对定向流的影响. 结果表明, 粒子可以通过相互耦合使一个方向上输入的驱动能量转化到垂直方向上, 从而使无能量输入的方向产生定向流. 适当的弹簧自由长度及耦合强度可以使定向流达到极值, 特别是当耦合强度及噪声强度固定时, 定向流会随弹簧自由长度的变化而振荡, 出现多峰现象. 研究还发现, 定向流随噪声强度的变化出现随机共振现象. 当产生定向流方向上的势的不对称度达到一定程度时会出现流反转现象.
2013, 62 (19): 190601.
doi: 10.7498/aps.62.190601
摘要 +
提出了一种用于评估植物生长状况及环境监测的激光诱导叶绿素荧光寿命测量方法. 采用波长355 nm的激光作为光源激发叶绿素荧光, 由光电倍增管接收其荧光信号, 由于被测叶绿素荧光衰减函数与激光脉冲、仪器响应函数卷积在一起, 根据它们的特性, 运用时间分辨测量法分别测得叶绿素荧光及其背景信号, 并结合一种新型解卷积算法可分离出真实的叶绿素荧光衰减函数, 从而获取叶绿素的荧光寿命. 测试结果表明: 该方法能够实现叶绿素荧光寿命的高精度实时监测, 对不同叶绿素含量的溶液荧光寿命进行了测试, 证明叶绿素含量与其荧光寿命具有相关性, 并且拟合了叶绿素含量与荧光寿命的标定曲线.
基本粒子物理学与场
2013, 62 (19): 191301.
doi: 10.7498/aps.62.191301
摘要 +
为了打破传统单注回旋管只能产生较低功率的局限性, 本文基于自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC 对110 GHz和220 GHz同轴腔双注回旋管进行全三维数值模拟研究. 在理论分析同轴双电子注电子枪设计模型和初始参数的基础上通过CHIPIC对其进行优化设计, 得到了具有横纵速度比为1.0, 最大速度零散约为5.4%的高性能电子束; 并将此优化后的双阳极双注电子枪取代传统回旋管数值模拟时采用的回旋 发射进行110 GHz和220 GHz双注回旋管整管的数值模拟, 并采用MPI四进程并行计算, 最终获得了具有双频分别为110 GHz和220 GHz、模式为TE02模、平均输出功率约在70 kW、 效率达到8.75%的高性能双注回旋振荡管.
核物理学
2013, 62 (19): 192901.
doi: 10.7498/aps.62.192901
摘要 +
研究了单路脉冲功率真空装置中脉冲功率的馈入、汇聚及传输, 在CHIPIC平台上, 采用多台计算机进行分进程并行计算的方法, 突破了单台计算机的内存及运行速度限制, 对单路脉冲功率的馈入、汇聚及传输装置进行建模, 并设置相应的参数, 从而对该大尺度装置进行了整体模拟. 模拟得到的该器件各个部分的阴阳极间电压、阴阳极电流等一些重要的物理参数. 模拟结果表明: 该单路真空脉冲功率器件整体都可以保持磁绝缘状态, 并达到了很好的功率汇聚的作用. 该工作验证了真空状态下脉冲功率产生及传输器件的可行性, 为进一步的实验研究提供了有力保证.
原子和分子物理学
2013, 62 (19): 193101.
doi: 10.7498/aps.62.193101
摘要 +
采用从头算的偶合族理论和组态相互作用方法对NH, NO, HNO 自由基的基态结构进行研究, 借助多体项展式理论导出HNO 自由基的势能函数并绘制了等值势能图. 首次报道了HNO 自由基对称伸缩振动和旋转势能图中, 在O+NH→HNO, H+NO→HNO, N+HO→HNO 反应通道上都有鞍点出现, O 原子需要越过1.153 eV 的能垒, H 原子须克服1.683 eV 的能量, N 原子须克服2.126 eV 的能量才能生成稳定的HNO 自由基. 同时也首次报道了HNO(X1A’)自由基的同分异构体HON(X3A") 在势能曲线中的位置及HNO↔HON 转变所需的能量.
2013, 62 (19): 193102.
doi: 10.7498/aps.62.193102
摘要 +
本文采用全相对论量子力学计算了H2X (X=O, S, Se, Te) 分子的双光子过程, 并考虑相对论效应对双光子过程的影响. 结果表明, 各个不可约表示对称态下激发能有着明显的差异,它反应了双光子吸收过程中选择能级的特点. 同时, 采用非相对论的对称匹配簇/组态相互作用方法 (SAC-CI) 计算其分子的单光子激发, 并与之比较. 双光子跃迁概率要比单光子跃迁概率小2–5个数量级; 同一主族, 随着原子序数的增加, 相对论效应对分子体系的激发能量、跃迁概率、振子强度的大小都有显著地影响; 除此之外,每个分子遵守分子对称群的选择原则. 本文中, 分子H2X (X=O, S, Se, Te) 的个别不可约表示对称态的跃迁矩分量和振子强度远远大于其他对称态下的跃迁矩分量和振子强度, 甚至大于单光子激发. 这不仅与分子的对称性有一定的关系, 而且应该是选择双光子跃迁能级的重要依据.
2013, 62 (19): 193103.
doi: 10.7498/aps.62.193103
摘要 +
基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法, 运用Vasp方法计算了Eu, N掺杂及Eu/N共掺杂锐钛矿TiO2的结构, 并分析了其电子及光学性质. 通过计算发现有一些Eu的4f态电子在Eu掺杂锐钛矿TiO2的体系的费米能级附近出现杂质能级, 并且N掺杂会使得锐钛矿TiO2的禁带宽度减小. 对于共掺杂体系而言, Eu/N共掺杂的协同效应能导致锐钛矿TiO2的晶格畸变及禁带宽度减小. 与此同时, 计算得到的光吸收谱表明Eu/N混合掺杂锐钛矿TiO2展现出了明显的光谱吸收边缘红移. 这些计算结果表明Eu/N共掺杂锐钛矿TiO2具有优良的光催化活性.
2013, 62 (19): 193104.
doi: 10.7498/aps.62.193104
摘要 +
基于半经验的Gupta原子间多体相互作用势, 采用分子动力学方法并结合模拟退火及淬火技术, 系统研究了小尺寸铝团簇Aln (n=13–32)的熔化行为. 模拟结果表明: 除个别尺寸(Al13 和Al19) 外, 团簇熔化过程比热曲线普遍呈现杂乱无规(无明显单峰)现象, 这与实验观测小Al团簇比热普遍无规的结果完全一致. 通过分析不同温度点上团簇淬火构型的势能分布图给出了小Al团簇比热呈现无规或有规现象的成因. 对于比热无规团簇, 可以利用原子等价指数判断给出团簇熔点, 所得团簇熔点随团簇尺寸的变化趋势与实验观测结果完全一致.
2013, 62 (19): 193301.
doi: 10.7498/aps.62.193301
摘要 +
本文利用量子化学中的多参考组态相互作用方法(MRCI), 在aug-cc-pVQZ级别计算了在环境科学中具有重要作用的离子BP+. 得到了对应三个离解极限B+(1Sg)+P(4Su), B+(1Sg)+P(2Du)以及B+(1Sg)+P(2Pu)的6个Λ-S态势能曲线. 在计算中还考虑了Davidson修正(+Q)和标量相对论效应, 用以提高计算精度. 通过分析Λ-S态的电子结构, 确认了电子态的多组态特性. 计算中首次纳入了旋轨耦合效应, 获得了由BP+离子的6个Λ-S态分裂出的10个Ω 态的势能曲线. 计算得到的势能曲线表明相同对称性的Ω 态的势能曲线存在着明显的避免交叉. 在得到的Λ-S态和Ω 态的势能曲线的基础上, 运用LEVEL8.0程序通过求解核径向的Schrödinger 方程, 得到了相应的Λ-S态和Ω 态的光谱常数Te, Re, ωe, ωeχe, Be和De, 其中基态X4∑-的光谱常数与已有的理论值符合的非常好, 文中其他电子态的光谱常数均为首次报道.
2013, 62 (19): 193601.
doi: 10.7498/aps.62.193601
摘要 +
Pt-Pd合金纳米粒子相对于Pt及Pd单晶纳米粒子均具有更好的催化活性和选择性, 研究它的稳定结构对进一步了解催化性能具有重要意义. 本文采用粒子群算法和量子修正Sutton-Chen多体势对不同尺寸、 不同组成比例的二十四面体Pt-Pd合金纳米粒子的结构稳定性进行研究. 结果表明: Pt-Pd合金纳米粒子中Pt原子趋向于分布在纳米粒子内层, 而Pd原子趋向于分布在纳米粒子外层, 且Pt, Pd原子的分布越对称有序, 其能量越低, 结构越稳定; 随着Pt原子比例的增加, 三种不同尺寸的合金纳米粒子的Warren-Cowley化学短程有序值都逐渐升高, 即纳米粒子更趋向于偏聚分布状态; 在相同比例下, 小尺寸纳米粒子的偏聚程度比大尺 寸纳米粒子的大.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2013, 62 (19): 194101.
doi: 10.7498/aps.62.194101
摘要 +
提出了一种基于PMA单元结构的超薄宽带完美吸波屏设计方法. 该方法将多层拓展带宽的技术与单层多谐振方法有机结合, 实现带宽拓展的同时, 保持了完美吸波屏结构简单、无集总元件的特点, 易于实际加工和应用. 以双层三谐振超薄宽带完美吸波屏为例, 结合其等效电路, 理论上验证了所设计吸波屏的吸波机理, 同时验证了方法的有效性. 仿真分析该吸波屏具有低雷达散射截面、极化不敏感和宽入射角的特征. 仿真和实测结果表明: 该吸波屏在厚度为0.01 λ的条件下, 具有14.1%的半波功率带宽;-3 dBsm的雷达散射截面缩减带宽为18.9%, 在法线方向的最大缩减量为23 dBsm, 在法向±40°内具有较好的雷达散射截面减缩效果.
2013, 62 (19): 194201.
doi: 10.7498/aps.62.194201
摘要 +
实验观测到了微环对入射二进制码的格式转换作用, 且这种转换作用对入射光波长具有强烈的依赖关系. 使用线性耦合模理论, 结合傅里叶变换以及电光马赫曾德强度调制作用, 理论再现了这一实验结果, 并通过使用简化的传递函数对此进行了解释. 理论分析还表明, 对于非临界耦合微环, 通过格式转换后波形的非对称性可以直观地判断微环的耦合状态, 即过耦合或欠耦合有不同的输出波形特点.
2013, 62 (19): 194202.
doi: 10.7498/aps.62.194202
摘要 +
对像散椭圆高斯光束, 传统的M2因子测量采用Mx2和My2来描述光束质量. 当光束绕z轴旋转, Mx2和My2会随之变化, 单纯采用Mx2和My2来评价激光光束质量并不唯一. 为此采用了像散椭圆高斯光束的M2因子矩阵, 理论推导出了在同一坐标系下光场绕z轴旋转不同角度后的M2因子矩阵, 找出了光场旋转前后的M2因子矩阵元的不变量关系. 数值模拟、 实验测量得到M2因子矩阵主对角元随光斑旋转角度的变化轨迹曲线, 及反对角元随旋转角度的变化规律. 理论推导与实验结果相符. 结果表明, 像散椭圆高斯光束在主方向上时Mx2与My2之和最小; 在其他方向上的Mx2, My2之和大于在主方向上的Mx2, My2之和; 反对角元随旋转角度呈周期变化, 在主方向上为零.
编辑推荐
2013, 62 (19): 194203.
doi: 10.7498/aps.62.194203
摘要 +
超高精细度微共振器是实现原子或者其他偶极子与腔强耦合作用的基本部分, 在腔量子电动力学(QED)、弱光非线性效应及微光学器件研究中扮演着重要的角色. 微腔基本参数的精密测量最终可以确定腔与原子的耦合系数、腔场衰减率, 对决定系统的动力学特性具有重要的意义. 但是由于超高精细度光学微腔本身的构造和多层镀膜的特点, 高精度地确定其共振频率及有效腔长存在一定困难. 本文结合修正的多层介质膜模型, 实验上完成了膜层为37层的超高精细度光学微腔在不同共振频率下有效腔长的精密测量, 获得了超高精细度光学微腔的共振频率及波长; 理论计算分析与实验测量结果相符, 对纵模间隔的测量精度误差低于0.004 nm, 较为修正前提高了约两个量级. 同时给出了对应不同模式数下, 光波渗入到介质中的深度. 该方法可望应用到其他微共振器的精密测量中.
2013, 62 (19): 194204.
doi: 10.7498/aps.62.194204
摘要 +
利用光学谐振器结构的色散可提高旋转传感的灵敏度, 耦合谐振器光波导可实现强色散, 本文利用传输矩阵理论, 研究耦合谐振器光波导旋转传感的相位灵敏度, 讨论谐振器布局和波导参数对相位灵敏度的影响, 结果表明波导的相位曲线和相位灵敏度依赖于波导中谐振器的布局, 谐振器数量和耦合系数不仅会影响波导旋转传感相位灵敏度曲线峰值的数量和带宽, 还会影响相位灵敏度的大小, 而损耗会降低波导的相位灵敏度, 本文的结果可用于利用谐振器布局和波导参数设计耦合谐振器光波导的相位灵敏度, 对其在旋转传感方面的应用有重要意义.
2013, 62 (19): 194205.
doi: 10.7498/aps.62.194205
摘要 +
针对量子点场效应单光子探测器(QDFET)光吸收效率低下的问题, 提出了一种新型量子点场效应增强型单光子探测器(QDFEE-SPD). QDFEE-SPD增加了共振腔的设计, 并采用了GaAs/AlAs多层膜作为下反射镜; 对QDFEE-SPD的光吸收增强效应和光响应度进行了理论分析和模拟, 结果表明, 与没有共振腔时相比, QDFEE-SPD的吸收效率和光相应度都有了大幅度的提升, 同时为了光吸收的最优化, 吸收层厚度一般应在0.10.5 m; 对QDFEE-SPD的材料样品进行了生长和测试实验, 反射谱测试和PL谱测试结果表明, QDFEE-SPD对入射光的吸收具有了明显的增强效应. 文章成果为高效率量子点场效应单光子探测技术的研究提供了新的思路.
2013, 62 (19): 194206.
doi: 10.7498/aps.62.194206
摘要 +
提出在CS2/CCl4混合介质液芯光纤中利用多线抽运调制 技术实现带宽可控平顶布里渊增益谱的方法, 理论研究了抽运光谱线间距、谱线强度和芯液介质混合比对布里渊增益谱的影响, 得到了带宽可控平顶增益谱的条件. 结果表明, 采用一个强度或相位调制器, 基于单频和多频调制技术产生2–9条抽运光谱线, 通过控制谱线间距和各谱线强度比, 并改变CS2体积分数, 获得了增益带宽在50 MHz–2 GHz 范围内可控的平顶增益谱. 该方法操作简便、带宽调控范围大, 可用于高增益低畸变布里渊放大, 满足微弱光信号探测和慢光系统的应用需求.
2013, 62 (19): 194207.
doi: 10.7498/aps.62.194207
摘要 +
本文运用格林函数法分析金属线栅在太赫兹(THz)波段的散射特性, 研究金属线栅的衍射效应对其传输特性的影响. 研究结果表明, 在零级衍射区入射电磁波的透过振幅随a/的增大单调增加, 在零级衍射极限处透过振幅达到最大值. 过渡区的临界频率处, 由于衍射效应的加强, 出现入射电磁波透过曲线的振荡. 衍射区受到衍射效应的影响入射电磁波透射振幅曲线总体下降, 并随a/的增大单调减少. 与微波传输线方法相比, 该方法摆脱了入射电磁波的波长需大于线栅常数且要求线栅的厚度远远小于金属线的宽度的限制, 能准确的分析系统的电磁场的分布特性, 更具普适性.
2013, 62 (19): 194208.
doi: 10.7498/aps.62.194208
摘要 +
采用平面波展开法, 系统研究了空气环型二维光子晶体的完全光子带隙随结构参数变化而改变的规律, 并将其与普通的空气孔型和介质柱型二维光子晶体的完全带隙进行了比较. 研究表明: 空气环型二维光子晶体不仅可以获得更宽的完全带隙, 而且, 当介质折射率较低时, 其可以获得普通空气孔型和介质柱型二维光子晶体在低折射率条件下所无法获得的完全带隙.
2013, 62 (19): 194209.
doi: 10.7498/aps.62.194209
摘要 +
基于所研制的侧漏型光子晶体光纤, 提出并研制出一种Sagnac干涉仪型高灵敏度宽线性测量范围的弯曲传感器. 实验研究结果表明, 当侧漏型光子晶体光纤中的线性缺陷与弯曲方向一致时, 采用群双折射和波谷波长偏移量测量弯曲曲率均可获得高的弯曲灵敏度, 但线性测量范围小, 且不能进行小弯曲曲率的测量. 当线性缺陷与弯曲方向垂直时, 以波谷波长偏移量进行弯曲曲率检测, 可获得10.798 nm/m-1高灵敏度的同时且可实现0–5.03 m-1的宽线性测量范围, 结合测量矩阵的引入可实现温度和弯曲曲率的同时测量, 进而剔除环境温度变化对弯曲曲率检测的干扰, 实现了高灵敏度宽线性范围的弯曲传感; 而以群双折射进行弯曲曲率检测, 虽然检测灵敏度较低, 但可实现对环境温度不敏感的弯曲传感.
编辑推荐
2013, 62 (19): 194210.
doi: 10.7498/aps.62.194210
摘要 +
相比于传统的All-pass型微环谐振腔硅基电光调制器, Add-drop型微环谐振腔可提供更多的设计自由度, 使调制器在不改变杂质掺杂浓度的情况下就能在调制带宽和消光比性能上获得均衡考虑. 本文设计了基于Add-drop型微环谐振腔的高速、且在低调制电压下实现大消光比的硅基电光调制器, 所用微环谐振腔的半径仅仅为20 m. 重点分析了直波导与微环谐振腔的耦合对调制器性能的影响, 发现较小的Drop端耦合系数有利于消光比的提高, 但是不能同时达到最佳的调制带宽, 因此设计上存在一个带宽和消光比性能上的折中考虑. 根据优化设计的结果进行了实际器件的制作和测试. 静态光谱测试表明, 在3 V反向偏置电压的作用下, 调制器的消光比最大可达12 dB. 动态电光响应测试中, 在仅仅1.2 V的信号幅值电压下测得了8 Gbps数据传输速率的清晰眼图.
2013, 62 (19): 194301.
doi: 10.7498/aps.62.194301
摘要 +
基于四种超声悬浮液模型Urick, Urick-Ament, HT, Mcclements分析了Scholte波在两相流体与多孔介质固体界面处的传播特性. 结合各模型的复波数表达式建立含泥沙流体-多孔介质固体界面波特征方程, 分析了Scholte波速与两相流体积含量、粒径等介质属性的关系. 通过仿真实验获得界面波信号, 运用时延估计获得Scholte波速与泥沙含量、粒径的关系, 发现所得的波速与Urick-Ament和HT理论有相对好的一致性.
2013, 62 (19): 194302.
doi: 10.7498/aps.62.194302
摘要 +
为建立水下噪声音色特征的定量表达以用于目标识别, 本文将主观评价实验获得的 4个本质音色维度得分与声音的听觉中枢响应建立联系, 得到音色的偏最小二乘回归模型, 并基于回归系数对每个维度进行物理分析. 为验证该方法的有效性, 本文提取大量音色描述符作为自变量进行对比, 结果表明听觉中枢模型预测能力有一定优势. 同时发现, 前 3个本质音色维度可分别由高频能量比例、谱平坦程度和时域连续性描述, 而第4 维度则无法与任何声学特征建立联系.
2013, 62 (19): 194701.
doi: 10.7498/aps.62.194701
摘要 +
针对一类含源的二维非线性偏微分方程, 通过Chapman-Enskog展开技术和多尺度分析提出了带修正项的简单格子Boltzmann模型. 用模型模拟了几类二维偏微分方程, 数值模拟结果与精确解相符合. 成功将格子Boltzmann方法应用到二维偏微分方程的数值求解中.
2013, 62 (19): 194702.
doi: 10.7498/aps.62.194702
摘要 +
利用溢流恒压装置产生具有稳定出流速度的圆管潜射流, 结合染色液流态显示方法, 在多种射流无量纲潜深d/H、雷诺数Re以及限制数C的组合下, 实验研究了该潜射流动量在有限深密度均匀流体中的演化特性, 其中d为射流潜深, H为水深. 研究表明, 当C1时潜射流表现为深水特征, 而当1 C2时潜射流表现为过渡特征, 在这两种情况下均不产生任何形式的大尺度相干结构; 当2 C10时潜射流表现为浅水特征, 而C10时潜射流表现为极浅水特征, 在这两种情况下均产生大尺度的偶极子涡结构. 对极浅水特征潜射流, 在各种无量纲潜深下, 偶极子涡结构的无量纲形成时间tf*与无量纲射流时间Tinj*均满足相同的正比例关系; 对浅水特征潜射流, 当d/H=0.5时, tf*与Tinj*满足某种线性关系, 但对其他无量纲潜深, tf*与Tinj*之间无明显规律.
2013, 62 (19): 194703.
doi: 10.7498/aps.62.194703
摘要 +
气泡在近自由液面运动过程中与自由液面发生强烈的耦合作用, 自由液面会出现极其复杂的物理现象, 形成的水冢类型繁多. 本文将针对皇冠型水冢, 基于势流理论, 建立气泡与自由液面耦合作用的数值模型, 并在气泡完成射流向下运动时, 忽略气泡对自由液面的影响, 继续模拟自由液面的运动过程. 同时利用高速摄影对近自由面的电火花气泡进行实验研究, 数值结果与实验符合良好, 相对误差在10%以内. 通过数值计算, 发现了围裙卷缩和主峰珠化等特殊的物理现象, 研究了气泡初始条件与韦伯数对皇冠型水冢动态特性的影响, 旨为皇冠型水冢的研究提供参考.
2013, 62 (19): 194704.
doi: 10.7498/aps.62.194704
摘要 +
采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟了液滴撞击带孔壁面的问题, 提出了随计算区域变化的链表搜索法. 结合实验进一步研究了不同物理条件下黏性、重力和内部压应力波动对铺展过程中液滴在 孔口运动情况的影响, 详细分析了有限时间段内孔口断面处的压强变化. 结果表明: 液滴撞击表面后快速向两端铺展, 到达孔口上方时形成射流, 在极短暂时间内重力对射流的影响很小, 但是黏性会引起射流向孔内弯曲. 在内部压应力和惯性作用下射流下部产生有规律的波动, 使得孔口上方流体反复的膨胀和吸收将附近应力较高区域流体吸入孔内发生孔吸现象. 内部压应力是导致液滴被吸入孔内并撞击另一侧孔壁形成飞溅现象的主要原因, 模拟效果和实验结果符合良好.
气体、等离子体和放电物理
2013, 62 (19): 195201.
doi: 10.7498/aps.62.195201
摘要 +
本文提出一种基于单束激光直接加热多层平面靶开展 稠密等离子体辐射不透明度特性研究的靶物理设计并对其进行了实验验证. 在XG-II激光装置上, 采用三倍频束匀滑激光辐照Au/CH/Al/CH多层平面靶产生背光源和Al样品等离子体, 通过观测背光源经样品等离子体衰减后的透过谱得到样品等离子体的辐射吸收性质. 采用Multi-1D程序对激光加热多层靶进行了辐射流体力学数值模拟, 给出了样品等离子体状态及其时间演化过程. 利用细致谱项模型 (DTA) 对实验测量的Al等离子体吸收谱进行理论分析, 表明等离子体温度在2070 eV之间, 该结果与辐射流体力学模拟结果基本一致.
2013, 62 (19): 195202.
doi: 10.7498/aps.62.195202
摘要 +
运用射频磁控溅射方法, 在氘氩混合气氛中制备了含氘碳钨共沉积薄膜. 利用离子束分析方法[卢瑟福背散射(RBS)和弹性反冲(ERD)]对薄膜样品的厚度、成分、 氘含量等进行了分析; 利用拉曼光谱和扫描电子显微镜(SEM), 分别分析了薄膜的结构和表面形态. 离子束分析发现, 氘原子更易被碳原子俘获位俘获, 并且氘含量会随着沉积温度的升高而降低; 其他镀膜条件固定的情况下, 不同混合气体压强下薄膜样品中的氘浓度在5.0 Pa处有一个峰值; 拉曼光谱分析显示, 沉积温度从室温升高到725 K时, 碳钨共沉积层中的类石墨化成分增加, 同时, 非晶化的程度也加剧; 扫描电子显微镜图像表明, 随着温度的升高薄膜表面被腐蚀的痕迹消失, 但是由于应力的改变表面出现了多处的凸起.
2013, 62 (19): 195203.
doi: 10.7498/aps.62.195203
摘要 +
为研究激光烧蚀靶产生冲量过程和机理, 建立了一个复杂的一维热传导和流体动力学模型. 以空间碎片常见材料Al为例, 用建立的模型数值计算了纳秒脉宽激光烧蚀靶产生的冲量及冲量耦合系数随时间变化情况. 数值结果和已有的实验数据符合的较好. 数值计算表明: 激光脉冲时间内, 靶获得的冲量随时间迅速增加, 在脉冲时间结束后, 冲量变化随时间趋于稳定; 在冲量耦合过程中, 烧蚀等离子体向真空膨胀, 羽流尺度逐渐增大, 同时吸收入射激光能量, 导致激光与靶耦合的能量降低.
2013, 62 (19): 195204.
doi: 10.7498/aps.62.195204
摘要 +
基于表面等离激元 (SPP) 的表面波等离子体 (SWP) 源, 具有高密度、低温度及高产率等优异性能, 其应用在电子器件微纳加工、材料改性等领域. 但由于SPP激励SWP放电的电离过程难于用理论分析和实验测量描述, 因而SWP源均匀稳定产生的电离发展过程一直未研究清晰. 本文以SWP放电的数值模拟为研究手段, 采用等离子体与电磁波相互作用的粒子模拟 (PIC) 方法, 结合蒙特卡罗碰撞 (MCC) 方法处理碰撞效应的优势, 研究气体压强影响电离过程的电磁能量耦合机理. 模拟结果表明SWP的高效产生是SPP的局域增强电场致使, 气体压强能够改变波模共振转换的出现时刻而影响了SWP的电离发展过程. 本文的研究成果展示了SPP维持SWP放电的电离过程, 可为下一代米级SWP源的参数优化提供设计建议.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2013, 62 (19): 196101.
doi: 10.7498/aps.62.196101
摘要 +
采用分子动力学方法模拟研究了液态Cu64Zr36合金在冷速50 K/ns下 的快速凝固过程, 并通过双体分布函数、Honeycutt-Andersen (H-A) 键型指数和团簇类型指数对其微结构演变特性进行了分析. 液态与快凝玻璃合金的主要原子组态都是二十面体(12 0 12 0)及其变形结构 (12 8/1551 2/1541 2/1431), 其中比例最高的是Cu芯Cu8Zr5基本原子团, 其次是Cu7Zr6和Cu9Zr4团簇; 并且由这些二十面体基本原子团铰链形成的中程序, 其尺寸分布在液相和固相中分别呈现出13, 19, 25,···和13, 19, 23, 25, 29, 37,···的幻数特征. 团簇的演化与跟踪分析发现: 没有任何团簇能从液态直接遗传到固态合金, 遗传的起始温度出现在Tm–Tg过冷液相区. 二十面体团簇的遗传主要以完全和直接遗传为主, 并且一个明显的增加发生在Tg附近. 在玻璃化转变温度Tg以下, (12 0 12 0) 二十面体比 (12 8/1551 2/1541 2/1431) 变形二十面体具有更高的结构遗传能力, 但仅有少部分在遗传过程中能保持化学成分的恒定. 通过部分遗传, 某些二十面体中程序甚至也能从过冷液体中被遗传到玻璃合金.
2013, 62 (19): 196102.
doi: 10.7498/aps.62.196102
摘要 +
液体蒸发驱动的颗粒自组装现象在许多的工业技术中有重要应用. 本文利用显微镜观测含有颗粒物质的液滴变干后留在固体表面的颗粒形成的环状沉积图案. 采用微米粒径的SiO2小球水溶液液滴蒸发变干模拟咖啡环的形成过程, 结果发现液滴蒸发过程中接触线的钉扎是环状沉积的必要条件. 在液滴蒸发过程中颗粒随着补偿流不断的向液滴边缘移动, 聚集在接触线处形成环. 液滴蒸发变干后残留在液滴内部的颗粒数随颗粒质量分数的增加而增加, 可以达到单层的颗粒排列. 而玻璃衬底上的颗粒环在颗粒质量分数很小时, 形成单层排列, 且一排一排地生长. 蒸发过程中颗粒环由于液滴边缘的尺寸限制向液滴中心缓慢移动. 这会导致液滴中不同大小颗粒的分离.
2013, 62 (19): 196103.
doi: 10.7498/aps.62.196103
摘要 +
本文通过化学浴沉积法获得了直径约为50 nm, 长度约为250 nm的ZnO纳米棒阵列, 引入纳米ZnS对ZnO纳米棒进行表面修饰, 分别制备得到了具有ITO (indium tin oxides)/ZnO/Poly-(3-hexylthiophene) (P3HT)/Au和ITO/ZnO@ZnS/P3HT/Au结构的多层器件. 通过I-V曲线对比讨论了两种结构器件的开启电压, 串联电阻, 反向漏电流及整流比等参数, 认为包含ZnS修饰层器件的开启电压、串联电阻、反向漏电流明显降低, 整流比显著增强, 展现出更优异的电子传输性能. 光致发光光谱分析结果证实由于ZnS使ZnO纳米 棒的表面缺陷产生的非辐射复合被明显抑制, 弱化了电场激发下的载流子陷获, 改善了器件的导电特性.
2013, 62 (19): 196104.
doi: 10.7498/aps.62.196104
摘要 +
对于相同制作工艺的NPN锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT), 在不同辐照剂量率下进行60Co γ射线的辐照效应与退火特性的研究. 测量结果表明, 两种辐照剂量率下, 随着辐照总剂量增加, 晶体管基极电流增大, 共发射极电流放大倍数降低, 且器件的辐照损伤、性能退化与辐照剂量率相关, 低剂量率下辐照损伤较高剂量率严重. 在经过与低剂量率辐照等时的退火后, 高剂量率下的辐照损伤仍较低剂量率下的损伤低, 即待测SiGeHBT具有明显的低剂量率损伤增强效应(ELDRS). 本文对相关的物理机理进行了探讨分析.
2013, 62 (19): 196105.
doi: 10.7498/aps.62.196105
摘要 +
以LaH2, CeH2纳米粉和无定形B粉为原料, 通过放电等离子烧结原位合成法制备了单相、高致密度的LaxCe1-xB6稀土六硼化物. 系统研究了该系列化合物的晶体结构、表面织构、力学性能、电输运特性及热发射性能. 结果表明, 该方法制备出的样品致密度均高于96%, 维氏硬度最高值达到2310 kg/mm2, 说明具有良好的力学性能. 热发射结果表明, 当阴极温度为1873 K, 外加电压为1 kV时, La0.6Ce0.4B6的最大发射电流密度达到40.7 A/cm2, 该值高于单纯LaB6和CeB6电流密度值. 因此, LaxCe1-xB6多元稀土六硼化物作为热阴极材料将有良好的应用前景.
2013, 62 (19): 196201.
doi: 10.7498/aps.62.196201
摘要 +
本文采用分子动力学方法模拟了纳米单晶铜薄膜在单向拉伸载荷作用下的塑性变形过程, 重点分析了空位型缺陷的形核过程和演化机理. 在模拟过程中, 采用镶嵌原子势描述原子间的相互作用. 模拟结果表明纳米铜薄膜中塑性变形起源于位错的表面形核, 而空位型缺陷的形核及演化都与晶体内部的位错运动密切相关. 空位型缺陷通常从位错割阶及层错交截处开始形核, 以单空位、层错四面体和不规则空位团等形式存在.
2013, 62 (19): 196801.
doi: 10.7498/aps.62.196801
摘要 +
作为点火靶重要候选靶丸之一, 聚酰亚胺 (PI) 空心微球采用降解芯轴技术结合双单体气相沉积聚合法 (VDP) 制备. 在PI涂层过程中微球碰撞对表面质量影响较大, 为了减小碰撞提高表面质量, 选用筛网盘做样品盘, 激励方式由压电振动模式改为脉冲敲击模式进行对比. 实验数据表明微球运动过程中碰撞是引起表面质量变差的原因, 通过理论分析确认了筛网盘通过减少接触点可以减少微球与微球间、微球与样品盘间的碰撞, 并且将压电振动改为脉冲敲击模式可以减小微球碰撞次数. 脉冲敲击模式与压电振动模式相比, 其可控性、微球弹跳幅度、消除静电等方面均优于压电振动. 对于微球壁厚均匀性而言, 压电振动略好于脉冲敲击, 但相差较小. 单个微球的壁厚最大偏差前者为0.68 m, 优于后者的0.73 m; 单个微球壁厚平均值在同一批次内的最大起伏, 前者为0.26 m, 优于后者0.57 m. 白光干涉仪数据显示脉冲敲击起到了提高微球表面质量的作用, 其表面粗糙度Rq值由5293 nm 减小到2844 nm.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2013, 62 (19): 197201.
doi: 10.7498/aps.62.197201
摘要 +
本文研究了Au/SrTiO3/Au三明治结构中的双极电阻翻转效应, 观察到高、低阻态的电阻弛豫现象. 低频噪声测量表明高、低阻态的电阻涨落表现出1/f行为. 对比试验表明, 高阻态的低频噪声来源于反向偏置肖特基势垒和氧空位的迁移, 强度较大, 低阻态的噪声则源于类欧姆接触底电极区域的氧空位迁移导致的载流子涨落, 强度较低. 同时, 界面上氧空位浓度的弛豫导致了高、低阻态的弛豫过程.
2013, 62 (19): 197202.
doi: 10.7498/aps.62.197202
摘要 +
基于共轭聚合物给体材料P3HT和富勒烯衍生物受体材料PCBM共混的体异质结结构 的聚合物太阳能电池因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度, 从而影响了器件对入射光的吸收. 在聚合物功能层内引入金属纳米颗粒可以利用金属表面等离子体效应增强器件内电场并改善器件的光吸收. 本文基于时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)方法模拟得到了聚合物功能层内包含了直径为50 nm纳米银球并且球间距为50 nm的聚合物太阳能 电池器件在波长分别为400 nm和500 nm照射时的二维光电场分布以及入射角分别为15°, 45°, 60°时包覆纳米银聚合物功能层横截面内的光电场强度分布; 计算得到了银纳米颗粒尺寸分别为10 nm, 20 nm和50 nm时以及分布在空穴传输层PEDOT:PSS的纳米银器件的光吸收; 并计算了斜入射时包覆纳米银的聚合物功能层光吸收. 理论分析表明: 聚合物功能层加入纳米银球后, 因为纳米银球的表面等离子体效应使入射光在功能层内散射增强而使器件内的光电场重新分布; 直径较大的纳米银颗粒能产生大角度的光散射, 更有利于聚合物功能层对光的吸收. 这里, 基于有机银盐还原法制备了纳米银颗粒并制备了银等离子体增强的聚合物太阳能电池, 其结构为: glass/ITO (～100 nm)/PEDOT:PSS (40 nm)/P3HT:PCBM (～100 nm)(nano-Ag)/LiF (1 nm)/Al (120 nm). 该器件与平板器件的性能对比实验证实: 通过在聚合物功能层内上引入纳米银颗粒可以有 效增加器件光吸收并改善器件电学性能, 器件外量子效率在520 nm处最大增加了17.9%.
2013, 62 (19): 197203.
doi: 10.7498/aps.62.197203
摘要 +
利用原子层沉积技术制备了具有圆形透明电 极的Ni/Au/Al2O3/n-GaN金属-氧化物-半导体结构, 研究了紫外光照对样品电容特性及深能级界面态的影响, 分析了非理想样品积累区电容随偏压增加而下降的物理起源. 在无光照情形下, 由于极长的电子发射时间与极慢的少数载流子热产生速率, 样品的室温电容-电压扫描曲线表现出典型的深耗尽行为, 且准费米能级之上占据深能级界面态的电子状态保持不变. 当器件受紫外光照射时, 半导体耗尽层内的光生空穴将复合准费米能级之上的深能级界面态电子, 同时还将与氧化层内部的深能级施主态反应. 非理想样品积累区电容的下降可归因于绝缘层漏电导的急剧增大, 其诱发机理可能是与氧化层内的缺陷态及界面质量有关的charge-to-breakdown过程.
2013, 62 (19): 197204.
doi: 10.7498/aps.62.197204
摘要 +
利用荧光材料PT-01, PT-86, PT-05作为黄色荧光客体, 蓝色荧光客体以及荧光母体制备了一种基于连续性掺杂结构的全荧光白光有机电致发光器件. 其发光层为主体/客体薄层/主体/客体薄层···交替蒸镀的重复单元. 通过优化发光层中主体的厚度并检测发光层中单线态激子的分布, 将黄、蓝两种客体染料生长在发光层中适当的位置, 得到了高效且光谱稳定的全荧光白光器件. 其最大电流效率为11.2 cd/A, 亮度在159–20590 cd/m2范围内色坐标仅有(±0.004,±0.005)的改变. 基于这种连续性掺杂结构制备的器件, 其性能不但可以达到传统主-客体共掺结构所制备的器件的性能,而且具有较高的可重复性, 更适合产业化大批量生产.
2013, 62 (19): 197301.
doi: 10.7498/aps.62.197301
摘要 +
本文采用甚高频等离子体化学气相沉积技术 (VHF-PECVD) 制备薄膜硅/晶体硅异质结电池中的本征硅薄膜钝化层, 光发射谱 (OES) 测量技术研究了硅薄膜沉积过程中等离子体发光谱随时间的变化. 结果表明: 在实验优化条件下等离子体发光谱很快达到稳定 (大约25 s), 并且SiH*/Hα* 的比值随时间变化较小, 避免了生长过程中硅薄膜结构的不均匀性, 这主要是SiH4没有完全耗尽避免了SiH4的反向扩散. 进一步研究了沉积参数对稳态发光谱和硅薄膜性质的影响, 结果表明: 随着硅烷浓度增加, Hα*峰强度减小, SiH*峰强度增加, 薄膜从微晶转变成非晶, 非晶硅薄膜钝化效果好; 随着沉积气压增大, Hα*和 SiH*峰强度先增加后减小, 高气压下Hα*和 SiH*峰强度下降主要是反应前驱物的聚合形成高聚合物, 不利于形成高质量的硅薄膜, 因此钝化效果下降; 随着反应功率密度增加, Hα*和 SiH*峰强度增大, 当功率密度为150 mW/cm2 趋于饱和, 硅薄膜的致密度和钝化效果也开始下降, 50 mW/cm2的低功率密度下硅薄膜钝化效果差可能是由于原子H 浓度低, 不能完全钝化单晶硅表面的悬挂键.
2013, 62 (19): 197302.
doi: 10.7498/aps.62.197302
摘要 +
本文用分数维方法研究AlxGa1-xAs衬底上GaAs薄膜中的极化子特性, 提出了确定GaAs薄膜的有效量子限制长度的一个新方法, 解决了原来方法中在衬底势垒处有效量子限制长度发散的困难, 得到了AlxGa1-xAs衬底上GaAs薄膜中的极化子的维数和结合能.
2013, 62 (19): 197303.
doi: 10.7498/aps.62.197303
摘要 +
以互补频率选择表面 (CFSS)结构的强耦合作用为基础, 设计一种具有极化分离作用的频率选择表面 (PSS), 当容性表面与感性表面沿周期排布方向具有横向位移时, CFSS成为具有TM带通、TE带阻的极化分离结构. 建立等效电路模型分析PSS结构极化分离原理, 采用耦合积分方程法计算极化分离结构的传输特性以及容性表面和感性表面的电场分布. 理论分析与实验测试结果均表明: PSS具有良好的极化分离特性和角度稳定性, 为极化波产生器和极化分离结构的设计提供借鉴.
2013, 62 (19): 197401.
doi: 10.7498/aps.62.197401
摘要 +
通过混合物理化学气相沉积法 (hybrid physical-chemical vapor deposition, HPCVD), 在(000l) SiC 衬底上制得一系列从10 nm到8 μm的MgB2超导膜样品, 并对它们的形貌、超导转变温度Tc 和临界电流密度Jc与膜厚度的关系进行了研究. 观察到Tc随膜厚度增加上升到最大值后, 尽管膜继续增厚, 但Tc值保持近乎平稳, 而Jc则先随膜厚度增加上升到最高值后, 继而则随膜的厚度的增加而下降. MgB2膜的Tc(0)和Tc(onset)值与膜厚的关系基本一致, Tc(0)在膜厚为230 nm处达到最大值Tc(0)=41.4 K, 而Jc(5K,0T)在膜厚为100 nm时达到最大值, Jc (5 K, 0 T)=2.3×108A·cm-2, 这也说明了我们能用HPCVD方法制备出高质量干净MgB2超导膜. 本文研究的超导膜厚度变化跨度非常大, 从10 nm级的超薄膜到100 nm级的薄膜, 再到几微米的厚膜, 如此Tc和Jc对膜厚度变化的依赖就有了较完整、成体系的研究. 并且本文的工作对MgB2超导薄膜制备的厚度选取具有实际应用意义.
2013, 62 (19): 197501.
doi: 10.7498/aps.62.197501
摘要 +
研究了MnNiGe1-xGax (x=00.30) 系列合金中成分、结构、马氏体相变性质和磁性的相互关系. 在较小的成分范围内, Ga取代Ge元素可有效地将马氏体相变温度降低近400 K. Ga的引入削弱了体系中的共价成键作用, 马氏体相显示出磁交换作用的增强. 相图显示, 掺杂使马氏体相变先后穿过TN 和TC 两个磁有序温度, 居里温度窗口效应在体系有存在的可能, 磁性对相变温度的成分关系有所影响. 实验观察到合金变磁转变的特性及相变行为对制备方法的敏感性. 这些特性的发现, 有利于进一步优化这类材料的磁结构和相变特性, 获得具有应用价值的新材料.
2013, 62 (19): 197801.
doi: 10.7498/aps.62.197801
摘要 +
采用溶胶-凝胶法制备了可用于白光LED的新型Ca3Si3O9:Dy3+荧光粉, 通过对样品的X 射线衍射谱及光致发光光谱的测试和表征, 研究了Ca3Si3O9:Dy3+的物相结构和发光性能. 结果显示, Ca3Si3O9:Dy3+的发射光谱是由位于483 nm和577 nm处的主峰构成的双峰谱线, 激发光谱为多峰宽谱, 谱峰位于290–480 nm范围内. Dy3+掺杂浓度对Ca3Si3O9:Dy3+发光性能有明显的影响, 随着Dy3+浓度的增大, Ca3Si3O9:Dy3+的发光强度和黄、蓝光发射强度比 (Y/B) 均呈现先增大后减小的规律, 最大发光强度值对应的Dy3+浓度为1 mol%. 电荷补偿剂Li+能提高Ca3Si3O9:Dy3+的发光强度, 特别当Li+浓度为2–4 mol%时, 荧光粉的蓝光发射强度显著增大.
2013, 62 (19): 197802.
doi: 10.7498/aps.62.197802
摘要 +
采用低温燃烧法合成SrMgAl10O17:Eu2+及SrMgAl10O17:Eu2+, Er3+蓝色发光材料, 通过X射线衍射仪 (XRD)、扫描电子显微镜 (SEM) 和荧光光谱仪 (PL) 等测试手段对所得样品进行表征. XRD及SEM测试结果表明: 利用低温燃烧法合成SrMgAl10O17材料具有较高的结晶度, 且微量的稀土元素掺杂不会破坏其晶体结构; PL测试结果表明: SrMgAl10O17:Eu2+ 荧光粉在300390 nm范围内可以被有效的激发, 该波长范围与近紫外LED芯片匹配, 发射光谱分布在430520 nm之间, 发射峰位于460 nm, 属蓝光发射材料. 共掺Er3+可显著增强SrMgAl10O17:Eu2+的发光强度, 且当Er3+的掺杂浓度为4%时,样品的发光强度最大, 较单掺Eu2+时样品的发光强度高出54.9%, 表明Er3+对Eu2+的发光具有良好的敏化作用, 该敏化作用的机理可以利用能量传递原理进行解释.
2013, 62 (19): 197803.
doi: 10.7498/aps.62.197803
摘要 +
Cu2S量子点作为一种新型半导体纳米材料以其特有的化学及光学性质而越来越被人们所关注. 本文通过应用COMSOL Multiphysics4.2a这一基于有限元法的模拟软件, 运用其中的电磁波模块, 结合Maxwell电磁波理论对影响Cu2S量子点产生表 面等离激元共振的条件做出了模拟分析, 运用Kretschmann棱镜耦合系统建立了理论模型, 通过改变量子点的粒径、有机溶剂的折射率、入射光的波长以及对量子点进行包裹等方式, 模拟出在不同条件下Cu2S量子点产生表面等离激元共振信号的情况, 为Cu2S量子点在表面等离激元共振传感中的实际应用提供了理论依据和参考.
2013, 62 (19): 197804.
doi: 10.7498/aps.62.197804
摘要 +
采用沉淀法制备了不同Sm3+掺杂浓度的白钨矿结构CaWO4荧光粉材料. 对CaWO4:Sm3+ 材料的光致发光性质的研究结果表明, 在404 nm光照下样品可以实现色纯度较高的红光发射, 而短波紫外240 nm光照下除Sm3+的特征发射外还能观察到CaWO4自激发发射, 能够获得较强的白光; 实验发现Sm3+掺杂浓度为2%时样品的发光强度最高; 通过对实验数据的分析确定了Sm3+之间的能量传递类型为电偶极-电偶极相互作用, 并计算了能量传递的临界距离大约为2.0 nm.
2013, 62 (19): 197901.
doi: 10.7498/aps.62.197901
摘要 +
本文利用自编P3D3V PIC程序, 数值研究了BJ32矩波导传输TE10模式高功率微波在介质窗内、 外表面引发的次级电子倍增过程, 给出了次级电子3维空间位置分布特征、介质窗表面法向静电场分布规律以及电子数密度分布特性. 模拟结果表明: 对于介质窗内侧, 微波强场区域率先进入次级电子倍增过程; 而对于介质窗外侧, 则是微波弱场区域优先进入次级电子倍增过程. 形成机理可以解释为: 微波坡印廷矢量方向与介质窗外表面法向相同而与内表面法向相反, 内侧漂移运动导致强场区域电子易于被推回表面, 有利于次级电子倍增优先形成; 外侧漂移运动导致强场区域电子易于被推离表面, 不利于次级电子倍增形成. 准3维模型相对1维模型: 介质窗内侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间长、饱和次级电子数目少、平均电子能量高、 入射微波功率低、沉积功率低; 介质窗外侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间短、饱和次级电子数目少、平均电子能量低、 入射微波功率低、沉积功率低. 沉积功率与入射微波功率比值与微波模式、强度及介质窗内外侧表面关系不大, 准3维和1维模型计算结果均在1%–2%左右水平.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2013, 62 (19): 198101.
doi: 10.7498/aps.62.198101
摘要 +
采用纳米球刻蚀技术中漂移法在玻璃基片上制备较大 面积不同直径的聚苯乙烯小球掩模板, 采用磁控溅射技术在掩模板上沉积不同厚度的金薄膜, 去除聚苯乙烯小球后, 通过扫描电子显微镜观察到周期排列的三角状金纳米颗粒点阵. 通过紫外-可见分光光度计测试所制备样品的光吸收特性, 发现表面等离子体共振峰随粒径增大发生红移, 随金纳米颗粒高度增加发生蓝移. 基于Mie理论, 利用Matlab软件编程对不同粒径的金阵列光吸收特性进行理论模拟, 并与实验结果进行对比.
2013, 62 (19): 198102.
doi: 10.7498/aps.62.198102
摘要 +
采用原子层沉积方法在碳黑纳米颗粒表面分别沉积Al2O3, ZnO, TiO2和Pt, 成功制备出核-壳型纳米材料. 通过高分辨率透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、 能谱仪对材料的表面形貌、晶体结构、薄膜成分进行了表征和分析. 结果表明, 原子层沉积方法是制备核壳型纳米材料的理想方法. 此外, 还分析了采用原子层沉积方法沉积不同材料, 所生长的薄膜材料有单晶、多晶、非晶等多种存在形式的形成原因.
2013, 62 (19): 198103.
doi: 10.7498/aps.62.198103
摘要 +
TiO在微电子结构器件中有重要的应用前景. 本文以CO2作反应气体, 采用直流反应磁控溅射方法成功制备出C掺杂TiO薄膜. 采用XRD, XPS和四探针电阻计对薄膜结构、成分和电阻率进行表征. 在实验结果的基础之上建立起TiO和C掺杂TiO的计算模型并采用第一性原理 方法计算其能带结构和电子态密度. 实验结果表明薄膜相结构为面心立方的岩盐结构, C取代O的阴离子掺杂为主要掺杂方式, 薄膜电阻率为52.2 μΩ·cm. 第一性原理计算结果表明, 费米能级穿过TiO的导带, TiO具有金属性导电的能带结构特征; C掺杂TiO 后, 其金属性导电的能带结构没有改变, 只是在费米面附近出现C 2p态提供的杂质能级, 杂质能级扩展了TiO的导带宽度并提高了费米面附近的电子能态密度, 从而导至TiO电导增加, 电阻率降低. 第一性原理计算结果与实验结果一致.
2013, 62 (19): 198104.
doi: 10.7498/aps.62.198104
摘要 +
锰钴镍复合氧化物是一种具有半导体性质的热敏材料. 本文采用金属有机沉积技术于室温条件下、在Si衬底上沉积一定 厚度的Mn1.74Co0.72Ni0.54O4金属 有机化合物薄膜, 并通过醇热反应进行低温结晶化合成, 可得到Mn1.74Co0.72Ni0.54O4结晶薄膜. 通过X 射线衍射、场发射扫描电子显微镜 (FESEM) 以及阻温特性等测试方法表征, 讨论了醇热反应对锰钴镍热敏薄膜的物相结构、微观形貌以及电学性能的影响. X射线衍射图显示薄膜已出现尖晶石结构的特征峰. 电镜照片说明结晶薄膜的表面较为平整、孔隙率低. 阻温特性关系表明薄膜具有明显的负温度系数效应, 室温(≈27°) 电阻率约为303.13 Ω·cm.
2013, 62 (19): 198201.
doi: 10.7498/aps.62.198201
摘要 +
在某些情况下, 心肌细胞外的钾离子浓度是变化的, 钾离子的横向扩散会导致细胞外钾离子的聚集和产生钾扩散耦合, 用考虑钾扩散耦合的Luo-Rudy相I心脏模型研究了钾扩散耦合对螺旋波动力学的影响. 数值模拟结果表明: 当钾扩散耦合比较强时, 钾扩散耦合使细胞外钾离子浓度先升高, 然后做规则振荡, 导致螺旋波做无规则漫游; 观察到螺旋波的波臂宽度和频率随钾扩散耦合的强度增大而减小, 这样, 当钾扩散耦合足够强时, 钾扩散耦合可以消除螺旋波和时空混沌.
2013, 62 (19): 198402.
doi: 10.7498/aps.62.198402
摘要 +
从自由空间中的三阵子天线求入射电磁波极角和方位角的基本原理出发, 结合电场各个分量与极化方式之间的关系给出了左手极化波计算波达角的公式, 及地球表面上方三阵子天线判断入射波极化方向的方法; 本文提出了一种新颖的滤除地面反射波的方法, 保证了波达角的求解精度; 利用获得的高精度的波达角和测得的电场强度, 计算出了电磁波的各种极化参数, 这些极化参数可以作为电离层研究和电磁波在电离层中传播研究的参考.
2013, 62 (19): 198701.
doi: 10.7498/aps.62.198701
摘要 +
CT (computed tomography)系统实际应用当中, 经常会出现扫描数据不满足数据完备性条件的情况. 针对不完全角度重建问题的研究, 是目前迭代型算法研究中的一个热点. 一系列基于带有约束的总变分最小化的重建算法近年来在不完全角度重建中取得了较好的效果, 这其中基于交替方向法 (alternating direction method, ADM) 的重建算法表现出更好的性能. 然而, ADM方法在求解过程中对矩阵求逆的处理效率不高, 导致极大的计算开销. 本文针对该问题, 使用非精确ADM方法, 利用线性近似的方式替换掉计算开销较大的项, 使得矩阵求逆问题可以通过快速傅里叶变换加速实现. 实验结果表明, 本文提出的非精确交替方向总变分最小化重建算法与精确ADM重建算法相比, 没有明显的精度损失, 计算时间缩减30%左右.
编辑推荐
2013, 62 (19): 198801.
doi: 10.7498/aps.62.198801
摘要 +
利用等离子增强化学气相沉积法在硅衬底上制备了 -Si:H/SiNx叠层薄膜用来钝化晶体硅太阳电池. 用有效少子寿命表征薄膜的钝化效果, 通过模拟高频电容-电压测试结果分析薄膜钝化的机理. 将-Si:H/SiNx薄膜的钝化效果与使用相同方法制备的 -Si:H薄膜进行对比, 发现 -Si:H/SiNx 薄膜的钝化效果明显优于 -Si:H薄膜. 不同温度下热处理后, -Si:H/SiNx薄膜的钝化效果随着温度的上升先提高后降低. 在最佳热处理温度300 ℃下进行热处理, -Si:H/SiNx 薄膜的钝化效果能在90 min内始终保持优于 -Si:H薄膜. 模拟计算结果表明, -Si:H/SiNx薄膜的钝化效果与 -Si:H/Si界面处的态密度有关.
2013, 62 (19): 198901.
doi: 10.7498/aps.62.198901
摘要 +
基于科研论文作者的合作方式, 用超图理论构建了一个科研合作超网络演化模型. 利用平均场理论分析了作者发表论文的演化规律, 发现作者的超度 (即发表论文数) 分布符合幂律分布. 进一步理论分析得到分布的幂指数γ与合作领域作者增长速度相关. γ越大, 新作者增长速度越快, 且存在关系: γ=1+L/M (L/M为作者增长率). 并通过对《物理学报》与《中国科学》2003–2012年期间作者发表论文进行了数据分析, 实证结果与理论分析及模拟结果能很好地符合. 本文对科研合作网络的理论和实证研究有一定的借鉴意义.
前沿领域综述
2013, 62 (19): 198401.
doi: 10.7498/aps.62.198401
摘要 +
由于雷达天线系统自身工作的特点, 他必须保证自身雷达波的正常接收和发射, 常用的隐身措施无法简单地在雷达天线隐身中获得应用. 采用频率选择表面 (FSS) 技术与天线罩技术相结合形成FSS天线罩, 可以使天线罩获得频率选择的功能. 即FSS天线罩对雷达的工作频段提供带通的传输特性, 同时改变雷达工作频段以外的雷达散射截面 (RCS) 特性, 可以实现带外隐身. 本文分析了FSS天线罩制备的基本思路, 综述了国内外FSS天线罩在结构设计、制造工艺等方面的研究状况, 并从多频FSS天线罩、智能FSS天线罩、厚屏FSS天线罩、 微型化FSS天线罩以及各技术的组合等方面对FSS天线罩的发展进行了展望.
地球物理学、天文学和天体物理学
2013, 62 (19): 199201.
doi: 10.7498/aps.62.199201
摘要 +
空地链路上的微波信号受降雨影响, 会产生功率衰减和去极化效应. 基于这些物理特性, 本文提出利用1–10 GHz空地链路信号的降雨干扰项获取雨强的方法, 并开展了相关理论研究. 根据空地链路信号与雨滴复杂的相互作用, 研究了空地链路信号频率为1–10 GHz时, 雨强 (rain rate, R) 对衰减 (attenuation, A) 和交叉极化分辨率 (cross-polarization discrimination, XPD)的影响, 分别建立了A-R和XPD-R关系模型. 通过数值模拟, 分别分析了利用上述两个关系模型估测雨强的可行性, 并系统研究了不同频率、极化方式和仰角条件下的适用性. 研究结果表明, 对于水平极化或圆极化, 且频率较高的空地链路信号, 利用A-R关系反演强降雨具有理论上的可行性; 对于不同频率和极化方式的信号, XPD-R关系模型都可以用于反演雨强, 并且对于1–50 mm·h-1范围内的雨强, XPD较为敏感; 不同仰角条件下, A-R和XPD-R 模型都适用. 在4–10 GHz时, 本文的XPD-R模型和国际电信联盟ITU-R中XPD预测模型的结果非常接近. 所得出的结论对于下一步开展相关的验证实验, 拓展卫星系统的气象应用, 实时估测降雨强度, 实现全球降雨观测具有重要的参考价值.
2013, 62 (19): 199202.
doi: 10.7498/aps.62.199202
摘要 +
本文利用1979–2011年欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的再分析资料 (ERA-Interim), 运用经验正交函数展开 (EOF) 和相似系数等方法, 对中国地区水分循环诸要素的时空特征进行了计算与分析. 研究结果表明: 在空间分布特征上, 蒸发量、纬向水汽通量和经向水汽通量均与大气可降水量的空间分布最相似, 大气可降水量和降水量均与蒸发量的空间分布最相似, 降水量与纬向水汽通量的相似系数略大于其与经向水汽通量的相似系数; 在时间演变上: 年降水量在1979–2002年间, 呈现非常显著的上升趋势; 在2002–2011 年间, 呈现显著的下降趋势. 年蒸发量在该两个时段的变化趋势与年降水量一致, 但均比年降水量明显; 年蒸发量在1979–2011年间呈现非常显著的上升趋势, 其年际变化明显小于年降水量. 可降水量和水汽通量散度在1979–2011年间的长期变化趋势不明显, 但可降水量的年际变化呈阶段式增大, 水汽通量的年际变化一直较大. 纬向与经向水汽通量均存在2–3年为周期的年际变化; 此外, 纬向水汽通量在1979–2011年间还存在显著的下降趋势. 春、秋季的水汽通量都存在显著下降的长期变化趋势, 夏、冬季的长期变化趋势不明显. 四季都存在2–3年为周期的年际变化. 此外, 夏季还存在明显的年代际转折.
2013, 62 (19): 199203.
doi: 10.7498/aps.62.199203
摘要 +
提出了一种可精确提取一维互易有限周期性结构色散特性的宏元胞法. 将多个周期性元胞组合构成单个“宏元胞”, 以严格考量元胞间的互耦效应, 通过Bloch分析分别计算出正向激励和反向激励时Bloch 波的本征传输因子ξN和1/ξN, 对ξN取复对数操作即可解出一维有限周期性结构的衰减常数α, 而复对数函数的多值性使得相移常数β存在多整数分支的选择问题. 通过与解卷绕法获得的β近似值相比较,选择出合理的整数分支, 可精确计算出β. 与传统的本征模式法、解卷绕法及单元胞法相比,宏元胞法对元胞间的耦合强度不作要求, 计算更加精确快速, 可作为刻画一维互易有限周期性结构色散和Bloch阻抗特性的有力工具.
2013, 62 (19): 199601.
doi: 10.7498/aps.62.199601
摘要 +
为综合分析评估2004年11月在中国酒泉卫星发射中心的首次临近空间气象火箭探测资料精度, 分别利用经验预报模式资料和卫星遥感资料进行对比. 分析结果表明, 由于经验预报模式时空分辨率低, 同时缺乏中国区域平流层的中上部以上高度的探测数据, 在平流层中上部以上高度与气象火箭探测资料的偏差较大; 相比于经验预报模式, 气象火箭探测资料与卫星资料的偏差明显减小, 偏差主要由两者的系统性误差和对比点在时间及经纬度的差异造成的. 综合对比结果表明, 相比于经验预报模式资料和卫星遥感资料, 气象火箭探测资料的精度较高,具有较强的可信度, 可对其他方式的探测结果进行标定.
