Vol. 62, No. 3 (2013)
2013年02月05日
总论
2013, 62 (3): 030201.
doi: 10.7498/aps.62.030201
摘要 +
基于T矩阵法, 选取双波长入射光, 对火灾烟颗粒与非火灾烟雾颗粒的光散射矩阵进行了详细的数值计算和比较分析. 结果表明, 入射光波长改变时, 烟颗粒光散射矩阵元素的变化明显不同于非火灾烟雾颗粒. 选用双波长脉冲激光入射, 通过检测合适的光散射矩阵元, 结合异或逻辑运算, 可区分火灾烟雾颗粒和非火灾烟雾颗粒, 降低非火灾烟雾颗粒引起的误报.
2013, 62 (3): 030202.
doi: 10.7498/aps.62.030202
摘要 +
介绍了基于傅里叶变换红外技术检测CO2气体碳同位素比的新方法, 详细介绍了如何从HITRAN红外数据库中提取气体标准吸收截面; 介绍了基于非线性最小二乘法反演CO2气体碳同位素比和整套实验装置的组成及实验步骤. 从理论和实验分析两方面讨论了温度和气压变化对δ13CO2值的影响规律. 对于同一CO2标准气体, 采用FTIR和同位素质谱法两种技术进行了δ13CO2值对比检测, 两种测量技术的平均值差异仅为0.25%. 从实验结果可以看出, FTIR技术可以实现对CO2气体碳同位素比的检测.
2013, 62 (3): 030301.
doi: 10.7498/aps.62.030301
摘要 +
给出了满足Maxwell方程的自弯曲电磁波解(部分Bessel函数), 其可以通过发射调制初始相位和发射方向的一组平面波干涉合成来实现. 自弯曲电磁波在一定传播距离内保持波束形状不变, 其传播轨道接近圆形. 这类曲线加速的电磁波不同于Ariy波束, 其中部分Bessel波束的弯曲角度可以远大于Ariy波. 半Bessel 波束的Poynting矢量表明主瓣能够保持能量不扩散且偏转接近180°. 此外, 同时发射一对半Bessel电磁波能够在一定区域内实现对消, 即在该域内实现电磁波自屏蔽.
2013, 62 (3): 030302.
doi: 10.7498/aps.62.030302
摘要 +
研究由三个全同的二能级原子与耦合腔构成的系统, 考虑腔场处于弱相干态的情况. 采用Negativity熵度量两子系统间的纠缠, 利用数值计算方法研究了两个原子之间和两个腔场之间的纠缠性质. 讨论了腔场间的耦合系数和腔场的强度对纠缠特性的影响. 研究结果表明: 随光场强度增大, 原子间纠缠和腔场间纠缠均增强. 另一方面, 随耦合腔的耦合系数增大, 两原子间的纠缠减弱, 腔A和腔B间的纠缠增强; 而腔B和腔C间的纠缠, 以及腔A和腔C间纠缠与腔场间的耦合系数间存在非线性关系.
编辑推荐
2013, 62 (3): 030303.
doi: 10.7498/aps.62.030303
摘要 +
借助在Majorana表象下提出的纠缠度定义, 研究了对称双阱中两个玻色原子组成的系统的纠缠动力学. 得到了系统的任意态在Majorana 表象下的表示, 并考察了原子间相互作用及系统初始状态对纠缠度动力学的影响. 发现原子间相互作用会决定纠缠度振荡的频率, 而纠缠度振荡的幅度对系统的初态很敏感.
2013, 62 (3): 030501.
doi: 10.7498/aps.62.030501
摘要 +
提出一种以d-q同步旋转坐标系下, 电流为观测对象的插入式永磁同步电机的非奇异高阶终端滑模观测器, 用来获得高性能矢量控制系统所必需的电机转子位置及速度信息. 采用非奇异终端滑模控制, 提高了观测器的动态响应速度及鲁棒性, 利用高阶滑模控制技术的特性, 有效地抑制了传统滑模控制的抖振现象. 同时给出了转速环及电流环调节器的参数设计方法, 转速环调节器采用积分反馈算法, 电流环调节器使用前馈解耦内模控制技术 ,参数在线调整简单. 将该算法应用到2 MW永磁同步低速电机无传感器控制系统中, 实验结果表明, 该方法能够准确计算出电机的位置和速度, 使系统具有良好的稳态精度和动态性能.
2013, 62 (3): 030502.
doi: 10.7498/aps.62.030502
摘要 +
研究了色噪声参激和周期调制噪声外激联合驱动的分数阶线性振子及其共振行为, 利用Laplace变换和Shapiro-Loginov公式, 推导出了系统响应的一阶矩及稳态响应振幅的解析表达式. 讨论了系统阶数、摩擦系数、周期驱动力频率、色噪声强度和相关率等参数对系统稳态响应的影响, 发现系统稳态响应振幅具有非单调变化的特点, 即出现了广义随机共振现象. 并且在适当参数下, 稳态响应振幅还存在具有双峰的广义随机共振现象.
2013, 62 (3): 030503.
doi: 10.7498/aps.62.030503
摘要 +
研究了一维晶格中费曼棘齿-棘爪热机模型. 用粒子的概率主方程来描述粒子在晶格中的动力学特性, 推导出热流、 功率和效率的表达式. 通过数值计算分析势垒高度、 外力和温比对热流以及热机功率和效率的影响. 研究表明: 在粒子稳态概率流为零时, 存在非零的热流从高温库流入低温库, 类似于经典不可逆卡诺模型中的热漏; 热漏的存在使得热机的效率远远小于卡诺效率, 功率与效率之间为闭合的关系曲线, 热机为不可逆热机; 对热机性能参数进行优化, 可以使热机工作在最优性能状态下.
2013, 62 (3): 030504.
doi: 10.7498/aps.62.030504
摘要 +
对不确定混沌系统控制问题, 研究了一种基于径向基函数神经网络(radial basis function neural network, RBFNN)的反馈补偿控制方法. 该方法首先用RBFNN对混沌系统的动力学特性进行学习, 然后用训练好的RBFNN模型对混沌系统进行反馈补偿控制. 该方法的特点是不需要被控混沌系统的数学模型,可以快速跟踪任意给定的参考信号. 数值仿真试验表明了该控制方法不仅具有响应速度快、控制精度高, 而且具有较强的抑制混沌系统参数摄动能力和抗干扰能力.
2013, 62 (3): 030505.
doi: 10.7498/aps.62.030505
摘要 +
混沌系统的参数估计本质上是多维参数的优化问题. 结合和声搜索方法和对立学习机理, 提出一种混合生物地理优化算法, 用于解决混沌系统的参数估计问题. 利用对立学习机理增加初始群体的多样性, 并引入和声搜索以增强局部寻优能力, 从而提升整体寻优性能. 以典型混沌系统为例进行了未知参数估计的数值仿真, 结果验证了所提出混合生物地理优化方法的有效性和鲁棒性.
2013, 62 (3): 030701.
doi: 10.7498/aps.62.030701
摘要 +
新型静态偏振风成像干涉仪采用四面角锥棱镜与偏振阵列的组合结构, 在CCD的四个分区上一次得到四个不同相位的干涉图, 可以实现对目标的实时探测, 克服了动镜扫描探测模式不能对快速变化目标进行精确探测的缺陷. 由于光束被四等分, 强度大幅度下降, 微弱的气辉信号能否被探测到成为研究的关键. 本文从目标气辉光谱的特性出发, 分析了静态偏振风成像干涉仪系统的光学传输特性和响应特性, CCD的噪声水平及系统信噪比, 得出弱信号夜气辉在常规的探测模式下探测不到的结论. 采用延长光积分时间, 像素合并技术和选用探测灵敏度高的电子倍增CCD等措施, 均可以有效改善信噪比, 并计算出几种措施综合运用后系统的信噪比和响应度. 考虑到成本和目标的快速变化, 仅采用像素合并技术, 模拟了信噪比和数字化输出随辐射强度的变化曲线, 结果表明可实现对夜气辉等微弱信号的探测.
2013, 62 (3): 030702.
doi: 10.7498/aps.62.030702
摘要 +
辐射测温是通过测量物体表面发射的辐射来反演温度. 本文结合线性发射率模型从辐射测温方程封闭求解的角度, 解释了谱色测温通常需采用微元立体角测量或针对漫发射体的有限立体角辐射测量的原因, 并推导出了有限立体角辐射测量条件下, 具有非漫发射性质物体表面温度测量的辐射测温方程, 该方程具有测量普适性. 以此方程为基础, 推导了具有测量普适性的谱色测温方程组, 发现不同的辐射测量条件下, 发射率标尺的取值范围相同, 但物理意义发生了明显变化.
2013, 62 (3): 030703.
doi: 10.7498/aps.62.030703
摘要 +
利用静电力显微镜(EFM)研究了二相材料不同区域的介电特性. 制备了高定向石墨/聚乙烯、云母/聚乙烯等层叠状二相材料复合物, 在EFM相位检测模式下观测二相材料过渡界面处, 可以发现二相材料中介电常数较大的材料会引起较大的相位滞后角Δθ该相位滞后角正切值tan(Δθ) 与探针电压VEFM存在二次函数关系, 且函数二次项系数与样品的介电常数存在增函数关系, 进而可在微纳米尺度下区分不同微区域内材料的介电常数差异. 研究表明EFM 可用于对材料介电特性的微纳米尺度测量, 这对分析复合材料二相界面区域特性有积极意义.
2013, 62 (3): 030704.
doi: 10.7498/aps.62.030704
摘要 +
温室效应是全球气候变化的主要原因之一, 除温室气体外, 有毒气体一氧化碳(CO)作为一种非直接温室气体加剧了这种变化. 由于地基观测台站数量有限, 而大气化学模型的模拟又很大程度上依赖于模型假定, 因此, 卫星观测成为实时获取大气CO浓度分布信息的有效途径. Sciamachy是第一台搭载在卫星上, 利用观测到的近红外波段太阳反射光谱反演大气一氧化碳的仪器. 由于在近红外波段, 大气散射效应可以忽略, 所以Sciamachy观测数据能够很好地反演与人类活动息息相关的大气底层一氧化碳的时空变化信息. 本文基于迭代最大后验概率算法, 对Sciamachy的观测数据进行反演分析, 同时应用云效应校正与仪器本身问题校正方法, 得到了全球一氧化碳柱浓度时空分布结果; 通过与Atsr全球火点数据的比较, 分析了全球CO排放源的种类与时空分布; 最后选取中国地区CO柱浓度分布图, 并结合人口密度与煤田/煤矿分布, 对其排放源进行了初步推断.
核物理学
2013, 62 (3): 032801.
doi: 10.7498/aps.62.032801
摘要 +
为了测定聚变-裂变反应堆模型钍包层中的钍俘获率以及钍-铀转化率, 探索了一种新的钍活化离线γ测量法. 利用测量232Th俘获反应产物233Th衰变链中233Pa衰变放出的311.98 keV 特征γ射线, 来反推计算并最终确定232Th(n,γ)233Th的反应率, 测试实验中不确定度约6% (233Th/232Th量级为10-17情况下). 详细介绍了此方法的背景和原理方法, 并进行简单的校验实验, 证明其能够较好地得到模拟装置中的俘获率. 与瞬发γ测量法以及质谱分析法进行对比, 本方法更适合用于聚变-裂变反应堆模型钍包层中的钍俘获率以及钍-铀转化率测量, 并有望进一步测量其他相关参数.
原子和分子物理学
2013, 62 (3): 033401.
doi: 10.7498/aps.62.033401
摘要 +
应用经典径迹蒙特卡罗方法详细研究了强磁场环境下He2++H (1s)的重粒子碰撞电离过程. 首先得到了在不同强度的纵向和横向磁场下电离电子的一阶能量微分截面, 发现它们不仅在数值上比未加磁场下的结果有明显的增加, 而且随电离电子的能量变化不再是单调下降, 而是呈现一定的峰值结构. 通过对电离事例的分析, 解释了这些变化形成的原因. 其次由于强磁场会导致碰撞电离的物理机理有很大变化, 因此也分析并解释了磁场强度、方向及入射粒子能量等因素对电离机理的影响行为.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2013, 62 (3): 034101.
doi: 10.7498/aps.62.034101
摘要 +
将基于辅助微分方程的完全匹配层(ADE-PML)吸收边界条件引入到基于Daubechies尺度函数的时域多分辨率分析算法中. 与目前广泛应用的Berenger完全匹配层(PML)和各向异性介质完全匹配层(APML) 相比, 该吸收边界条件的实现更加容易且更节省内存. 数值结果表明, ADE-PML在吸收传播模和低频凋落模方面均优于PML和APML.
2013, 62 (3): 034102.
doi: 10.7498/aps.62.034102
摘要 +
基于表面阻抗边界条件时域有限差分(FDTD)方法研究了一维斜入射情况下非磁化等离子体薄涂层涂敷金属材料的电磁散射特性, 该方法忽略对薄层背景材料进行网格剖分, 大大减少了计算量. 首先推导了理想导体涂敷等离子体薄涂层的表面阻抗频域表达式, 然后代入边界条件并变换到时域, 再用分段线性递推卷积方法将时域表达式离散得到FDTD迭代式. 编程计算了垂直及斜入射情形下的平行极化和垂直极化反射系数, 通过验证算例与解析解对比, 结果表明该方法的准确性和有效性. 最后利用该方法分析了不同入射角对反射系数的影响.
2013, 62 (3): 034201.
doi: 10.7498/aps.62.034201
摘要 +
以delta-P1近似光学模型为基础, 推导了双点源近似下空间分辨漫反射一阶散射参量μs'灵敏度的解析式, 并进行了数值分析和比较. 研究表明, 与混合漫射近似模型和漫射近似模型相比, delta-P1 近似模型能更好地描述强散射较强吸收情况下近光源区域生物组织漫反射光子的分布, 且在有效反照率a'>0.83时, 获得最佳优化距离ρopt, ρopt 随μs' 的增大而减小, 且在距光源约2.7—4个输运平均自由程处μs'的变化对测量吸收的影响最小. 这项研究对于优化传感器几何结构以及生物组织光学参量的测量具有重要意义.
2013, 62 (3): 034202.
doi: 10.7498/aps.62.034202
摘要 +
利用低官能度的丙烯酸酯单体进行全息液晶/聚合物光栅的制备, 获得了具有聚合物支撑形貌的光栅结构. 由于这种光栅内部不存在液晶微滴, 当作为分布反馈式激光器的谐振腔时, 可以有效降低光栅内部的散射损失(<4%), 降低激光腔损耗. 此外, 选用的高折射率单体提升了光栅的折射率调制量, 增强了光栅的反馈增益. 在以上两种因素的共同作用下, 采用染料DCM为激光工作物质, 以532 nm的Nd:YAG脉冲激光器作为抽运光源, 最终获得了中心波长为635 nm, 转化效率为1.2%的高性能激光, 在以阈值能量0.8 μJ/pulse抽运下获得激光线宽0.3 nm, 较之国内外同类激光器的报道, 在阈值、线宽、转化效率三方面均有不同程度提升.
2013, 62 (3): 034203.
doi: 10.7498/aps.62.034203
摘要 +
提出了一种基于偏振滤波图像增强和动态散斑照明的新型宽场荧光层析显微镜. 该显微镜采用了一种新型的偏振滤波图像增强技术, 基于激发光与荧光偏振态的差异, 利用偏振器件滤除激发光; 并利用动态散斑照明实现宽场层析. 该荧光层析显微镜具有结构简单、低成本、响应速度快、容易操作等特点. 实验研究结果表明, 本文提出的滤波方案能够显著地提高图像质量, 利用动态散斑照明实现宽场层析具有较高的纵向分辨能力. 研究丰富了在荧光显微镜中, 从强激发光中提取弱荧光信号的技术手段, 为今后发展具有快速响应, 波长可调谐的多光谱荧光层析等高端的显微镜具有重要参考意义.
2013, 62 (3): 034204.
doi: 10.7498/aps.62.034204
摘要 +
应用质点振荡模型和数值模拟方法研究了在金属与光折变晶体界面形成表面波的条件及其能量变化. 结果表明: 传播常数的正负影响表面波的类型及波能量分布, 当传播常数取负值时在界面处形成非局域表面波, 取正值时在界面处形成振荡表面波和局域表面波, 局域表面波的能量随传播常数的变大而单调递增. 在一给定的物理系统中, 可通过调节决定非线性效应强度的可变参量控制不同阶数局域表面波模及其传播波形.
2013, 62 (3): 034205.
doi: 10.7498/aps.62.034205
摘要 +
研究了强光导引的弱光呼吸子传输问题. 尽管弱光本身的非线性效应可以忽略, 但强光通过强非局域非线性效应会对弱光形成约束并与弱光本身的衍射效应达到动态平衡, 从而形成呼吸子. 得到了弱光呼吸子的解析表达式, 在此基础上分析了其束宽的呼吸演化规律, 并对弱光呼吸子整体轨迹的形状、方位、旋向等性质进行了系统的研究.
2013, 62 (3): 034206.
doi: 10.7498/aps.62.034206
摘要 +
提出了宽带雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩人工磁导体复合结构, 通过将多个金属方片周期结构相复合, 进一步拓展了其工作带宽. 测试结果表明, 反射率小于-10 dB的频段为7.7—13.1 GHz, 相对带宽为51.9%. 通过全波仿真研究了其在不同频率的散射特性, 随着频率的增加, 在对角象限平分面上的反射峰逐渐向法线方向靠拢, 但其RCS较金属板的后向RCS仍减小-8 dB以上. 该人工磁导体复合结构具有工作带宽大、设计简单和加工容易等优点, 具有重要的应用前景.
2013, 62 (3): 034207.
doi: 10.7498/aps.62.034207
摘要 +
提出和发展了基于毛细管-微球组合探针的任选区、 高分辨显微成像新方法. 建立了微球显微成像的物理模型, 利用成像理论,推导出微球成像的放大倍率; 采用3.0, 4.4, 5.6, 7.5, 10.0 μm等不同直径的SiO2微球, 对未经刻录的DVD光盘进行了微球显微成像实验, 可以观察到DVD光盘的微纳米结构被明显放大且对比度显著提高, 与理论计算结果相符合; 采用毛细管微探针操纵微球的方法, 实现了基于微球透镜阵列的样品微纳米结构的高分辨显微成像; 在此基础上, 进一步将毛细管微探针与微球组合, 制备出毛细管-微球组合型探针, 首次实现了基于微球透镜的样品任意区域高分辨显微成像.
2013, 62 (3): 034208.
doi: 10.7498/aps.62.034208
摘要 +
将光纤光栅的傅里叶模式耦合理论应用于光纤布拉格光栅型全光纤声光调制器的理论分析中. 与现有的分析方法相比, 该模型算法简单、 求解容易, 能够快速有效地获得调制器的传输特性. 基于该模型, 理论分析了超声波频率及声致应变幅度对调制器特性的影响. 仿真结果表明, 该调制器反射谱的主反射峰与次反射峰的波长间隔与超声波频率成正比, 反射峰的反射率随着声致应变幅度的改变而发生周期性的变化. 另外, 在同一声致应变幅度下, 低频超声波调制的光栅反射中存在更多的次反射, 光栅反射能量的周期性变化更加明显. 实验中, 使用频率为885.5 kHz的超声波对光纤布拉格光栅进行调制. 实验结果与仿真结果相一致.
2013, 62 (3): 034209.
doi: 10.7498/aps.62.034209
摘要 +
多光束合成和单光束聚焦一直是提高激光束功率和功率密度的两个重要方法. 结合艾里光束在自由空间中沿弯曲路径传播的特性, 从数值模拟和实验两个方面, 研究了利用多个一维艾里光束合成自由空间自聚焦光束的方法, 并对所得到的模拟和实验结果进行了对比. 采用分步束传播法, 分别模拟了由四个和八个一维艾里光束合成的自聚焦光束在自由空间中的传播过程, 给出了自聚焦光束在传播过程中横向和纵向的光强分布和变化趋势. 采用计算全息和空间光调制器技术实验, 实现了多个一维艾里光束合成的自聚焦光束. 实验中分别测量了四个和八个一维艾里光束合成的自聚焦光束的横向光强分布. 实验结果和理论结果符合得较好. 另外, 为了进一步增大自聚焦光束的功率, 可以增加参与合成的一维艾里光束的数量. 同时, 自聚焦光束的焦距可以通过调整各个一维艾里光束的相对位置进行调节.
2013, 62 (3): 034301.
doi: 10.7498/aps.62.034301
摘要 +
机电等效电路是分析复合换能器常用的一种解析方法, 但对薄圆盘而言, 由于弯曲振动的复杂性, 其等效集中参数很难获得, 该方法很少被应用. 本文从分布参数系统与集中参数系统等效角度, 根据动能相等原则和势能相等原则, 给出了弯曲振动薄圆盘的集中参数: 等效质量和等效弹性系数, 得到了共振频率方程, 并用ATILA软件模拟了其振动分布情况, 可以看出解析结果与数值结果趋于一致. 最后给出了分析复合振动系统时薄圆盘集中参数模型的等效电路. 本文的结果对弯曲振动复合换能器的设计提供了理论参考.
2013, 62 (3): 034401.
doi: 10.7498/aps.62.034401
摘要 +
众所周知, 双极型晶体管的设计主要是基区的设计. 一般而言, 基区的杂质分布是非均匀的. 本文首先研究了非均匀的杂质高斯分布对器件温度分布、增益和截止频率的温度特性的影响, 发现增益和截止频率具有正温度系数, 体内温度较高. 随后研究了基区Ge组分分布对这些器件参数的影响. 均匀Ge组分分布和梯形Ge组分分布的SiGe 异质结双极型晶体管增益和截止频率具有负温度系数, 具有较好的体内温度分布. 进一步的研究表明, 具有梯形Ge组分分布的SiGe 异质结双极型晶体管, 由于Ge组分缓变引入了少子加速电场, 不但使它的增益和截止频率具有较高的值, 而且保持了较弱的温度敏感性, 在增益、特征频率大小及其温度敏感性、体内温度分布达到了很好的折中.
2013, 62 (3): 034501.
doi: 10.7498/aps.62.034501
摘要 +
给出了采用辛Runge-Kutta (R-K)方法求解Lagrange-Maxwell方程的数值积分方法, 并数值研究了RLC电路弹簧耦联系统中极板的运动及电流的变化情况, 其计算结果和传统的R-K方法相一致, 说明利用辛积分算法研究机电动力系统是合理和有效的, 并在此基础上采用辛R-K方法研究了Noether意义下的形式不变性.
气体、等离子体和放电物理
2013, 62 (3): 035201.
doi: 10.7498/aps.62.035201
摘要 +
中性束加热将应用于先进实验超导托卡马克装置中, 在改善等离子性能的同时也会激发起多种阿尔文不稳定性. 本文主要采用了数值模拟的方法在理论上研究了中性束注入时在台基区激发的离散阿尔文本征模(TAE) 和环效应阿尔文本征模(TAE), 结果表明在这个区域会激发出丰富的离散阿尔文不稳定性, 这种离散阿尔文不稳定性不同于传统的TAE, 这种模式是俘获在气球模驱动势阱中的束缚态, 由于气球模势阱的存在使它和连续谱解耦, 从势阱中漏出去的能量可以忽略不计, 和TAE类似都很容易被激发, 这种模式可以存在于gap内, 也可以存在于gap外, 频谱更宽泛. 注入功率越大这种不稳定性增长率越大. 这种不稳定性可能会影响等离子体的物理行为, 从而影响等离子体的约束.
2013, 62 (3): 035202.
doi: 10.7498/aps.62.035202
摘要 +
激光聚变物理实验中,背光透视照相是靶丸内爆动力学过程观测的重要方法. Ag是一种重要的背光材料, 激光辐照产生的等离子体可以产生强L线辐射, 研究其烧蚀和辐射特性, 对提高内爆靶丸背光透视照相的图像质量具有十分重要的意义.在神光II装置上, 采用第九路输出的2 ns, ～ 5× 1014 W/cm2, 526.5 nm激光均匀辐照Ag薄膜靶, 实验研究了其烧蚀特性, 获得了银薄膜靶在激光烧蚀驱动下的飞行轨迹和飞行速度的数据. 实验结果与一维辐射流体力学模拟结果相符. 火箭模型对实验数据进行拟合, 得到了Ag材料的质量烧蚀速率和烧蚀压的数据. 采用平面晶体谱仪和X射线二极管探测器阵列观测等离子体的辐射特性, 获得了Ag等离子体辐射光谱和L线转换效率, 实验结果对激光聚变内爆靶丸背光照相的实验设计具有重要的参考价值.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2013, 62 (3): 036101.
doi: 10.7498/aps.62.036101
摘要 +
采用分子动力学方法和镶嵌原子势, 模拟了4000个Cu原子和13500个Cu原子(简称Cu4000和Cu13500)组成的纳米颗粒以及块体Cu的等温晶化过程. 通过对这些颗粒在晶化过程中结构和动力学行为的分析研究, 发现低温时, 不同尺寸的纳米Cu颗粒均出现多步晶化, 且晶化时间的分布曲线远比高温时范围大; 除了温度, 颗粒尺寸对晶化行为也有重要的影响, 尺寸越大, 晶化时间越长, 最终的晶化程度越高; 但是晶化时间随尺寸增大而增加的趋势不会一直持续, 发现存在一个临界尺寸rc, 小于rc时, 晶化时间随颗粒尺寸增大而增加, 大于rc时,晶化时间随尺寸增大而减小.
2013, 62 (3): 036102.
doi: 10.7498/aps.62.036102
摘要 +
采用射频等离子体增强化学气相沉积技术, 研究了辉光功率对微晶硅锗材料结构特性和光电特性的影响, 提出使用功率梯度的方法制备微晶硅锗薄膜太阳电池本征层. 优化后的微晶硅锗本征层不仅保持了晶化率纵向分布的均匀性, 而且形成了沿生长方向由宽到窄的渐变带隙分布, 使电池的填充因子和短路电流密度都得到了提高. 采用此方法制备的非晶硅/微晶硅锗双结叠层电池转换效率达到了9.54%.
2013, 62 (3): 036103.
doi: 10.7498/aps.62.036103
摘要 +
利用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统研究了石墨烯纳米带(GNRs)电学性质的扭曲效应. 结果表明: 锯齿型石墨纳米带(ZGNRs)的带隙对扭曲形变最不敏感, 在扭曲过程中几乎保持金属性不变, 其次是W=3p-1型扶手椅型石墨烯纳米带(AGNRs), 扭曲时带隙也只有较小的变化. W=3p+1型AGNRs的带隙对扭曲最为敏感, 扭曲发生时, 呈现宽带隙半导体、中等带隙半导体、准金属、金属的变化, 其次是W=3p型AGNRs, 扭曲时带隙变化也较为明显. 换言之, GNRs在无扭曲时带隙越大, 扭曲发生后带隙变化(变小)越明显. 对于整个电子结构及透射系数来说, 扭曲对AGNRs影响较大, 而对ZGNRs的影响相对小些. 研究表明: 由于石墨烯容易变形, 其相关电子器件的设计必须适当考虑扭曲对电学性质的影响.
2013, 62 (3): 036104.
doi: 10.7498/aps.62.036104
摘要 +
利用表面光子晶体能大幅提高发光二极管(LED)的外量子效率, 但如何制备大面积的纳米光子晶体是该研究方向的主要难点之一. 本文基于纳米压印技术在氮化镓基发光二极管(GaN-LED)表面制作孔状二维光子晶体. 通过以金属和聚合物双层掩膜干法刻蚀法, 得到了很好的光子晶体图形转移效果. 最终在LED的p-GaN层表面获得了大面积光子晶体, 周期为450 nm, 纳米孔直径为240 nm. 器件测试结果显示, 有表面光子晶体的LED比没有光子晶体的LED, 光致发光强度峰值提高到了7.2倍.
2013, 62 (3): 036105.
doi: 10.7498/aps.62.036105
摘要 +
研究了0.8 μm SOINMOS晶体管,经过剂量率为50 rad (Si)/s的60Co γ射线辐照后的输出特性曲线的变化趋势. 研究结果表明, 经过制造工艺和版图的优化设计, 在不同剂量条件下, 该样品均不产生线性区kink效应. 由碰撞电离引起的kink效应, 出现显著变化的漏极电压随总剂量水平的提高不断增大. 在高剂量辐照条件下, 背栅ID-VSUB曲线中出现异常的"kink"现象, 这是由辐照诱生的顶层硅膜/埋氧层之间的界面陷阱电荷导致的.
2013, 62 (3): 036201.
doi: 10.7498/aps.62.036201
摘要 +
冲击波阵面反映材料在冲击压缩下的弹塑性变形行为以及屈服强度、应变率条件等宏观量, 还与冲击压缩后的强度变化联系. 本文使用分子动力学方法, 模拟研究了冲击压缩下纳米多晶铜中的动态塑性变形过程, 考察了冲击波阵面和弹塑性机理对晶界存在的依赖, 并与纳米多晶铝的冲击压缩进行了比较. 研究发现: 相比晶界对纳米多晶铝的贡献而言, 纳米多晶铜中晶界对冲击波阵面宽度的影响较小; 并且其塑性变形机理主要以不全位错的发射和传播为主, 很少观察到全位错和形变孪晶的出现. 模拟还发现纳米多晶铜的冲击波阵面宽度随着冲击应力的增加而减小, 并得到了冲击波阵面宽度与冲击应力之间的定量反比关系, 该定量关系与他人纳米多晶铜模拟结果相近, 而与粗晶铜的冲击压缩实验结果相差较大.
2013, 62 (3): 036301.
doi: 10.7498/aps.62.036301
摘要 +
基于第一性原理的密度泛函理论研究了单个O2和CO气体分子吸附于本征石墨烯和掺杂钯(Pd)的石墨烯的体系, 通过石墨烯掺Pd前后气体分子的吸附能、电荷转移及能带和态密度的计算, 发现掺Pd后气体分子吸附能和电荷转移显著增大, 这是由于Pd的掺杂, 在本征石墨烯能带中引入了杂质能级, 增强了石墨烯和吸附气体分子间的相互作用; 氧化性气体O2和还原性气体CO吸附对石墨烯体系能带结构和态密度的影响明显不同, 本征石墨烯吸附O2后, 费米能级附近态密度变大, 掺Pd后在一定程度变小; 吸附还原性的CO后, 石墨烯费米能级附近态密度几乎没有改变, 表明掺杂Pd不会影响石墨烯对CO的气体灵敏度, 但由于CO对石墨烯的吸附能增大, 可以提高石墨烯对还原性气体的气敏响应速度.
2013, 62 (3): 036401.
doi: 10.7498/aps.62.036401
摘要 +
在火炮上利用金属铋(Bi)直接撞击单晶LiF窗口, 开展了金属Bi反向碰撞的冲击加载-卸载实验研究, 实验采用激光位移干涉测试系统, 获得了金属Bi在11—16 GPa压力范围内完整的卸载粒子速度剖面. 实验结果结合特征线方法计算表明, 金属Bi经冲击加载进入体心立方相, 并在11—16 GPa冲击压力作用下发生了卸载熔化, 界面粒子速度剖面的卸载拐点, 对应着金属Bi经冲击加载后发生的卸载熔化, 而这一结论同Cox的理论计算及一维流体力学程序计算结果基本一致. 本文报道的金属Bi卸载波剖面解读技术, 对于认识冲击加载下其他相似材料相变具有实用价值.
2013, 62 (3): 036402.
doi: 10.7498/aps.62.036402
摘要 +
采用磁控二靶(Ga30Sb70和Sb80Te20)交替溅射方法制备了新型Ga30Sb70/Sb80Te20纳米复合多层薄膜, 对多层薄膜周期中Ga30Sb70层厚度对相变特性的影响进行了研究. 结果表明, 多层薄膜的结晶温度可以通过周期中Ga30Sb70层厚度进行调节, 且随着Ga30Sb70层厚度的增加而升高. Ga30Sb70/Sb80Te20纳米复合多层薄膜的光学带隙随Ga30Sb70层厚度的增加而增大. 采用皮秒激光脉冲抽运光探测技术研究了多层薄膜的瞬态结晶动力学过程, 利用不同能量密度的皮秒激光脉冲可以实现Ga30Sb70/Sb80Te20多层薄膜非晶态和晶态的可逆转变.
2013, 62 (3): 036801.
doi: 10.7498/aps.62.036801
摘要 +
采用Al和TiN靶通过磁控共溅射方法, 制备了一系列Ti:N≈1的不同(Ti, N) 含量的铝基纳米复合薄膜, 利用X射线能量分散谱仪、X射线衍射仪、透射电子显微镜和纳米力学探针表征了薄膜的成分、 微结构和力学性能, 研究了(Ti, N)含量对复合薄膜微结构和力学性能的影响. 结果表明: Ti, N原子的共同加入使复合薄膜形成了同时具有置换固溶和间隙固溶特征的"双超过饱和固溶体", 薄膜的晶粒随着溶质含量的增加逐步纳米化, 并进一步形成非晶结构, 晶界区域形成溶质原子的富集区. 相应地, 复合薄膜的硬度在含1.8 at.%(Ti, N) 时就可迅速提高到3.9 GPa; 随着TiN含量的增加, 薄膜的硬度进一步提高到含17.1 at.%(Ti, N)时的8.8 GPa. 以上结果显示出Ti和N"双超过饱和固溶"对Al薄膜极其显著的强化效果.
2013, 62 (3): 036802.
doi: 10.7498/aps.62.036802
摘要 +
采用STM分析InGaAs表面形貌演变研究InGaAs表面的粗糙化和预粗糙化等相变过程, 特别针对In0.15Ga0.85As薄膜表面预粗糙化过程进行了深入研究. 发现In0.15Ga0.85As薄膜在不同的衬底温度和As等效束流压强下表现出不同的预粗糙化过程. 在低温低As等效束流压强下, 薄膜表面将经历从有序平坦到预粗糙并演变成粗糙的过程, 起初坑的形成是表面形貌演变的主要形式, 随着退火时间的延长, 大量坑和岛的共同形成促使表面进入粗糙状态; 在高温高As等效束流压强下薄膜表面将率先形成小岛, 退火时间延长后小岛逐渐增加并最终达到平衡态, 表面形貌将长期处于预粗糙状态.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2013, 62 (3): 037101.
doi: 10.7498/aps.62.037101
摘要 +
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, 建立了未掺杂与不同浓度的Mn原子取代Zn原子的三种Zn1-xMnxO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布、能带分布和吸收光谱的计算. 结果表明: 电子非自旋极化处理的条件下, Mn掺杂浓度越小, ZnO形成能越小, 掺杂越容易, 晶体结构越稳定; Mn的掺入使得ZnO体系的杂质能带和导带发生简并化, 并且导带底和价带底同时向低能方向移动, 掺杂后的导带比价带下降得少导致禁带宽度变宽, ZnO吸收光谱明显出现蓝移现象, 计算结果和实验结果相一致. 同时, 电子自旋极化处理的条件下, 体系有磁性, 吸收光谱发生红移现象. 计算结果与相关实验结果相符合.
2013, 62 (3): 037102.
doi: 10.7498/aps.62.037102
摘要 +
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, 对纤锌矿BexZn1-xO合金进行能隙特性、弯曲系数和结构参数的计算. 结果表明: BexZn1-xO合金的能隙和弯曲系数都随Be掺杂组分的增大而增大. 通过修正BexZn1-xO合金的能隙值得知其合金弯曲系数b为6.02 eV, 这与实验值接近. 纤锌矿BexZn1-xO合金的能隙弯曲系数过大主要来源于体积形变和电荷转移的贡献. 文中还分析了BexZn1-xO合金的晶格常数、 平均键长和平均次近邻原子距离与Be组分的关系.
2013, 62 (3): 037103.
doi: 10.7498/aps.62.037103
摘要 +
采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法, 研究了Cr和W掺杂对单层二硫化钼(MoS2)晶体的电子结构性质的影响. 计算结果表明: 当掺杂浓度较高时, W对MoS2的能带结构几乎没有影响, 而Cr的掺杂则影响很大, 表现为能带由直接带隙变为间接带隙, 且禁带宽度减小. 通过进一步分析, 得出应力的产生是导致Cr掺杂的MoS2电子结构变化的最直接的原因.
2013, 62 (3): 037104.
doi: 10.7498/aps.62.037104
摘要 +
利用第一原理研究了过渡金属元素 Cr 或 Ni 在 Fe3Al合金中的优先占位行为及其合金化效应. 计算结果表明: Cr 或 Ni 的取代有助于Fe3Al 合金体系更稳定, Cr 优先占据 FeI 位, Ni 优先占据 FeII位. Fe2NiAl-II 具有最小的剪切模量G, 杨氏模量E和G/B值, 因此Fe2NiAl-II合金的韧性、延展性最佳. 态密度和电荷密度图表明, 过渡金属元素的取代提高了它们与近邻基体原子之间的相互作用, 削弱了Al和Fe的相互作用.
2013, 62 (3): 037105.
doi: 10.7498/aps.62.037105
摘要 +
利用简单的氨还原方法制备了GaN:Tb纳米颗粒. X射线衍射结果显示纳米颗粒为六方结构, 根据Scherrer公式, 计算得到了GaN:Tb纳米颗粒的平均晶粒大小为21.2 nm; 透射电子显微镜结果显示为GaN:Tb纳米颗粒尺寸均匀, 尺寸大小约为20 nm; 除正常的GaN Raman振动模式外, 还观察到了251和414 cm-1 2个额外的Raman散射峰, 前者是表面无序或尺寸限制效应造成的, 而后者则是八面体Ga-N6振动模式; 最后, 测量了GaN:Tb纳米颗粒的室温光致发光谱, 获得了Tb3+离子在可见光区(位于493.9, 551.2, 594.4和630.1 nm)的本征发光.
2013, 62 (3): 037201.
doi: 10.7498/aps.62.037201
摘要 +
利用电化学分析仪对掺铁同成分铌酸锂晶体进行瞬态光电导研究. 以不同掺铁浓度铌酸锂晶体为样品, 在不同强度的纳秒级脉冲光照射下对光电导的研究发现: 铌酸锂晶体的瞬态光电导是由较为复杂的电子迁移过程形成, 其衰减可以用一个指数函数叠加一个扩展指数来拟合. 拟合参数与光强、掺铁浓度存在以下依赖关系: 入射光强增强时, 幅值σ1max、σ2max、时间常数τ2和扩展因子β 值增大, 在光强增大到一定时, τ2和β出现饱和; 晶体的掺铁浓度升高时, σ1max、σ2max、τ2 值增大, 而β值减小. 根据实验结果, 从理论上提出了光电子导带迁移伴随光电子在小极化子上跳跃迁移的复合电荷传输模型. 该模型较好地解释了掺铁同成分铌酸锂晶体的光电导的衰减特点.
编辑推荐
2013, 62 (3): 037202.
doi: 10.7498/aps.62.037202
摘要 +
研究一个极薄三维拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜处于两个铁磁绝缘体层之间, 其铁磁层的磁化方向都处于竖直平面, 系统拓扑性质随磁化方向夹角的变化. 从表面态电子低能有效哈密顿量出发计算系统的Chern 数, 和运用一个具有Armchair边界的单层六角晶格带的紧束缚模型模拟系统的体能带和边缘态, 来确定系统所处的拓扑相. 发现两个铁磁层的磁化方式从平行转到反平行的某一临界角度, 系统经历从反常量子霍尔相到普通绝缘相的转变.
2013, 62 (3): 037301.
doi: 10.7498/aps.62.037301
摘要 +
为增强晶体硅太阳电池的光利用率, 提高光电转换效率, 研究了硅纳米线阵列的光学散射性质. 运用严格耦合波理论对硅纳米线阵列在310—1127 nm波段的反射率进行了模拟计算, 用田口方法对硅纳米线阵列的表面传输效率进行了优化. 结果表明, 当硅纳米线阵列的周期为50 nm, 占空比为0.6, 高度约1000 nm时减反射效果最佳; 该结构在上述波段的平均反射率约为2%, 且在较大入射角度范围保持不变. 采用金属催化化学腐蚀法, 于室温、室压条件下在单晶硅表面制备周期为60 nm,占空比为0.53, 高度为500 nm的硅纳米线阵列结构, 其反射率的实验测试结果与计算模拟值相符, 在上述波段的平均反射率为4%—5%, 相对于单晶硅35%左右的反射率, 减反射效果明显. 这种减反射微结构能够在降低太阳电池成本的同时有效减小单晶硅表面的光反射损失, 提高光电转换效率.
2013, 62 (3): 037302.
doi: 10.7498/aps.62.037302
摘要 +
提出了一种新的表面等离子体共振传感器, 它包含三层结构: 棱镜、金属薄膜及二能级介质. 通过理论分析发现, 与通常表面等离子体共振系统不同, 这一物理系统中同时存在两种共振效应 (表面等离子体共振和能级间量子跃迁的共振效应), 它们共同作用的结果导致一系列新的物理现象, 其中一个令人感兴趣的现象是入射光的反射率对外场导致的微小能级移动十分敏感 (这一现象是通常的表面等离子体共振系统所不具有的). 由于能级移动依赖于外场, 所以最终入射光的反射率对外场具有灵敏的响应. 本文以外磁场导致能级移动的情况进行了理论计算, 结果表明, 这种表面等离子体共振系统的入射光的反射率对外加磁场极其敏感. 这一特性可以用来测量物质表面附近的微弱磁场, 有可能发展成为一种新型检测技术.
2013, 62 (3): 037303.
doi: 10.7498/aps.62.037303
摘要 +
采用指数掺杂技术, 通过金属有机化学气相沉积法外延生长了反射式GaAlAs和GaAs光电阴极, GaAlAs发射层的Al组分设计为0.63. 在超高真空系统中分别对两种阴极进行激活实验, 得到激活后的光谱响应曲线. 利用指数掺杂反射式光电阴极量子效率公式对实验曲线进行拟合并分析了电子漂移扩散长度、后界面复合速率、表面电子逸出几率等性能参数对光电发射性能的影响. 结果表明, 与GaAs光电阴极相比, GaAlAs光电阴极的Al组分虽然在一定程度上不利于光电发射, 但是解决了GaAs光电阴极由于响应波段宽而不能很好地用于窄波段可见光探测领域的问题, 制备出只对蓝绿光响应的反射式GaAlAs光电阴极.
编辑推荐
2013, 62 (3): 037501.
doi: 10.7498/aps.62.037501
摘要 +
通过实验和计算的方法研究了Mn2CoMxGa1-x 和Mn2CoMxAl1-x (M=Cr, Fe, Co)掺杂系列合金样品. 研究发现, 在共价作用的影响下, Fe和Co原子占A位, 使被取代的MnA (-2.1 B)变成MnD (3.2 B), 在最近邻的强交换作用下亚铁磁基体中形成了MnB-CoC-MnD局域铁磁性结构, 使分子磁矩的增量最高可达6.18 B. Fe, Co 掺杂后建立同样的局域铁磁结构, 居里温度的变化趋势却不同. 实验观察到Mn2Co1+xAl1-x中掺杂容忍度高达x=0.64, 远高于在Mn2CoGa中(x=0.36)的结果; 以及随着Al的减少, 合金由B2有序向A2混乱转变等现象, 为共价作用对合金结构稳定的影响提供了证据. 磁测量中发现Cr掺杂后磁矩增量高达3.65 B以及居里温度快速上升的反常现象, 意味着对占位规则的违背.
2013, 62 (3): 037502.
doi: 10.7498/aps.62.037502
摘要 +
利用等离子体增强化学气相沉积技术制备了厚度不同的Ge薄膜, 随着样品厚度的减小, 样品表现出了室温铁磁性. 厚度为12 nm样品经过300 ℃退火后, 由于颗粒细化, 颗粒之间的界面增加, 界面缺陷增加, 样品表现出最大的铁磁性 (50 emu/cm3). 场冷却和零场冷却曲线测试表明居里温度约为350 K. 进行600 ℃退火后, 颗粒团聚, 样品的铁磁性最小. 当样品厚度进一步减小为6 nm时, 沉积态样品表现出铁磁性和顺磁性共存. 对6 nm厚的样品进行300 ℃退火后, 样品只具有铁磁性. 进行600 ℃退火后, 样品却只具有顺磁性. 12 nm 和6 nm 厚的Ge纳米结构薄膜随退火温度变化表现出不同的磁性规律, 我们认为是由于样品的颗粒大小和颗粒分布不同造成的. 样品越薄, Si基底与Ge薄膜之间的界面缺陷越明显, 界面缺陷以及Ge颗粒之间的界面缺陷为样品提供了未配对电子, 未配对电子的铁磁性耦合强度与样品颗粒的分布以及颗粒之间的结合有一定的关系. 颗粒之间分散或颗粒之间的融合程度大都将会降低样品的铁磁性.
2013, 62 (3): 037701.
doi: 10.7498/aps.62.037701
摘要 +
采用Nd(thd)3和O3作为反应前驱体, 利用先进的原子层淀积方法在P型硅(100)衬底上制备了超薄Nd2O3介质膜, 并在N2气氛下进行了退火处理. 采用X射线光电子能谱仪对薄膜样品组分进行分析. 研究结果表明, 淀积过程中将前驱体温度从175 ℃提高到185 ℃后, 薄膜的质量得到提高, O/Nd 原子比达到1.82, 更接近理想的化学计量比, 介电常数也从6.85升高到10.32.
2013, 62 (3): 037702.
doi: 10.7498/aps.62.037702
摘要 +
单晶硅球间微量密度差异测量是阿伏伽德罗常数量子基准定义的重要研究内容, 也是半导体产业中高纯度单晶硅制备工艺质量控制的主要方法. 为了改善现有非接触相移干涉法测量装置复杂和静力称重法测量不确定度低的特点, 根据单晶硅密度精密测量需要, 实现了一种基于静力悬浮原理的单晶硅球密度相对参比测量方法. 通过改变静压力和温度进行三溴丙烷和二溴乙烷混合液体密度的微量调节, 分别使两个待测单晶硅球在液体中悬浮, 根据悬浮状态时的液体温度和悬浮高度计算出待测单晶硅球密度差值. 通过双循环水浴和PID温度控制系统实现±100 μK的恒温液体测量环境. 通过图像识别和迭代拟合算法实现单晶硅球悬浮高度的测量. 使用PID静压力控制系统实现单晶硅球的稳定悬浮控制, 同时减少Joule-Thomson效应引起的液体温度改变. 利用静力悬浮模型中的温度变化和静压力变化线性关系准确测量出标准液体的压缩系数. 试验结果表明, 这种测量方法可以避免液体液面张力的影响, 测量相对标准不确定度达到2.1×10-7, 能够实现单晶硅球密度差值的精密测量.
2013, 62 (3): 037703.
doi: 10.7498/aps.62.037703
摘要 +
采用射频磁控溅射法在富氧环境下制备ZnO薄膜, 继而结合N离子注入及热退火实现薄膜的N掺杂及p 型转变, 借助霍尔测试和拉曼光谱研究了N离子注入富氧ZnO薄膜的p型导电及拉曼特性. 结果表明, 在 600 ℃温度下退火120 min可获得性能较优的p-ZnO: N薄膜, 其空穴浓度约为2.527×1017 cm-3. N离子注入ZnO引入了三个附加拉曼振动模, 分别位于274.2, 506.7和640.4 cm-1. 结合电学及拉曼光谱的分析发现, 退火过程中施主缺陷与N受主之间的相互作用对p-ZnO的形成产生重要影响.
2013, 62 (3): 037801.
doi: 10.7498/aps.62.037801
摘要 +
测量了非极性分子胡萝卜素和极性分子角黄素, 在非极性溶剂CS2和极性溶 剂1,2二氯乙烷中243293 K的温度范围内的共振拉曼光谱. 结果表明, 溶质和溶剂的极性对拉曼光谱影响很大. 非极性分子胡萝卜素在非极性溶剂CS2中的拉曼散射截面最大, 线宽最窄, 而极性分子角黄素在极性溶剂1,2二氯乙烷中的拉曼散射截面最小, 线宽最大. 用溶剂效应及线性多烯分子的相干弱阻尼电子-晶格振动, 有效共轭长度模型给予了解释.
2013, 62 (3): 037802.
doi: 10.7498/aps.62.037802
摘要 +
通过偏振拉曼光谱和第一性原理计算对非线性光学晶体BaBPO5的 晶格振动模式进行了研究. 实验得到了不同几何配置下、在1001600 cm-1范围内的晶体偏振拉曼光 谱与傅里叶变换红外吸收谱, 结合因子群分析方法研究了晶体的外振动与内振动模式特征. 分析表明拉曼振动主要来自于PO4四面体和BO4四面体的振动, 且PO4基团振动具有较强的拉曼与红外活性. 此外,根据第一性原理对晶体拉曼振动进行了数值模拟, 进一步明确了拉曼峰与晶体中原子振动的对应关系, 计算表明拉曼光谱中位于672 cm-1峰位来自晶体中BOP键的伸缩振动, 这是晶体中PO4四面体和BO4四面体共顶点连接的特征结构在光谱中的体现.
2013, 62 (3): 037803.
doi: 10.7498/aps.62.037803
摘要 +
采用化学共沉淀法制备了不同Ba2+掺杂浓度、 不同煅烧温度的Sr0.8-xBaxEu0.2WO4红色荧光粉. 研究了样品的晶体取向和晶格 畸变对发光性质的影响, 实验结果表明: 合成的Sr0.8-xBaxEu0.2WO4红色荧光粉为四方相, 样品中Eu3+的5D07F2跃迁的红光能被近紫外光和蓝光有效激发. 适量的Ba2+离子取代部分的Sr2+提高了Sr0.8Eu0.2WO4荧光粉的发光强度, Ba2+掺杂浓度的改变对基质的晶格参数、晶体对称性和发光性能影响较大, Ba2+的最佳掺杂量为30%.
2013, 62 (3): 037804.
doi: 10.7498/aps.62.037804
摘要 +
采用高温熔融法制备了xBi2O3-50B2O3-(50-x)BaO玻璃, 测定了样品玻璃的近红外光区的发射谱、荧光寿命以及Raman光谱. 在808 nm波长光的激发下, 50Bi2O3-50B2O3二元玻璃中未观察到近红外发光; 随体系中BaO的加入, 当x为40, 45以及49时, 玻璃样品中观察到了近红外宽带发光现象; BaO含量进一步增加, 当x=1030时, 近红外发光现象消失; 而当玻璃中Bi浓度很低时, 在0.5Bi2O3-50B2O3-50BaO及1Bi2O3-50B2O3-50BaO玻璃中发现了近红外发光现象, 且存在多个发光峰. 对铋离子近红外发光机理进行了初步的探讨.
2013, 62 (3): 037805.
doi: 10.7498/aps.62.037805
摘要 +
理论研究了金纳米球壳的几何结构参数, 及物理参量对局 域表面等离激元共振波长调谐特性的影响. 结果表明, 随着壳层厚度的增大, 球壳消光共振峰先蓝移后红移, 高阶峰转向时对应的壳层厚度比低阶峰大, 且该厚度与球壳内径的比值随内径尺寸的增大而减小, 随内核材料或外界环境介电常数的增大而增大, 散射共振峰也有类似的移动规律. 利用电子杂化效应和相位延迟效应对该现象进行了理论解释.
2013, 62 (3): 037806.
doi: 10.7498/aps.62.037806
摘要 +
利用碳纳米管在外加静电场下可产生常温太赫兹频段负微分电阻的特性, 提出了太赫兹波频段的有源超材料设计方法以及块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法. 对无源金属线阵进行参数提取, 证明所提出的块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法, 可以有效解决传 统参数提取中的符号与多分支选择问题. 通过对嵌入具有负微分电阻特性的碳纳米管的金属线阵进行参数提取, 发现太赫兹波有源超材料不仅具有等效介电常数虚部为负(代表电有源)的特性, 而且还具有磁性色散的特性.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2013, 62 (3): 038101.
doi: 10.7498/aps.62.038101
摘要 +
利用等离子体化学气相沉积技术, 在引入Ti过渡层后的Co膜表面一步制备出碳纳米片-碳纳米管复合材料, 研究了Co膜厚度对复合材料形貌及场发射性质的影响. 当Co薄膜厚度为11 nm时, 得到了垂直基片定向生长的碳纳米管和碳纳米片复合物, 此时, 碳纳米片分布在碳纳米管的管壁上和管的顶端, 样品的场发射性能最佳.
2013, 62 (3): 038402.
doi: 10.7498/aps.62.038402
摘要 +
以往的通信行为指导系统未来通信, 以满足用户需求并适应环境变化, 是认知无线电系统的核心所在, 为此提出了一种基于贝叶斯网络的认知引擎, 用于解决在复杂多变的电磁环境与用户需求条件下, 认知无线电系统参数自适应调整的问题. 通过对系统过去通信行为样本数据, 进行结构学习和参数学习建立认知引擎, 将系统当前环境状态和用户需求信息经预处理作为推理的证据, 应用引擎决策出系统此时最佳的工作参数, 完成系统参数重构. 本文利用OPNET工具建立一个移动无线网络完成仿真实验, 仿真结果表明该认知引擎能有效地使移动无线网络适应环境变化, 改善端到端通信性能, 进一步验证了建模方法的可行性.
2013, 62 (3): 038403.
doi: 10.7498/aps.62.038403
摘要 +
提出了一种新的基于机械弹性的储能方法, 推导了永磁电机式机械弹性储能机组的非线性动力学模型, 论证了机组储能过程中某些参数及运行条件下会出现混沌运动, 分析了机组非线性动力学模型的线性稳定性. 在此基础上, 基于本实验室正在研发的0.16 kWh/0.8 kW机械弹性储能机组运行参数, 将机组3维非线性模型降阶为带时变参数的2维投影子系统, 采用坐标平面投影法研究了机组的混沌特性, 分析了降维子系统平衡点位置及特征方程随时变参数的变化关系, 并对机组混沌运动进行了数值验证, 在一定程度上解决了解析方法, 适用性较差导致对多维机电耦联系统只能仿真求解难以理论分析的问题.
2013, 62 (3): 038501.
doi: 10.7498/aps.62.038501
摘要 +
采用反应溅射法, 分别制备以LaTiON, HfLaON为存储层的 金属-氧化物-氮化物-氧化物-硅 电容存储器, 研究了淀积后退火气氛(N2, NH3)对其存储性能的影响. 分析测试表明, 退火前LaTiON样品比HfLaON 样品具有更好的电荷保持特性, 但后者具有更大的存储窗口 (编程/擦除电压为+/-12 V时4.8 V); 对于退火样品, 由于NH3的氮化作用, NH3退火样品比N2退火样品表现出更快的编程/擦除速度、更好的电荷保持特性和疲劳特性. 当编程/擦除电压为+/-12 V时, NH3退火HfLaON样品的存储窗口为3.8 V, 且比NH3退火LaTiON样品具有更好的电荷保持特性和疲劳特性.
2013, 62 (3): 038701.
doi: 10.7498/aps.62.038701
摘要 +
提出了一种新的使用过程的前向概率和后向概率计算符号相对熵, 并利用符号相对熵来估计熵产的方法. 该方法是基于熵增和过程不可逆特性关系的, 同时证明脑电信号具有时间不可逆特性, 而且该不可逆特性可以提供脑电信号的熵增信息. 最后应用该方法对青老年脑电信号进行数值计算及对比, 结果是老年人的平均能量损耗显著高于年轻人, 证明符号相对熵可以作为一个物理过程不可逆程度的度量参数, 这对脑电信号是否处于积极或平衡状态的诊断治疗具有积极的作用.
2013, 62 (3): 038801.
doi: 10.7498/aps.62.038801
摘要 +
采用巨正则系综蒙特卡罗方法, 通过含有此方法模块的GULP软件, 系统地研究了扶手椅式单壁碳纳米管在低温和常温下的储氢性能, 给出了5种半径的扶手椅管在液氮温度(77 K)和常温(280 K)下的吸附等温线, 同一管径在不同温度不同压强下氢分子在碳纳米管中的分布构型图等. 对77 K和280 K下不同压强不同管径的碳纳米管储氢能力做了较为全面的对比分析, 最后根据模拟计算的结果, 对碳纳米管储氢能力的强化提出了一些建设性意见.
2013, 62 (3): 038802.
doi: 10.7498/aps.62.038802
摘要 +
太阳能热电转换是光伏效应外另一种直接将太阳辐射转变为电能的途径, 近年来已经成为太阳能利用的热点之一. 本文以Bi2Te3材料为基础构建平板集热太阳热电器件模型, 采用有限元法分析AM1.5辐射条件下器件温度分布情况, 并结合基于温度的物性参数计算集热比、热臂截面积与长度变化等因素对器件的开路电压、 最大输出功率及转化效率的影响. 研究发现: 集热比与热臂长度的变化对器件性能有显著影响, 热臂截面积的变化对器件转化效率影响相对较弱; 在这一模型中, 平板集热太阳热电器件的转化效率达到1.56%.
2013, 62 (3): 038803.
doi: 10.7498/aps.62.038803
摘要 +
研究了三步法第二步沉积速率对低温生长Cu(In,Ga)Se2薄膜结构、 电学特性和器件特性的影响. 通过改变第二步沉积速率发现, 提高沉积速率可以显著促进薄膜晶粒生长, 提高晶粒紧凑程度降低晶界复合, 同时有效改善两相分离现象, 提高电池的开路电压和短路电流, 有助于Cu(In,Ga)Se2电池光电转换效率的提高. 但同时研究表明, 随着第二步沉积速率的增加, 会促进暂态Cu2-xSe晶粒的生长, 引起Cu(In,Ga)Se2薄膜表面粗糙度增大, 并阻碍Na向Cu(In,Ga)Se2薄膜表面的扩散, 造成施主缺陷钝化效应降低, 薄膜载流子浓度下降和电阻率升高, 且过高的沉积速率会引起电池内部复合增加并产生分流路径, 造成开路电压下降进而引起电池效率恶化. 最终, 通过最佳化第二步沉积速率, 在衬底温度为420℃时, 得到最高转换效率为11.24%的Cu(In,Ga)Se2薄膜太阳电池.
2013, 62 (3): 038804.
doi: 10.7498/aps.62.038804
摘要 +
在认知无线电网络中, 传输层端到端(TCP)吞吐率是衡量网络性能的重要指标. 前期相关研究大都具有以下两方面缺点: 第一, 大部分研究只考虑了协议底层参数来优化物理链路性能, 对传输层性能有所忽略; 第二, 目前的研究大都基于马尔可夫决策过程建模, 这需要网络具有完全知识, 使得这类模型的应用受到很大限制. 针对以上问题, 本文提出一种新的算法: 网络中每个节点通过联合配置物理层调制方式、发射功率、 链路层信道接入和TCP拥塞控制因子来找到传输层端到端近似最优吞吐率. 由于无线设备对环境感知存在误差, 本文将网络模型建模为部分可观测马尔可夫决策过程, 并将其转换成信念状态马尔可夫决策过程, 采用Q值迭代找到近似最优策略. 仿真分析表明, 提出的算法能在动态无线环境下以一定的误差限收敛于最优策略, 能在功率受限条件下, 有效提高传输层端到端吞吐率.
2013, 62 (3): 038901.
doi: 10.7498/aps.62.038901
摘要 +
根据新浪微博的实际数据, 建立了两个基于双向关注的用户关系网络, 通过分析网络拓扑统计特征, 发现二者均具有小世界、无标度特征. 通过对节点度、紧密度、介数和k-core 四个网络中心性指标进行实证分析, 发现节点度服从分段幂率分布; 介数相比其他中心性指标差异性最为显著; 两个网络均具有明显的层次性, 但不是所有度值大的节点核数也大; 全局范围内各中心性指标之间存在着较强的相关性, 但在度值较大的节点群这种相关性明显减弱. 此外, 借助基于传染病动力学的SIR信息传播模型来分析四种指标在刻画节点传播能力方面的差异性, 仿真结果表明, 选择具有不同中心性指标的初始传播节点, 对信息传播速度和范围均具有不同影响; 紧密度和k-core较其他指标可以更加准确地描述节点在信息传播中所处的网络核心位置, 这有助于识别信息传播拓扑网络中的关键节点.
地球物理学、天文学和天体物理学
2013, 62 (3): 039201.
doi: 10.7498/aps.62.039201
摘要 +
海面飞沫水滴改变着海气动量通量的分布, 从而在相当程度上影响着海面拖曳系数. 为了能够精确估计海面飞沫水滴对海面拖曳系数的影响, 推导出新的依赖于风速和海浪状态的海洋飞沫生成函数, 将该飞沫生成函数用在改进的飞沫动量通量计算公式中进行飞沫动量通量的计算, 发现本文提出的飞沫动量通量计算公式对海浪状态具有较强的敏感性, 能够清晰地表达海浪状态对飞沫动量通量的影响. 海面总动量通量包含飞沫动量通量和海气界面动量通量, 基于此理论, 得到高风速下受飞沫水滴影响的海面拖曳系数关系式, 从关系式的理论值可知, 在高风速下, 海面拖曳系数开始衰减, 说明高风速下海面飞沫水滴能够抑制拖曳系数值的增加. 将理论结果与实验室和外海测量值进行对比, 发现海面拖曳系数的理论值变化范围覆盖了测量值, 同时将该海面拖曳系数代入海浪模式进行台风浪模拟, 发现海浪模式能够较好地模拟出有效波高, 说明本文提出的新的海面拖曳系数公式能够合理地用在高风速条件下.
2013, 62 (3): 039202.
doi: 10.7498/aps.62.039202
摘要 +
讨论了当下垫面随时间缓慢变化时浅水方程的形式. 从控制大气运动的连续性方程和动量方程出发, 将下垫面的缓慢变化作为一个小量叠加到固有下垫面函数上, 利用大气的上下边界条件, 得到改进的浅水方程. 在改进的浅水方程中, 由缓变局部水平体积散度, 订正了局部水平体积散度和流体局部厚度变化之间的平衡, 在此基础上得到包含下垫面缓变的涡度方程.
2013, 62 (3): 039203.
doi: 10.7498/aps.62.039203
摘要 +
湖泊表层混合层深度的变化不仅影响湖泊水生生态系统的演变, 而且影响流域的局地气候、降水量的时空格局等. 基于2008年夏秋两季洱海(高原湖泊)和太湖(平原湖泊)的气象与水温廓线观测资料, 分析探讨了两湖表层混合层深度的变化特征及其机制. 结果表明: 夏季洱海能维持持续的分层现象, 秋季有明显的日分层现象, 而在相应的两季中, 太湖仅可能存在日分层现象; 洱海表层混合层深度较同期太湖更浅; 太湖两季的表层混合层深度变化较洱海频繁, 即太湖水体混合与分层的交替过程对气象条件的响应较洱海更为迅速. 太湖这类浅水湖泊, 水深是抑制其存在稳定、持续分层的关键因素, 在合适的辐射条件下, 可形成日分层现象; 而洱海这类深度的湖泊, 净热量通量是影响其是否存在持续、稳定分层的主要因子. 该研究为进一步探讨湖泊与大气两种湍流运动的耦合机制及水生生态环境演替规律等提供了有力的参考.
2013, 62 (3): 039204.
doi: 10.7498/aps.62.039204
摘要 +
众所周知, 风场分解与重构最有效的方法就是引入速度势和流函数, 其一般通过求解两个Poisson 方程得到. 由于速度势和流函数在边界上的耦合性质,有限区域风场分解是不唯一的, 这对风场分解带来了很大困难. 本文采用变分伴随结合正则化方法来克服风场分解的不唯一性, 其核心是把速度势和流函数的边值作为控制变量来反演. 目标泛函由两部分组成, 一是衡量重构风场误差大小的观测项; 二是保证风场分解问题适定的正则化项, 其目的在于寻求具有气象意义的稳定正则化解. 数值试验结果表明, 在正确选取正则化参数后, 利用变分伴随结合正则化方法进行有限区域风场分解与重构是有效可行的.
2013, 62 (3): 039205.
doi: 10.7498/aps.62.039205
摘要 +
使用2006年12月–2008年11月COSMIC (constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)掩星湿廓线资料对第二对流层顶的全球分布特征进行统计, 对比三个站点的无线电探空仪和COSMIC的对流层顶资料, 研究结果表明: 1) 第二对流层顶的出现频率在副热带急流区较高,冬季在北半球为50%–70%, 在南半球为20%–40%; 2) 赤道带的第二对流层顶出现频率约为20%–26%, 与越赤道急流和对流层顶上的毛卷云有关; 3) 在副热带急流区, 第一对流层顶的温度基本高于第二对流层顶; 4) 在热带, 对流层顶厚度和第二对流层顶出现频率随纬度减小; 热带以外, 对流层顶厚度随纬度增加, 在冬半球60o有最大值7–8 km; 5) 单站点对流层顶的日变化剧烈程度与COSMIC和探空仪的对流层顶高度偏差正相关．
2013, 62 (3): 039206.
doi: 10.7498/aps.62.039206
摘要 +
近年来, 临界慢化现象在揭示复杂动力系统是否趋向于临界性灾变方面展示了重要潜力. 本文基于临界慢化的理念, 着重研究不同噪声影响下, 气候突变前兆信号出现的时间; 对含有不同噪声的气温观测资料、太平洋年代际振荡指数以及阿留申低压强度资料进行处理, 研究突变的前兆信号. 以20世纪70年代末80年代初这次气候突变为例, 分别计算了表征临界慢化现象的方差和自相关系数. 结果表明, 临界慢化现象出现在具有不同信噪比的资料中, 这表明临界慢化现象可能是气候突变发生前的一个前兆信号, 并且噪声对气候突变前兆信号的检测结果影响较小, 从而论证了临界慢化现象检测突变前兆信号的可靠性, 为该方法在实际观测资料中的广泛应用提供了实验基础.
