Vol. 64, No. 17 (2015)
2015年09月05日
总论
2015, 64 (17): 170502.
doi: 10.7498/aps.64.170502
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本文从分数阶谱形式的气固耦合模型出发, 理论推导出具有幂律记忆核的广义朗之万方程. 研究气体分子在自由场和简谐势场中的动力学演化和长时渐进行为, 着重分析三种各态历经判据: Khinchin判据、Lee判据以及内在判据和外在表现的适用性. 研究结果表明: Khinchin判据适用于广义朗之万方程描述的所有扩散和输运过程; Lee判据并不适用于布朗运动, 只能用来区分不同类型的扩散过程; 而内在判据和外在表现不仅能够把非各态历经分为两类, 同时可以揭示非各态历经的物理内在根源.
2015, 64 (17): 170503.
doi: 10.7498/aps.64.170503
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采用常见元器件等效实现一个广义忆阻器, 进而制作出一个电路特性可靠的非线性电路, 有助于忆阻混沌电路的非线性现象的实验展示及其所产生的混沌信号的实际工程应用. 基于忆阻二极管桥电路, 构建了一种无接地限制的、易物理实现的一阶有源广义忆阻模拟器; 由该模拟器并联电容后与RC桥式振荡器线性耦合, 实现了一种无电感元件的忆阻混沌电路; 建立了无感忆阻混沌电路的动力学模型, 开展了相应的耗散性、平衡点、稳定性和动力学行为等分析. 结果表明, 无感忆阻混沌电路在相空间中存在分布2个不稳定非零鞍焦的耗散区和包含1个不稳定原点鞍点的非耗散区; 当元件参数改变时, 无感忆阻混沌电路有着共存分岔模式和共存吸引子等非线性行为. 研制了实验电路, 该电路结构简单、易实际制作, 实验测量和数值仿真两者结果一致, 验证了理论分析的有效性.
2015, 64 (17): 170504.
doi: 10.7498/aps.64.170504
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本文讨论了一维闭合环上Kuramoto相振子在非对称耦合作用下同步区域出现的多定态现象. 研究发现在振子数N3情形下系统不会出现多态现象, 而N4多振子系统则呈现规律的多同步定态. 我们进一步对耦合振子系统中出现的多定态规律及定态稳定性进行了理论分析, 得到了定态渐近稳定解. 数值模拟多体系统发现同步区特征和理论描述相一致. 研究结果显示在绝热条件下随着耦合强度的减小, 系统从不同分支的同步态出发最终会回到同一非同步态. 这说明, 耦合振子系统在非同步区由于运动的遍历性而只具有单一的非同步态, 在发生同步时由于遍历性破缺会产生多个同步定态的共存现象.
2015, 64 (17): 170201.
doi: 10.7498/aps.64.170201
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本文利用分子动力学模拟方法研究了含纳米孔洞金属铝在[110]晶向高应变率单轴压缩下弹塑性变形的微观过程. 对比单孔洞和完整单晶的模型, 讨论了多孔金属的应力应变关系及其位错发展规律. 研究结果表明, 对于多孔模型的位错积累过程, 位错密度随应变的增加可大致分为两个线性阶段. 由同一个孔洞生成的位错在相互靠近过程中, 其滑移速度越来越小; 随着位错继续滑移, 源自不同孔洞的位错之间开始交叉相互作用导致应变硬化. 达到流变峰应力之后又由于位错密度增殖速率升高发生软化. 当应变增加到11.8%时, 所有孔洞几乎完全坍缩, 并观察到在此过程中有棱位错生成.
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2015, 64 (17): 170301.
doi: 10.7498/aps.64.170301
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量子傅里叶变换是量子计算中一种重要的量子逻辑门. 任意量子位的傅里叶变换可以分解为一系列普适的单比特量子逻辑门和两比特量子逻辑门, 这种分解方式使得傅里叶变换的实验实现简单直观, 但所用的实验时间显然不是最短的. 本文利用优化控制和数值计算方法对Ising耦合体系中多量子位傅里叶变换的实验时间进行优化, 优化后的实现方法明显短于传统方法. 优化方法的核磁共振实验实现验证了其有效性.
2015, 64 (17): 170501.
doi: 10.7498/aps.64.170501
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本文讨论了分数阶对数耦合系统在非周期外力作用情况下, 耦合粒子链的定向输运现象. 由于粒子在黏性介质中的运动具有记忆性, 所以本文通过将系统建模为分数阶对数耦合模型来研究各个系统参数对粒子链运动状态的影响. 数值仿真表明: 1)对于此类系统, 只有在存在外力作用的情况下粒子链才能够产生定向输运现象, 并且粒子链平均流速随着外力的增大而增大. 2)对于分数阶阶数较小的系统, 阻尼记忆性对粒子链的运动状态有显著的影响, 具体表现为: 粒子链的平均流速存在上界(这个上界非常小), 无论外力、耦合力以及噪声强度如何变化, 粒子链的平均流速都不会超过这个上界. 当系统的阻尼力很大且外力为零时, 粒子链不会产生定向输运现象. 3) 当系统的阶数与外力较大时, 虽然粒子链能够产生定向流, 但是此时系统对耦合力与噪声具有免疫性. 4) 耦合力与噪声强度对粒子链运动的影响只在外力较小的情况下有所表现. 在这种情况下, 当系统阶数充分大时, 粒子链的平均流速随着耦合力与噪声强度的变化而变化, 并且伴随着定向流的产生.
2015, 64 (17): 170505.
doi: 10.7498/aps.64.170505
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本文主要针对室内无线传播信道直达(line of sight, LOS)与非直达(no line of sight, NLOS)环境, 引入参考模型研究其建模设计及其相关统计特性. 文中提出了一种基于几何散射模型的综合改进室内参考信道模型, 假设将无限数量的散射体均匀分布在三维空间的一个二维(two dimensional, 2D)水平面上. 本文推导了电磁波达信号到达角(angle of arrival, AOA) 概率分布函数(probability density function, PDF)、多普勒功率谱密度(power spectral Density, PSD)、 时间自相关函数(autocorrelation function, ACF)的解析表达式, 并分析其重要参数对函数的影响. 此外, 本文还通过非现实参考模型提出了一种高效的SOC(Sum of Cisoids) 信道仿真模型, 同时提出了设计SOC信道仿真模型的两种有效参数计算方法, 并比较两者的计算性能. 仿真结果表明, 信道仿真模型的统计特性与参考模型相匹配, 即室内参考模型可以通过的SOC信道仿真模型来近似, 同时信道仿真模型可以很好的应用于评估室内无线通信系统的性能, 拓宽了室内无线信道建模的研究, 同时减少实现开支.
2015, 64 (17): 170202.
doi: 10.7498/aps.64.170202
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动力学逆问题是星际航行学、火箭动力学、规划运动学理论的基本问题. Mei对称性是力学系统的动力学函数在群的无限小变换下仍然满足系统原来的运动微分方程的一种新的不变性. 本文研究广义坐标下一般完整系统的Mei对称性以及与Mei对称性相关的动力学逆问题. 首先, 给出系统动力学正问题的提法和解法. 引入时间和广义坐标的无限小单参数变换群, 得到无限小生成元向量及其一次扩展. 讨论由n个广义坐标确定的一般完整力学系统的运动微分方程, 将其Lagrange函数和非势广义力作无限小变换, 给出系统运动微分方程的Mei对称性定义, 在忽略无限小变换的高阶小量的情况下得到Mei对称性的确定方程, 借助规范函数满足的结构方程导出系统Mei对称性导致的Noether守恒量. 其次, 研究系统Mei对称性的逆问题. Mei对称性的逆问题的提法是: 由已知守恒量来求相应的Mei对称性. 采取的方法是将已知积分当作由Mei对称性导致的Noether守恒量, 由Noether逆定理得到无限小变换的生成元, 再由确定方程来判断所得生成元是否为Mei对称性的. 然后, 讨论生成元变化对各种对称性的影响. 结果表明, 生成元变化对Noether和Lie对称性没有影响, 对Mei 对称性有影响, 但在调整规范函数时, 若满足一定条件, 生成元变化对Mei对称性也可以没有影响. 最后, 举例说明结果的应用.
原子和分子物理学
2015, 64 (17): 173401.
doi: 10.7498/aps.64.173401
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运用准经典轨线方法(QCT), 基于Abrahamsson等构造的4A势能面(Abrahamsson E Andersson S, Nyman G, Markovic N 2008 Phys. Chem. Chem. Phys. 10 4400), 在碰撞能为0.06 eV时, 对C(3P)+NO(X2 )CO(X1+)+N(4S)反应立体动力学性质进行了理论研究. 在考虑反应物NO转动和振动激发的条件下, 计算了质心坐标系下k-j'矢量(k与j'分别为反应物速度与产物角动量)相关的P(r)分布和k-k'-j'矢量(k'为产物相对速度)相关的P(r)分布. 此外还计算了该反应的三个极化微分截面(2/)(d00/dt), (2/)(d20/dt)以及(2/)(d22+dt). 计算结果表明转动和振动激发对产物取向影响较大而对定向影响较小; 对于三个极化微分截面, 转动激发的影响不大, 而振动激发的影响则较大.
2015, 64 (17): 173701.
doi: 10.7498/aps.64.173701
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本文基于自行研制的第二代(180级)静电Stark减速器, 展开了对NH3的有效减速与冷却的理论研究. 首先, 计算了NH3分子在|J=1, K=1量子态的Stark分裂, 研究了不同的同步相位角下, 减速器中NH3分子的纵向相空间稳定区域; 接着, 采用Monte-Carlo方法研究了该分子在传统工作模式下的减速效果, 并讨论了该减速模式下多个参数(包括每级损失动能、分子波包末速度和相对减速效率)与同步相位角的依赖关系, 以及减速波包末速度与减速电压的关系, 研究发现: 采用传统的Stark减速模式, 当减速电压为13 kV、同步相位角0=26.08时, 即可实现NH3从280 m/s到6.7 m/s的有效减速, 对应平动动能减少了99.9%, 其波包温度由1.34 K降至80 mK; 最后, 研究了先聚束后减速模式下NH3分子的减速效果, 以及该减速模式下减速波包末速度与同步相位角的依赖关系, 结果表明: 当减速电压为 6.5 kV, 采用前15级电极作为聚束电极, 后165级作为减速电极时, 可将NH3分子波包的中心速度由280 m/s减至20.7 m/s, 平动动能减少了99.4%, 温度由1.34 K降至1.6 mK, 与传统减速模式相比, 冷分子波包温度降低至1/50. 由此可见, 采用180级的传统Stark减速器完全可以实现具有较低Stark势能的NH3分子的有效减速与冷却, 并获得温度约为1 mK的冷分子波包, 为进一步的实验研究提供了可靠的理论依据.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2015, 64 (17): 174101.
doi: 10.7498/aps.64.174101
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采用Pierson-Moscowitz(PM)海谱和Monte Carlo方法模拟实际的粗糙海面, 基于矩量法和基尔霍夫近似的混合算法研究了海面与其上方双矩形截面导体柱的复合电磁散射特性, 得出了复合散射系数的角分布曲线, 计算了复合散射系数随海面参数、矩形截面柱参数以及入射波参数的变化情况, 并做了详细分析与讨论, 得到了PM谱海面与其上方双矩形截面柱复合散射特性. 结果表明, 与单纯的矩量法相比较, 采用基于矩量法和基尔霍夫近似的混合算法, 既可获得较高的准确性, 同时又可减少计算时间和内存占用量, 而且粗糙面尺度越大该优势越明显.
2015, 64 (17): 174103.
doi: 10.7498/aps.64.174103
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本文设计一种基于单屏改进型开口谐振环(SRR)的太赫兹频率选择表面(FSS). 改进型 SRR 谐振单元由具有开口缝的金属贴片组成, 开口缝的物理尺寸会影响其阶跃特征阻抗特性. 本文通过对改进型 SRR 单元结构建立LC等效电路模型, 提取等效电路模型参数, 并结合传输线理论, 得到 FSS 的基频计算公式和谐波关系式. 相比于传统均匀 SRR, 本文所提出的改进型 SRR 多频带传输的控制更为灵活. 基于此特点, 设计了一款中心频率依次为 0.46 THz, 0.86 THz和 1.03 THz, 可应用于射电天文的三通带太赫兹 FSS. 采用电磁仿真软件对影响该 FSS 传输特性的关键参数、周期间隔、小型化程度以及入射角敏感性等重要指标进行分析研究. 结果表明, 改进型 SRR 三通带 FSS 在三个通带内的反射系数分别为 -37.6 dB, -13 dB和 -19.6 dB, 在0°–60° 范围内均具有稳定的频率响应特性, 且具有小型化程度高、损耗低等特点. 这种三通带 FSS 在太赫兹频段射电天文方面有潜在的应用价值.
2015, 64 (17): 174201.
doi: 10.7498/aps.64.174201
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本文报道了一种超高分辨率谱域光学相干层析成像(SD-OCT)系统. 该系统基于超连续谱激光光源并截取部分光谱作为宽带光源, 其中心波长为665 nm, 光谱半高全宽(FWHM) 230 nm. 系统轴向分辨率0.9 μm, 轴向扫描速率28600行/秒, 横向分辨率3.9 μm, 横向视场1 mm, 最大成像深度0.6 mm(空气中). 利用研制的超高分辨率SD-OCT系统, 对不同型号的工业砂纸精细结构进行了成像, 并与普通SD-OCT的成像结果进行对比, 充分展示了研制系统在材料无损检测中优势.
2015, 64 (17): 174202.
doi: 10.7498/aps.64.174202
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光子自旋霍尔效应类似于电子系统中的电子自旋霍尔效应, 是在折射率梯度和光子分别扮演的外场和自旋电子的角色下, 由自旋-轨道相互作用而产生的光子自旋分裂现象. 光子自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径, 同时也提供了一种精确测量相关物理效应的方法. 本文研究了磁光克尔效应中光子自旋分裂现象, 建立了磁光克尔旋转与光子自旋霍尔效应之间的定量关系, 并通过弱测量系统观测了磁场作用下铁膜表面的光子自旋分裂位移, 得到相应的磁光旋转角, 验证了我们所推导的理论预测. 本文的研究成果为精确测量磁光克尔系数和磁光克尔旋转角提供了一种新方法.
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2015, 64 (17): 174203.
doi: 10.7498/aps.64.174203
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文章报道了一个二极管激光抽运的1123 nm被动调Q激光器. 激光晶体为混晶Nd:LuYAG, 饱和吸收体选为Cr4+:YAG晶体. 在连续运转情况下, 最高输出功率为2.77 W, 对应的光-光转换效率为29.53%. 调Q运转时, 在9.38 W吸收抽运功率下, 最高输出功率为0.94 W. 脉冲宽度整体在105 ns左右. 在最高吸收抽运功率下, 1123 nm激光的输出重复频率为9.40 kHz, 对应的单脉冲能量可达100 J, 高于目前报道的单晶Nd:YAG 1123 nm单脉冲能量, 证明其在能量存储方面较单晶Nd:YAG更具优势. 另外, 据我们所知, 这是关于混晶Nd:LuYAG 1123 nm输出的首次报道.
2015, 64 (17): 174205.
doi: 10.7498/aps.64.174205
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等离子体填充慢波器件为高效率、高功率真空电子微波源的发展提供了新的途径, 但其仿真和理论都具有一定的难度. 本文将通过轮辐天线加载激励信号的方法引入到等离子体填充金属光子晶体慢波结构(SWS)的色散特性仿真分析中, 研究了慢波结构参数和等离子体密度对等离子体填充慢波结构色散特性的影响. 结果表明, 无等离子体填充时, 通过轮辐天线加载激励信号方式得到的色散特性与其他方法差别不大; 与已有结果对比表明, 该方法适用于等离子体填充慢波结构的分析. 为了减小轮辐天线对腔体谐振频率的影响, 需要适当减薄轮辐天线的厚度, 并尽可能缩短其与反射面之间的距离. 天线的厚度越大越能激励慢波场, 越小谐振模式越容易被激励; 慢波结构周期膜片外半径和厚度对色散特性影响不大, 周期长度和膜片内半径对色散特性影响较大; 频率和相速色散曲线随等离子体密度上升而整体向高频区移动; 等离子体填充对低频模点的影响要大于对高频模点的影响; 对于慢波器件, 需要选择高频模点工作模式, 以减少腔的尺寸并降低电子注的初速度.
2015, 64 (17): 174301.
doi: 10.7498/aps.64.174301
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从大气气体吸收衰减模型出发, 基于微波雨衰特性和雨滴谱统计资料建立了微波链路降雨有效衰减的修正模型和视距微波链路的降雨反演模型. 设计并搭建一条视距微波链路测雨实验系统, 利用降雨反演模型反演了路径平均降雨强度, 并与雨滴谱仪进行了同步对比. 观测结果表明, 视距微波链路降雨反演模型的反演雨强与雨滴谱仪测量结果的相关系数大多高于0.6, 最高可达0.9647; 累积降雨量的绝对误差大多在0.5 mm以内, 最小偏差仅有0.0827 mm; 相对偏差大部分在15%以内, 最小相对误差为3.3415%. 实验结果验证了微波链路反演降雨的有效性和准确性.
2015, 64 (17): 174302.
doi: 10.7498/aps.64.174302
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在浅海环境中, 海底环境参数对声传播有着重要的影响. 由于利用单个宽带声源进行海底参数反演时, 随着距离的增大, 误差变大, 本文提出利用warping变换对在浅海波导中传播的, 不同距离上的两个宽带爆炸声源进行简正波的有效分离, 实现了宽带爆炸声源的远距离海底参数反演. 采用全局寻优遗传算法对提取出的模态频散到达时间差与理论计算的模态频散到达时间差进行匹配处理, 并结合随距离连续变化的声传播损失, 实现了利用单水听器进行海底参数的反演. 实验结果表明: 运用反演出的海底参数提取模态频散时间差和实测数据提取出的模态频散时间差吻合得较好; 而通过传播损失反演得到的海底衰减系数与频率呈指数关系. 最后, 对反演结果进行了后验概率分析, 并将本组爆炸声源的反演结果用于另一组不同距离上爆炸声源时仍然有效, 来评价反演结果的有效性.
2015, 64 (17): 174303.
doi: 10.7498/aps.64.174303
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为了解决麦克风阵列通道失配时波束形成算法的稳健性问题, 提出一种基于自适应加权约束最小二乘法的麦克风阵列稳健频率不变波束形成算法. 该算法在分析无通道失配和通道失配时阵列模型特点基础上, 深入研究了通道失配时约束最小二乘频率不变波束形成算法存在的问题及其产生的原因; 将麦克风特性的概率密度函数作为稳健因子加入到约束最小二乘频率不变波束形成算法后, 其频率不变性的稳健性得到了一定的提高, 但稳健性仍较差. 为了进一步提高约束最小二乘法频率不变波束形成算法的稳键性, 通过定义代价函数中控制频率不变性的动态加权系数来调节旁瓣频谱能量, 大大提高了频率不变波束形成算法的稳键性, 将频率不变的频带范围内同一到达角度上不同频率所形成的阵列响应的最大值与最小值之比定义为波动误差, 并作为比较本文算法与约束最小二乘稳健波束形成算法和minmax稳健波束形成算法在通道失配时频率不变性稳键性的评价指标. 算法实例验证结果表明, 在麦克风阵列通道失配时, 本文算法的波动误差最小、频率不变波束形成稳健性最好, 而且适用于任意结构的阵列.
2015, 64 (17): 174501.
doi: 10.7498/aps.64.174501
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本文研究了欧拉圆盘运动过程中盘厚度以及盘面与水平面夹角α两因素对能量耗散的影响. 得出圆盘厚度与直径之比x对能量变化中各项因子的影响: x很小时, 质心在竖直方向上的动能变化和重力势能变化是系统能量耗散的主要因素; 当x>0.4142时, 圆盘绕与之平行的轴的转动动能变化成为主要因素, 并给出圆盘厚度可忽略的条件. 模拟了滚动摩擦、空气黏滞等不同能量耗散方式与x,α的关系, 导出各种耗散方式在圆盘运动的过程中的转变规律, 并指出x=0.1733, α>18°时能量耗散形式为纯滚动摩擦, 这修正了文献[26]结论.
2015, 64 (17): 174102.
doi: 10.7498/aps.64.174102
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等离子体激元(surface plasmon polaritons, SPP)因其独特的光学和物理特性, 使其具有诸如透射增强和局域共振等一系列新颖现象, 已成为当前国内外学者研究的热点. 本文对基于类表面等离子体激元(Spoof Surface Plasmons, SSP)的矩形金属光栅色散特性和模式分布进行了研究. 利用本征函数法并结合场匹配条件, 获得了矩形栅表面SSP的场表达式、色散关系和模式分布, 并通过电磁仿真进行了验证. 在此基础上分析了矩形栅各参数对SSP色散及模式分布的影响, 研究结果表明: 由本征函数法获得的SSP色散特性与仿真结果基本符合; 增大金属栅高度或减小排列周期能减小SSP的相速度; 而增大金属栅周期占空比能在一定程度上拓展SSP与电子束互作用的带宽; 改变金属盖板高度对慢波SSP色散模式基本没有影响; 减小金属栅侧面宽度能增大模式之间的间隔, 从而能有效避免模式竞争的发生. 本文对基于SSP的矩形金属光栅色散特性的研究将为进一步研究SSP与电子束的相互作用, 形成高效、宽带的新型太赫兹源奠定良好的理论基础.
2015, 64 (17): 174204.
doi: 10.7498/aps.64.174204
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利用钛宝石飞秒激光器输出的基频脉冲ω及其倍频脉冲2ω所构成双色场作用空气, 实验中检测到了中心波长处于真空紫外波段的四阶谐波. 在气体未发生电离的情况下, 四次谐波强度对双色场的能力依赖关系显示其产生是参量过程2ω+ω+ω→4ω的贡献. 当气体发生电离, 四次谐波强度与双色场相对相位有关, 可通过双色场相干控制. 实验研究了四次谐波对双色场相位的依赖性以及与太赫兹波的关联性, 其结果与数值模拟结果相符, 分析发现当气体发生电离时四次谐波的产生过程存在太赫兹辐射ΩTHz的参与, 是参量过程2ω+2ω±ΩTHz→4ω和2ω+ω+ω→4ω的共同贡献.
2015, 64 (17): 174206.
doi: 10.7498/aps.64.174206
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本文通过数值仿真分析了无序正方晶格光子晶体中类狄拉克点的光子传输特性. 结构中的无序是通过随机移动氧化铝介质柱的位置来实现. 研究发现, 由于纵模被激发出来, 在类狄拉克点及其附近无序对结构透射率的影响是不同的. 在类狄拉克点, 由于纵模的干扰, 透射率随着无序的增加而减小, 与通带的行为类似. 在不受纵模干扰的类狄拉克点附近, 透射率几乎不受无序的影响, 这主要是由于结构可以等效为近零折射率材料, 等效的波长非常大. 本文的研究结果有助于人们进一步理解光学纵模和零折射率材料.
2015, 64 (17): 174207.
doi: 10.7498/aps.64.174207
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本文提出了一种基于光纤叠栅的全光纤声光可调谐滤波器, 与普通光纤布拉格光栅型全光纤声光可调谐滤波器相比, 该滤波器能够对光纤叠栅的两个中心波长进行同步调制. 理论分析了声波频率和声致应变幅度对基于光纤叠栅的全光纤声光可调谐滤波器的传输光谱的影响, 结果表明, 各阶次反射峰分别以两个主反射峰为中心呈对称关系, 且主反射峰与其所调制出的次反射峰之间的波长间隔与声波频率成正比, 而两个主反射峰所调制出的同阶次反射峰之间的波长间隔与声波频率无关; 声致应变幅度主要影响主反射峰及次反射峰的反射率的变化. 实验中, 分别测试声波频率为390 kHz和710 kHz的基于光纤叠栅的全光纤声光可调谐滤波器的传输光谱, 实验结果的变化趋势与仿真分析结果相一致.
2015, 64 (17): 174304.
doi: 10.7498/aps.64.174304
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从联合空时频三维信息从发, 提出了波束域时频分析识别水下运动航行器低频线谱噪声源位置的方法. 首先, 利用小孔径圆环阵的超指向性波束形成, 将各线谱噪声源匀速通过正横位置附近时产生的多普勒信号在时域上分离. 其次, 分别使用伪Wigner-Ville分布和调频小波变换两种时频分析方法对波束输出的信号进行处理, 得到各噪声源信号的时频图像. 最后, 转换时间坐标到空间并参考配置信标, 即可识别低频线谱噪声源在水下航行器上的位置. 该方法解决了阵列识别水下低频噪声源的孔径受限问题, 同时对处理同频相干噪声源也适用. 仿真试验结果表明: 两种波束域时频分析方法都能较精确地识别低频线谱噪声源的位置; 在测量系统信息的配合下, 波束域调频小波变换的识别效果更优.
2015, 64 (17): 174701.
doi: 10.7498/aps.64.174701
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基于虚功原理, 在Hu X Y等和Grenier N等的研究结果基础上推导了多相流光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)控制方程, 采用精度较高的黏性力和表面张力模型, 发展了一套适用于具有大密度比和大黏性比界面的多相流SPH方法. 首先, 通过施加人工位移修正, 适当背景压力和异相界面力, 使得计算全程粒子分布相对均匀, 改善了界面处的失稳现象, 防止了异相界面处粒子的非物理性穿透; 在此基础上, 利用方形流体团振荡模型对表面张力模型进行了验证, 数值结果与解析解甚为吻合; 然后采用上浮气泡经典数值算例对比研究了不同黏性力计算方法、不同核函数的适用性以及人工位移修正的效果; 最后, 对单个气泡的上浮、变形、撕裂以及垂向两个气泡的追赶、融合等现象进行了模拟, 初步揭示了气泡上浮过程中各种有趣物理现象的细节过程和动力学机理.
2015, 64 (17): 174702.
doi: 10.7498/aps.64.174702
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研究了微平行管道内非牛顿流体––Eyring 流体在外加电场力和压力作用下的电渗流动. 在考虑微尺度效应, 电场作用, 非牛顿特性, 滑移边界等情况下, 建立Eyring流体在微平行管道内电渗流动的力学模型. 通过解线性Possion-Boltzmann方程和Cauchy动量方程, 给出Eyring 流体速度分布的精确解和近似解析解, 并探讨了上述因素对电渗流动的影响. 将电场力和压力对于Eyring流体电渗流动的速度分布的影响进行了比较分析, 得到有意义的结果.
气体、等离子体和放电物理
2015, 64 (17): 175201.
doi: 10.7498/aps.64.175201
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等离子体的电子密度分布, 电子碰撞频率分布, 覆盖面积, 厚度是影响其覆盖目标电磁散射特征的关键属性. 对此, 本文开展了在20 cm×20 cm×7 cm石英腔内感性耦合等离子体(ICP)的放电实验, 观察了在高气压条件下, 空气ICP的环形放电形态, E-H模式跳变现象和分层结构, 测量了其电负性核心区和电正性边缘区宽度和厚度随功率、气压的变化趋势, 并通过COMSOL Multiphysics对平板线圈磁场强度分布的分析和电负性气体扩散理论给予上述现象合理的解释, 同时, 利用微波透射干涉法测量了核心区域的电子密度随功率和气压的变化曲线, 利用理论模型计算了边缘区域的电子密度分布, 最后通过辅助气体Ar发射谱线的玻尔兹曼图形法得到了核心区和边缘区的电子激发温度.
2015, 64 (17): 175202.
doi: 10.7498/aps.64.175202
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本文通过对使用有效场强(或均方根场强)得到的微波大气击穿阈值表达式进行讨论, 指出其推导中所做的假设及这些假设应用到微波大气击穿过程中存在的问题. 然后分别使用解析理论和数值模拟对微波大气击穿过程中的有效电子温度变化过程和击穿阈值进行研究, 并将其与直流电场进行比较. 分析发现在高气压下, 电子能量转移频率高, 有效电子温度随电场大幅振荡, 由于电离频率随有效电子温度的增长率大于电子能量损失随有效电子温度的增长率, 因此在高气压时, 微波大气击穿阈值低于使用有效场强的击穿阈值. 通过大量分析, 给出了理论推导和数值模拟得到的微波大气击穿阈值拟合表达式.
2015, 64 (17): 175203.
doi: 10.7498/aps.64.175203
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开展了杨树叶片的飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱研究, 定性比较分析了长春市区的第一汽车厂、火车站、净月潭公园及长春理工大学四个地理区域的杨树叶片中重金属元素Ca, Fe和Cr. 实验结果表明, 通过分析杨树叶片中Ca Ⅱ 393.37 nm和Fe Ⅰ 422.87 nm光谱谱线可知叶茎中Ca和Fe元素浓度均高于叶肉. 比较长春四个地理区域的杨树叶的飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱, 发现汽车厂附近的杨树叶内重金属Ca, Fe和Cr 元素浓度最高, 净月公园的杨树叶重金属浓度最低. 由于飞秒激光等离子体丝光强度的“光学钳箍”效应, 对于杨树叶片这种表面不平整样品, 仍可获得稳定性较好的等离子体光谱. 飞秒激光等离子体丝诱导光谱技术有望在环境污染在线检测具有广泛的潜在应用.
2015, 64 (17): 175204.
doi: 10.7498/aps.64.175204
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在回顾和总结现有强脉冲离子束诊断技术和能量沉积模型的基础上, 结合红外成像诊断分析, 基于能量平衡, 提出了强脉冲离子束在固体靶中功率密度分布模型, 并采用蒙特卡罗方法对其进行计算. 以该功率密度模型作为源项, 使用有限元分析方法模拟强脉冲离子束入射100 μm不锈钢靶后内部温度场在毫秒时间范围内的分布和演化. 结果显示, 在微秒时间范围内, 热场以存在于近表面区域数倍于离子射程范围内的冲击热场为主要特征; 而在毫秒时间范围内, 靶的前后表面(纵向)已达到温度平衡, 且靶后表面温度场和入射前表面的离子束横截面能量密度具有空间分布的相似性. 这证明了, 在采用具有毫秒响应速度的红外拍摄系统的情况下, 背面红外诊断技术可以实现以较高的精度对强脉冲离子束横截面的能量分布进行诊断和分析.
2015, 64 (17): 175205.
doi: 10.7498/aps.64.175205
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在热红外波段, 为了使温度与发射率分离过程不依赖数据库提供的经验信息, 并且实现更高的反演精度和更快的计算速度, 研究了一种新的温度与发射率分离算法. 首先, 在维恩近似原理的基础上, 求解了Alpha谱分布, 并利用Alpha谱描述光谱发射率的形状信息. 其次, 改进了最大熵温度与发射率分离算法: 应用最大熵估计模型对Alpha谱缩放与平移量进行估计, 减少了待估计参数的数量, 大幅简化了求解过程. 最后, 进行了算法的数值仿真实验: 求解了典型地物目标的温度与光谱发射率, 并且分析了算法对系统噪声的鲁棒性. 仿真数据表明: 发射率估计的最大RMSE为0.017, 温度估计的最大绝对误差的绝对值为0.62 K; 对系统添加测量信噪比为11的高斯白噪声, 发射率估计的相对RMSE为2.67%, 温度估计的相对误差为1.26%. 结果表明: 本文所述算法求解精度高, 计算速度快, 具备良好的鲁棒性.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2015, 64 (17): 177301.
doi: 10.7498/aps.64.177301
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通过COMSOL Multiphysics 和 Lumerical FDTD solution对不同尺寸纳米银六角阵列在非晶态掺氧氮化硅(a-SiNx:O)介质中的局域表面等离激元共振(LSPR)特性进行仿真, 计算结果表明半径为25 nm的纳米银六角阵列形成的局域表面等离激元(LSP)与厚度为70 nm的a-SiNx:O的蓝光发射(460 nm)的共振效果最为显著, 随着纳米银颗粒尺寸的增大其消光共振峰红移. 在460 nm波长激发下半径为25 nm的纳米银阵列在a-SiNx:O中的极化强度和表面极化电荷的分布模拟证明了该阵列在460 nm激发下形成的LSP为偶极子极化模式, 通过对该尺寸的纳米银阵列的LSP 在a-SiNx:O中的最强垂直辐射空间计算, 获得了银颗粒上方a-SiNx:O的最佳厚度为30 nm, 仿真结果对硅基蓝光发射器件(450460 nm)的设计提供了重要的理论参考.
2015, 64 (17): 177501.
doi: 10.7498/aps.64.177501
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基于交换耦合理论通常使用的近似分析的一般原理, 严格的分析了没有特定假设情况下的磁序范围或有关磁化密度的形式, 及在任何近似下提出一种关于耦合参数的计算方法. 并结合铁磁系统(磁性金属材料Gd, Fe, Ni), 定量的讨论了这种关系的适用范围, 也对自旋波和交换耦合进行了相关分析. 分析表明: 对于近邻磁性原子之间的交换耦合的计算以及在有限波矢量情况下对自旋波谱的计算都得到较为有意义的改进. 提出的交换耦合近似及自旋波谱的关系, 应用于铁磁系统时对近邻原子之间相互作用能给出较好的描述, 或对任何磁体中非完全局域磁化的自旋波谱较大波矢部分给出较合理的描述. 从磁性理论来看, 按照本文模型应用于磁学系统计算得到的结果与实验结果较好的符合.
2015, 64 (17): 177701.
doi: 10.7498/aps.64.177701
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以电子束辐照交联聚丙烯(IXPP)泡沫薄板为原材料, 首先利用热压工艺对微观结构进行改性, 然后采用电晕充电方法对样品实施极化处理, 使之具有压电效应, 成为压电驻极体. 通过准静态和动态压电系数d33、复电容谱, 以及等温衰减的测量, 研究了IXPP压电驻极体膜的机电耦合性能; 同时考察了基于IXPP压电驻极体膜的振动能量采集器在{3-3}模式下对环境振动能的俘获. 结果表明, IXPP压电驻极体的准静态压电系数d33可高达620 pC/N; 厚度方向的杨氏模量和品质因数(FOM, d33·g33)分别是0.7 MPa和11.2 GPa-1; 在50, 70和90℃下进行等温老化, 经过24 h后, IXPP压电驻极体膜的准静态压电系数d33分别降低到初始值的54%, 43%和29%; 采用面积为3.14 cm2的IXPP压电驻极体膜为换能元件, 当振子质量为25.6 g, 振动频率为820 Hz时, 振动能量采集器在匹配负载附近可以输出高达65 μW/g2的功率.
2015, 64 (17): 177801.
doi: 10.7498/aps.64.177801
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为了研究Rubrene分子中激发态的能量共振和分子间π-π共轭的特性对有机磁效应的影响, 本文制备了基于不同浓度和厚度的Rubrene有机发光器件, 并在不同温度下测量了器件的电致发光磁效应(magneto-electroluminescence, MEL). 实验发现, 发光层中Rubrene的厚度和浓度均可以对器件中的MEL产生较大的影响, 室温下MEL的高场值随Rubrene层厚度的增加而增加, 并在30 nm之后逐步趋于饱和; 随着Rubrene分子的浓度和测量温度的降低, MEL高场增加的幅度逐渐减小, 甚至在低温时出现高场下降. 通过对实验曲线进行数值拟合, 认为Rubrene分子之间形成的π-π共轭结构有助于双分子相互作用的发生, 单重态激子分裂、三重态激子之间的湮没和单-三重态极化子对的系间窜越三种过程在器件中相互竞争导致了所得MEL的变化. 本工作有助于加深对有机光电子器件内部机理的认识.
2015, 64 (17): 177803.
doi: 10.7498/aps.64.177803
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本文采用固相法在500℃合成了Er3+/Eu3+共掺BiOCl 荧光粉, 并通过XRD, SEM, 吸收, 激发和发射光谱研究了其结构、形貌和发光特性. XRD 和SEM结果表明在500℃下即可成功合成纯四方相片层结构的Er3+/Eu3+共掺BiOCl荧光粉. 吸收光谱表明掺杂Er3+/Eu3+离子使BiOCl形成杂质能级; 激发光谱显示该荧光粉具有来自于基质BiOCl价带(VB)到导带(CB)跃迁的优异宽带近紫外激发特性. 在380 nm近紫外光激发下, 同时获得了Er3+离子和Eu3+离子的特征发射峰, 其中发光中心位于410 nm (2H9/2→4I15/2), 525 nm (2H11/2→4I15/2), 554 nm (4S3/2→4I15/2), 673 nm (4F9/2→4I15/2)的发射峰来自于Er3+离子的跃迁, 而581 nm(5D0→7F0), 594 nm (5D0→7F1), 622 nm (5D0→7F2), 653 nm (5D0→7F3), 699 nm (5D0→7F4)的发射峰则来自于Eu3+离子的跃迁. 值得注意的是, 与传统Er3+/Eu3+掺杂的材料不同, 该荧光粉还具有独特高效的紫光(Er3+)和长波红光(Eu3+)发射特性, 分析表明这与BiOCl的结构有关; 并且通过改变掺杂浓度, 实现了发光颜色由黄绿光→黄光→橙红光的调节. 研究结果表明Er3+/Eu3+共掺BiOCl荧光粉有望成为一种潜在的近紫外激发白光LED荧光粉.
2015, 64 (17): 177901.
doi: 10.7498/aps.64.177901
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采用Z扫描和抽运-探测实验技术, 在波长为532 nm、脉冲宽度为41 fs的条件下测得ZnSe晶体的双光子吸收系数, 并获得了不同激发光强下的自由载流子吸收截面、电子-空穴带间复合时间和电子-声子耦合时间. 研究发现, 随着激发光强的增大, 自由载流子吸收截面减小, 复合时间变短. 当激发光强增大导致载流子浓度大于1018 cm-3时, 抽运-探测信号出现明显改变, 原因归结为强光场激发导致样品在短时间内带隙变窄和电子-空穴等离子体的形成.
2015, 64 (17): 177502.
doi: 10.7498/aps.64.177502
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用量子理论计算了Dy3Al5O12的晶场能谱、Zeeman劈裂能级和波函数. 在外磁场He为0HeT, 温度为3T3Al5O12内磁性离子间的交换作用非常微弱, 可以忽略. 从理论上给出了绝热退磁过程中温度变化ΔT与T的关系, 并与Gd3Ga5O12晶体进行了比较, 发现不同外磁场下, Dy3Al5O12和Gd3Ga5O12的低温制冷性能在不同温区有差别. 在进行低温(T3Al5O12作为磁制冷材料较好; 若外磁场较高, 选择Gd3Ga5O12作为磁制冷材料较好.
2015, 64 (17): 177503.
doi: 10.7498/aps.64.177503
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本文对稀磁半导体(Ga, Mn)As薄膜中超快激光诱导磁化动力学响应信号的不同拟合方法进行了对比分析. 通过Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程的数值拟合发现, 由于薄膜平面内和平面外磁光响应强度不同, 磁矢量三维进动的叠加可以导致多个频率振动模式的假象. 当使用高于(Ga, Mn)As带边的能量激发时, 磁化进动的磁光响应信号中叠加着来自光极化载流子的响应, 此时单纯利用LLG方程对薄膜整体磁化动力学过程拟合应谨慎使用. 本工作为正确分析和理解脉冲激光对(Ga, Mn)As铁磁性的超快调控提供了拟合方法上的指导.
2015, 64 (17): 177702.
doi: 10.7498/aps.64.177702
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从铁电体的Eular-Lagrange方程出发, 取贝塞尔方程级数解的形式, 得到了钛酸钡陶瓷颗粒的总极化强度表达式, 分析了各系数对总极化强度的影响. 根据总极化强度表达式, 采用MATLAB软件对尺寸在100 nm以下的钛酸钡纳米颗粒的铁电性进行了仿真分析. 结合实际数据探讨了尺寸效应对陶瓷颗粒铁电性的影响, 获得了与实验数据相符的数值解和极小值, 从而预测了钛酸钡纳米颗粒铁电性存在的临界尺寸为6 nm.
2015, 64 (17): 177802.
doi: 10.7498/aps.64.177802
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利用分子束外延方法制备了应用于四结光伏电池的1.05 eV InGaAsP薄膜, 并对其超快光学特性进行了研究. 温度和激发功率有关的发光特性表明: InGaAsP材料以自由激子发光为主. 室温下InGaAsP材料的载流子发光弛豫时间达到10.4 ns, 且随激发功率增大而增大. 发光弛豫时间随温度升高呈现S形变化, 在低于50 K时随温度升高而增大, 在50–150 K之间时减小, 而温度高于150 K时再次增大. 基于载流子弛豫动力学, 分析并解释了温度及非辐射复合中心浓度对样品材料载流子发光弛豫时间S形变化的影响.
2015, 64 (17): 177804.
doi: 10.7498/aps.64.177804
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本文将硅(Si)衬底上外延生长的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)薄膜转移至含有柔性黏结层的基板上, 获得了不受衬底和支撑基板束缚的LED薄膜. 利用高分辨率X射线衍射仪(HRXRD)研究了薄膜转移前后的应力变化, 同时对其光致发光(PL)光谱的特性进行了研究. 结果表明: 硅衬底GaN基LED薄膜转移至柔性基板后, GaN受到的应力会由转移前巨大的张应力变为转移后微小的压应力, InGaN/GaN量子阱受到的压应力则增大; 尽管LED薄膜室温无损转移至柔性基板其InGaN阱层的In组分不会改变, 然而按照HRXRD倒易空间图谱通用计算方法会得出平均铟组发生了变化; GaN基LED薄膜从外延片转移至柔性基板时其PL谱会发生明显红移.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2015, 64 (17): 178101.
doi: 10.7498/aps.64.178101
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电磁波的极化态在信号传输和灵敏度测量中有非常重要的应用价值. 本文设计、仿真并实验验证了微波频段基于开口椭圆环谐振器的极化旋转超表面. 理论上, 将多阶表面等离子谐振和高阻抗表面相结合, 解释了多谐振点、高效率极化旋转的物理机理. 数值上, 通过对结构参数的仿真分析, 给出了运用开口椭圆环结构设计多频段、超宽带高效极化旋转超表面的方法. 所设计和制作的超表面能够在相对带宽104.5%的频率范围内实现大于85%的极化旋转效率. 这些工作将为极化操控超表面的设计和应用提供重要帮助.
编辑推荐
2015, 64 (17): 178103.
doi: 10.7498/aps.64.178103
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本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了钆(Gd)掺杂氧化锌(ZnO)纳米线的磁耦合特性. 讨论了两个Gd原子替换ZnO纳米线中不同位置Zn原子的各种可能情况. 计算发现, ZnO中掺杂的Gd原子处于相邻的位置时它们之间的相互作用是铁磁性的, 并且体系的铁磁性可以通过注入合适数目的电子来得到加强. 同时发现Gd掺杂ZnO纳米线后s-f耦合作用变得显著, 使得体系的铁磁性变得更加稳定, 这也是Gd掺杂ZnO纳米线呈现铁磁性的原因. 这些结果为实验上发现的Gd掺杂ZnO纳米线呈铁磁性提供了理论依据.
2015, 64 (17): 178502.
doi: 10.7498/aps.64.178502
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复杂半导体材料结构中的载流子分布特性对器件性能有重要影响. 本文针对一种新型的波长上转换红外探测器, 研究了载流子阻挡结构对载流子分布和器件特性的影响. 论文通过自洽求解薛定谔方程、泊松方程、电流连续性方程和载流子速率方程分析了不同器件结构中的空穴分布. 同时, 生长了相应结构的外延材料, 并通过电致荧光谱分析了载流子阻挡结构对器件特性的影响. 结果表明, 2 nm厚的AlAs势垒层既能有效阻挡空穴又不影响电子输运, 有利于制作波长上转换红外探测器. 此外, 论文分析了阻挡势垒层的厚度和高度以及工作温度对载流子分布的影响. 本文研究结果亦可应用于其他载流子非均匀分布的半导体器件.
2015, 64 (17): 178801.
doi: 10.7498/aps.64.178801
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目前有机光伏电池的吸光活性层电学传输特性和光学吸收特性的不匹配是制约其能量转换效率提升的主要原因之一. 通过陷光结构对入射光进行调控, 提高电池对光的约束和俘获能力从而达到“电学薄”和“光学厚”的等效作用, 是解 决有机光伏电池电学和光学不匹配的有效手段. 本文采用湿法刻蚀技术获得了系列时间梯度的绒面氧化锌掺铝薄膜, 并将其作为有机光伏电池的入射陷光电极, 显著增强了电池的光学吸收. 研究发现, 当使用浓度0.5%的稀HCL腐蚀30 s后的氧化锌掺铝薄膜作为入射电极后, 电池的光电性能和效率显著增强. 基于此绒面电极电池的电流密度比平面结构的电池提高了8.17%, 效率改善了11.29%. 通过对绒面电极表面的修饰处理, 实现了电极与光活性层之间良好的界面接触, 从而减小了对电池的开路电压和填充因子的影响.
2015, 64 (17): 178102.
doi: 10.7498/aps.64.178102
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采用晶体相场模拟研究了单向拉伸作用下初始应力状态、晶体取向角度对单晶材料内部微裂纹尖端扩展行为的影响, 以(111)晶面上的预制中心裂纹为研究对象探讨了微裂纹尖端扩展行为的纳观机理, 结果表明: 微裂纹的扩展行为主要发生在11>(111)滑移系上, 扩展行为与扩展方向与材料所处的初始应力状态及晶体取向紧密相关. 预拉伸应力状态将首先诱发微裂纹尖端生成滑移位错, 进而导致晶面解理而实现微裂纹尖端沿[011]晶向扩展, 扩展到一定程度后由于位错塞积, 应力集中, 使裂纹扩展方向沿另一滑移方向[101], 并形成锯齿形边缘; 预剪切应力状态下, 微裂纹尖端首先在[101]晶向解理扩展, 并诱发位错产生, 形成空洞聚集型长大的二次裂纹, 形成了明显的剪切带; 预偏变形状态下微裂纹尖端则直接以晶面解理形式[101]在上进行扩展, 直至断裂失效; 微裂纹尖端扩展行为随晶体取向不同而不同, 较小的取向角度会在裂纹尖端形成滑移位错, 诱发空位而形成二次裂纹, 而较大的取向角下的裂纹尖端则以直接解理扩展为主, 扩展方向与拉伸方向几近垂直.
2015, 64 (17): 178501.
doi: 10.7498/aps.64.178501
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金属布线层对微纳级静态随机存储器(static random access memory, SRAM) 质子单粒子效应敏感性的影响值得关注. 利用Geant4针对不同能量(30 MeV, 100 MeV, 200 MeV和500 MeV)的质子与微纳级SRAM器件的核反应过程开展计算, 研究了核反应次级粒子的种类、线性能量传输值(linear energy transfer, LET)及射程情况, 尤其对高LET 值的核反应次级粒子及其射程开展了详细分析. 研究表明, 金属布线层的存在和质子能量的增大为原子序数大于或等于30的重核次级粒子的产生创造了条件, 器件体硅区中原子序数大于60的重核离子来源于质子与钨材料的核反应, 核反应过程中的特殊作用机理会生成原子序数在30至50之间的次级粒子, 且质子能量的增大有助于这种作用机理的发生, 原子序数在30至50之间的次级粒子在器件体硅区的LET值最大约为37 MeV·cm2/mg, 相应射程可达到几微米, 对于阱深在微米量级的微纳级SRAM器件而言, 有引发单粒子闩锁的可能. 研究结果为空间辐射环境中宇航器件的质子单粒子效应研究提供理论支撑.
2015, 64 (17): 178802.
doi: 10.7498/aps.64.178802
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随着水轮发电机的大型化发展, 对发电机冷却技术的要求也越来越高. 不同冷却方式不仅会影响水轮发电机的结构, 同时也会影响发电机的能耗和可靠性. 本文首先对水轮发电机三种常见冷却方式进行了定性对比分析, 然后提出基于层次分析法的水轮发电机冷却方式综合评价方法. 最后, 利用该方法对李家峡400 MW空冷机组和蒸发冷却机组进行了综合评价, 评价结果表明蒸发冷却方式优于空冷方式, 本文所提出的评价方法能够定量计算冷却方式带来的水轮发电机性能差异, 为水轮发电机的节能改造提供了指导依据.
地球物理学、天文学和天体物理学
2015, 64 (17): 179201.
doi: 10.7498/aps.64.179201
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快速、准确的检测气候突变, 对于我们认识气候系统的变化和对未来气候系统演变趋势的预测有着重要的现实意义和社会经济价值. 本文主要回顾了近年来非线性突变检测技术的主要研究进展及其在实际观测资料中的应用, 其中包括基于气候系统长程相关性的检测方法, 如滑动去趋势波动分析方法、滑动移除去趋势波动分析方法、滑动移除重标极差方法和指纹法等; 以及基于时间序列复杂性的检测方法, 如近似熵方法, Fisher信息和小波Fisher信息等. 此外, 本文还指出发展针对空间场的突变检测技术是未来一个可能的发展方向. 由于空间场所包含的气候系统的演变信息远高于单点时间序列, 空间场的突变检测技术将会使得对气候突变的检测时间大大缩短, 从而使得人们有足够的时间去采取行动, 以便为适应气候突变所带来的新挑战做好准备.
核物理学
2015, 64 (17): 172901.
doi: 10.7498/aps.64.172901
摘要 +
本文通过化学气相沉积法制备了ZnO纳米材料, 利用扫描电镜、光致发光谱、X衍射光谱及拉曼光谱等方法对制备的材料进行了表征. 基于制备的单根ZnO线分别构建了三种不同结构的紫外探测器件: Ag-ZnO-Ag肖特基型、PEDOT:PSS/n-ZnO结型和p-Si/n-ZnO结型紫外探测器, 并对器件的性能进行了研究. 结果表明: 三种不同结构的器件都表现出良好的整流特性, 对紫外线均有明显的光响应; 在零偏压下, 都有明显的自驱动特性. 三种器件中, p-Si/n-ZnO型紫外探测器性能最为优异: 在零偏压下, 暗电流约在1.210-3 nA, 光电流在5.4 nA左右, 光暗电流比为4.5103, 上升和下降时间分别为0.7 s和1 s. 通过三类器件性能比较, 表明无机p-Si更适合与ZnO构建pn结型自驱动紫外探测器.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2015, 64 (17): 176101.
doi: 10.7498/aps.64.176101
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运用群论和分子轨道理论的方法, 系统地研究了非掺杂磁性半导体中阳离子空位产生磁矩的原因, 并用海森堡模型阐明了磁矩之间的交换耦合机理. 研究发现: 阳离子空位磁矩的大小与占据缺陷能级轨道的未配对电子数有关, 而缺陷能级的分布与空位的晶场对称性密切相关; 通过体系的反铁磁状态和铁磁状态下的能量差估算交换耦合系数J0, 交换耦合系数J0的正负可以用来预测磁矩之间的耦合是否为铁磁耦合:J0>0, 则表明磁矩之间的耦合为铁磁耦合, 反之为反铁磁耦合. 最后指出空位的几何构型发生畸变(John-Teller效应)的原因: 缺陷能级轨道简并度的降低与占据缺陷能级轨道的电子的数目有直接的关系.
2015, 64 (17): 176601.
doi: 10.7498/aps.64.176601
摘要 +
本文主要讨论了多个硅通孔引起的热应力对迁移率和阻止区的影响, 得到了器件沟道沿[100]方向时, 硅通孔之间的角度和间距对电子迁移率和阻止区的影响. 设定两种阻止区区域, 即迁移率变化分别为5%和10%的区域, 且主要考虑相邻TSV之间的区域. 仿真结果表明: 当硅通孔和X轴所成角度为π/4时, 电子迁移率变化和阻止区区域最小, 但是可布置器件区域不规则, 不易于布局. 随着间距的增加, 电子迁移率变化和阻止区区域逐渐增大, 趋向于单个TSV的情况; 当角度为0 时, 电子迁移率变化和阻止区区域变大, 可布置器件区域为硅通孔围成的中心小区域上, 形状比较规则, 便于布局. 而且随着间距的增加, 电子迁移率变化和阻止区区域越来越小, 趋向于单个硅通孔的情况.
2015, 64 (17): 176801.
doi: 10.7498/aps.64.176801
摘要 +
自然界中的微纳复合结构超疏水表面由于其独特的润湿性质引起了人们的广泛关注, 大量实验研究表明了仿生人工微纳复合结构表面润湿性能的优越性, 然而液滴在微纳复合结构表面的润湿状态和转型过程的理论研究还并不完善. 本文首先用热力学方法分析了液滴在微纳复合结构表面可能存在的所有状态(四种稳定润湿状态和五种亚稳态到稳定态转型中的过渡态), 推导出了相应的能量表达式及表观接触角方程; 基于最小能量原理, 确定液滴在微纳复合结构表面的稳定状态, 较以往模型相比, 能够更好的预测已有的实验结果; 其次研究了微纳结构尺寸对稳定润湿状态和亚稳态到稳定态转型过程的影响; 最后提出了微纳复合结构表面设计原则, 即确定“超疏水稳定区”尺寸范围, 为超疏水表面的制备提供理论依据.
2015, 64 (17): 176802.
doi: 10.7498/aps.64.176802
摘要 +
本文采用双靶(ZnSb靶和Ge2Sb2Te5靶)共溅射制备了系列ZnSb掺杂的Ge2Sb2Te5(GST)薄膜. 利用X射线衍射、透射电子显微镜、原位等温/变温电阻测量、X射线光电子能谱等测试研究了薄膜样品的非晶形态、电学及原子成键特性. 利用等温原位电阻测试表明ZnSb掺杂的Ge2Sb2Te5薄膜具有更高的结晶温度. 采用Arrhenius 公式计算发现ZnSb掺杂的Ge2Sb2Te5薄膜的十年数据保持温度均高于传统的Ge2Sb2Te5薄膜的88.9℃. 薄膜在200, 250, 300和350℃ 下退火后的X射线衍射图谱表明ZnSb的掺杂抑制了Ge2Sb2Te5薄膜从fcc态到hex态的转变. 通过对薄膜的光电子能谱和透射电镜分析可知Zn, Sb, Te原子之间键进行重组, 形成Zn–Sb 和Zn–Te 键, 且构成非晶物质存在于晶体周围. 采用相变静态检测仪测试样品的相变行为发现ZnSb掺杂的Ge2Sb2Te5薄膜具有更快的结晶速度. 特别是(ZnSb)24.3(Ge2Sb2Te5)75.7薄膜, 其结晶温度达到250℃, 十年数据保持温度达到130.1℃, 并且在70 mW激光脉冲功率下晶化时间仅～64 ns, 远快于传统Ge2Sb2Te5薄膜的晶化时间～280 ns. 以上结果表明(ZnSb)24.3(Ge2Sb2Te5)75.7薄膜是一种热稳定性好且结晶速度快的相变存储材料.
