Vol. 65, No. 5 (2016)
2016年03月05日
总论
2016, 65 (5): 050501.
doi: 10.7498/aps.65.050501
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研究了(1+1)维的变系数Gross-Pitaevskii方程, 获得了该方程的精确畸形波解. 基于该精确畸形波解, 深入研究了非自治物质畸形波在随时间指数变化的相互作用下的传播动力学行为, 发现非自治畸形波除具有“来无影、去无踪”的不可预测特性外, 也可实现完全激发、抑制激发以及维持激发等操控. 研究表明, 畸形波操控的关键是对累积时间的最大值Tmax 与峰值位置T0 (或TI,TII)值大小关系的调节. 当Tmax > T0 (或TI,TII)时畸形波被快速地完全激发, 热原子团中的原子增加到凝聚体中. 当Tmax = T0 (或TI,TII) 时畸形波激发到最大振幅, 可以维持相当长的时间而不消失, 热原子团中的原子增加到凝聚体中. 当Tmax T0 (或TI,TII)时畸形波没有充足的时间来激发而被抑制甚至消失, 凝聚体中的原子减少. 这些结果在理论和实际应用上具有启迪意义.
2016, 65 (5): 050701.
doi: 10.7498/aps.65.050701
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利用温度梯度法, 在5.3-5.7 GPa压力、1200-1600 ℃的温度条件下, 将B2O3粉添加到FeNiMnCo+C合成体系内, 进行B2O3添加宝石级金刚石单晶的合成. 研究得到了FeNiMnCo触媒生长B2O3添加宝石级金刚石单晶的相图分布规律. 结果表明B2O3添加会使晶体生长的“V”形区上移和低温六面体单晶生长区间变宽. 通过晶体生长实验, 研究合成了不同形貌的B2O3添加宝石级金刚石单晶. 研究同时证实, B2O3的过量添加会对宝石级金刚石单晶生长带来不利影响. 当B2O3的添加量高于约3 wt‰、生长时间超过20 h时, 很难实现优质B2O3添加宝石级金刚石单晶的生长. 但B2O3的适量添加(不超过1 wt‰), 有助于提高低温板状六面体宝石级金刚石单晶的成品率. 通过对晶体生长速度的研究发现, B2O3的添加使得优质晶体的生长速度明显降低, 随着晶体生长时间的延长, B2O3添加剂对晶体生长的抑制作用会越发明显. 扫描电镜测试结果表明, 合成体系内B2O3添加剂的引入, 导致晶体表面的平整度明显下降.
2016, 65 (5): 050702.
doi: 10.7498/aps.65.050702
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空间调制快拍成像测偏技术能通过空间调制将目标全部的斯托克斯参量编码到一幅干涉图像中, 实现一次拍摄获取全部偏振信息和二维空间图像, 在生物医学、空间遥感和军事监测等方面具有重要的科学意义和广阔的应用前景. 在之前的研究中, 理论分析了基于改进型萨瓦偏光镜的空间调制稳态微型快拍成像测偏技术(MSPSIP)方案与基于传统萨瓦偏光镜的空间调制稳态微型快拍成像测偏技术方案相比:前者在空间载频和通道宽度上提高了2倍, 反演目标同一斯托克斯参量的数据面积提高了4倍, 这使得它在空间分辨率和信噪比等方面具有明显优势. 本文采用计算机仿真从定量和定性两方面论证该理论分析的正确性; 采用几何光线模型分析阐明目标的偏振态被MSPSIP调制的详细过程, 并给出了像面干涉图表达式. 搭建了实验装置, 实验验证了该方案的正确性. 讨论了调整分析器偏振化方向对干涉强度的影响, 为MSPSIP的实际应用和优化提供了理论指导. 该技术具有微型轻量、稳态、快拍, 结构简洁、直光路和易配准,可同时获取多维偏振信息和目标图像的显著特点.
原子和分子物理学
2016, 65 (5): 053101.
doi: 10.7498/aps.65.053101
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以6-311++g(3d, p)为基组, 采用B3P86方法研究了不同外电场(-0.04-0.04 a.u.)对SO2分子基态的几何参数、电荷分布、能量、电偶极距、最高占据轨道(HOMO)能级、最低占据轨道(LUMO)能级及能隙的影响, 在优化构型的基础上, 采用含时密度泛函(TD-B3P86)方法研究了SO2分子在外电场作用下前9个激发态的激发能、跃迁波长和振子强度. 研究表明: SO2的几何参数与电场强度大小及方向均有明显的依赖关系. 电场由-0.04 a.u. 变化至0.04 a.u.时, 体系的总能量先增加后减小; 偶极矩先减小后增加; HOMO能级一直减小; LUMO能级先增加后减小; 能隙先增加后减小. 激发态的激发能、跃迁波长和振子强度与电场关联均较为复杂, 说明SO2的激发特性易受外电场影响.
2016, 65 (5): 053301.
doi: 10.7498/aps.65.053301
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利用分布反馈式(DFB)二极管激光器为光源, 搭建了一套2 μm波段的离轴积分腔输出光谱装置. 利用高纯甲烷气体, 测量了腔镜反射率随腔内气体压力 变化的规律. 当腔内压力为3.59 kPa 时, 标定的镜面反射率为0.99865, 在此条件下, 基长55 cm 的离轴积分腔实现了407.4 m的吸收光程. 选取CO2 在4993.7431 cm-1处的吸收谱线对实际大气中的CO2浓度进行了测量, 探测限为0.53 ppmv (1σ), 利用小波去噪对光谱信号进行了去噪处理, 信噪比提高了80%, 探测限提高到0.29 ppmv(1σ). 利用搭建的装置在实验室内测量了从上午9时到中午12时实际大气中CO2的浓度, 并与H2O/CO2分析仪进行了同时观测与对比分析, 初步验证了测量装置的可靠性.
2016, 65 (5): 053302.
doi: 10.7498/aps.65.053302
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大气臭氧层因吸收太阳紫外光, 是人类必不可少的保护伞. 氟利昂在太阳光辐射下解离生成破坏臭氧的游离态氯原子, 是破坏大气臭氧层的主要元凶之一. 本文利用飞行时间质谱技术和离子速度成像技术研究了氟利昂F113(三氟三氯乙烷)分子在800 nm 飞秒光作用下的多光子电离解离动力学. 利用飞行时间质谱探测技术, 得到了三氟三氯乙烷在该波长飞秒激光作用下发生多光子电离解离产生的碎片质谱. 通过荷质比对碎片质谱进行了详细的标定和分析. 在质谱上未发现母体离子, 所有观察到的离子都是由于激光脉冲作用下产生的碎片. 三个最主要的碎片离子是CFCl2+, CF2Cl+, C2F3Cl2+. 通过飞行时间质谱标定, 发现并归属了多个解离通道. 三个主要的解离机理分别为: 1) C-Cl键断裂直接生产氯自由基的通道C2F3Cl3+→C2F3Cl2++Cl; 2) C--C键断裂C2F3Cl3+→CFCl2++CF2Cl; 3) C--C键断裂C2F3Cl3+→CF2Cl++CFCl2. 利用离子速度成像技术对这三个主要通道产生的碎片离子进行成像, 得到了C2F3Cl2+, CFCl2+和CF2Cl+离子的速度影像. 由C--Cl键断裂产生的碎片离子C2F3Cl2^{+}的速度分布由两个高斯分布曲线拟合, 而由C--C键断裂产生的碎片离子CFCl2+和CF2Cl+可以用一个高斯曲线拟合. 通过影像分析得到了解离碎片的平动能分布和角向分布各向异性参数等详尽的动力学信息. 结合高精度密度泛函理论计算对解离动力学进行了进一步的分析和讨论.深入认识氟利昂的解离动力学可为进一步控制破坏臭氧层提供理论参考和实验依据.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
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2016, 65 (5): 054202.
doi: 10.7498/aps.65.054202
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当前高功率激光装置系统中, 国内使用透射式衍射光栅进行光束采样, 国外甚至使用光栅聚焦并同时结合谐波分离和采样功能. 高功率激光辐照下, 除了0级透射打靶光以及目标取样光外, 其他级次衍射光的影响也不可忽视, 可能造成诸如鬼像聚焦破坏、时间脉宽测量不稳定、近远场测量噪声等问题. 尤其是透射衍射光栅内部全反射级次会导致光栅出射一系列规律的衍射花样, 造成上述干扰和危害. 首先理论上针对透射式光栅(包括取样光栅和聚焦光栅)进行了相应的计算和分析, 然后从实验上观察并测量了取样光栅内部全反射级次的现象, 并且结合镀减反膜前后的衍射现象进行了讨论, 最后分析并给出了如何消除或规避全反射级次和其他冗余级次影响的方法.
2016, 65 (5): 054203.
doi: 10.7498/aps.65.054203
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利用量子技术增强Sagnac效应提高陀螺输出精度具有重要的研究意义, 是实现全自主导航的重要途径. 以相干态激光作为输入光源的光学陀螺因真空零点波动使其输出精度限制于散粒噪声极限而难以提高. 为减小真空波动的影响, 提出在激光输入的分束器的另一输入端输入压缩真空光并结合平衡零拍探测技术的方法增强Sagnac效应. 理论分析表明Sagnac效应性能得到有效提升: 干涉输出的灵敏度检测极限和动态范围均随着压缩程度的增加而呈指数级增长. 该方法只需对经典光学陀螺做少量改动就可实现, 是提高光学陀螺输出精度的一种新方法.
2016, 65 (5): 054204.
doi: 10.7498/aps.65.054204
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基于对流传热和热传导原理, 建立了流体直接冷却均匀抽运薄板条激光工作介质的热效应分析模型, 采用平面应力近似和最小功原理, 得到了板条工作介质内部温度分布和应力分布的解析表达式. 研究了不同流道厚度时对流热交换系数和冷却液温升与流体流速的关系, 分析了流道厚度对工作介质的温度分布和应力分布的影响规律, 讨论了之字形和直通光路时, 热致波前畸变随产热功率的变化趋势. 结果表明: 层流和湍流时, 较厚的流道可以实现更好的热管理效率; 增益介质中的热分布关于中心平面对称, 纵向最大温升出现在出水口端, 最大应力畸变集中在板条两端及其侧边; 流道厚度较大时, 工作介质更易形成一维的温度梯度, 产生的应力更小; 之字形光路可以明显缓解热光效应导致的波前畸变.
2016, 65 (5): 054206.
doi: 10.7498/aps.65.054206
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为了发展远距离探测未知或危险物质的方法, 设计并建立了近同轴可见光远距离拉曼光谱探测实验装置, 对硝酸盐固体样品进行了距离为2-10 m的拉曼光谱测量, 初步研究了拉曼信号强度与激发光功率、探测距离、样品浓度及样品表面方向之间的关系. 实验观察到三种硝酸盐在1050 cm-1附近的拉曼谱线, 其微小的差异可作为识别特征. 硝酸铵的特征拉曼谱线强度正比于激发光功率, 近似平方关系; 与探测距离之间趋向于二次反比关系; 与样品浓度接近指数关系; 与样品表面朝向有近似余弦函数的关系.
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2016, 65 (5): 054207.
doi: 10.7498/aps.65.054207
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通过坩埚下降法生长了系列共掺Nd,Gd:CaF2和Nd,Y:CaF2晶体, 研究了Gd3+/Y3+共掺对Nd3+光谱性能以及Nd:CaF2晶体晶胞参数的影响规律. 对于0.5 at.%Nd, x at.%Gd(x=2,5,8,10):CaF2系列晶体, 当调控Gd3+掺杂浓度为2 at.%时, 具有最大的荧光寿命499 s; 当Gd3+掺杂浓度为5 at.%时, 具有最大的吸收截面1.4710-20 cm2, 最大的发射截面1.910-20 cm2; 当Gd3+掺杂浓度为8 at.%时, 具有最佳的发射带宽29.03 nm. 对于0.6 at.%Nd, xat.%Y(x=2, 5, 8, 10):CaF2系列晶体, Y3+掺杂浓度为5 at.%时, 有最大的吸收截面2.4110-20 cm2, 最大的发射截面3.1710-20 cm2; 当Y3+掺杂浓度为10 at.%时, 具有最长的荧光寿命359.4 s,并且具有最大发射带宽26 nm.
2016, 65 (5): 054102.
doi: 10.7498/aps.65.054102
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编码式电控周期单元通过加载电子控制器件使周期结构具有编码式的电可调特点. 本文利用PIN二极管, 设计实现了一种工作在Ku波段的超薄平面电控单元结构. 当外加电压控制二极管导通或截止时, 该结构的反射相位呈现出180°的相位差, 并且具有较低的反射损耗. 因此, 当对周期排列的单元外加不同的电压时, 可等效为用不同组合的“1”, “0”对结构进行编码, 从而可以获得不同的电磁功能. 为验证单元的编码特性, 从“场”与“路”两个角度考虑, 设计了实际的偏置电路, 制作了单元样品, 并基于波导法测试了其性能. 实验结果表明: 在加载不同的控制电压时, 制作的单元结构实现了设计的低损耗和相位差; 实验与仿真符合良好. 提出的周期单元形式简单, 厚度超薄, 其电控编码式特性在主动式隐身表面或波束捷变天线设计等许多方面都有潜在应用.
2016, 65 (5): 054201.
doi: 10.7498/aps.65.054201
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PIN结构是电光调制器中常见的一种电学调制结构, 该结构中载流子注入效率直接影响着电光调制器的性能. 在前期的研究中, 我们在SOI材料的基础上提出了一种新型Si/SiGe/Si双异质结PIN电学调制结构, 可以有效提高载流子注入效率, 降低调制功耗. 为了进一步研究这种新型调制器结构的调制机理, 本文从单异质结能带理论出发, 定量分析了该新型结构中双异质结的势垒高度变化, 给出了双异质结势垒高度的定量公式, 将新型结构与SiGe-OI和SOI两种PIN电学调制结构进行能带对比, 分析了该新型结构载流子注入增强的原因, 最后模拟了新型结构的能带分布, 以及能带和调制电压与注入载流子密度的关系, 并与SiGe-OI和SOI两种PIN电学调制结构进行对比发现, 1 V调制电压下, 新型结构的载流子密度达到了8× 1018cm-3, 比SOI 结构的载流子密度高了800%, 比SiGe-OI结构的载流子密度高了340%, 进一步说明了该新型结构的优越性, 并且验证了理论分析的正确性.
2016, 65 (5): 054701.
doi: 10.7498/aps.65.054701
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自由汇流旋涡形成过程中有抽吸现象发生, 是一个比较复杂的气液两相耦合过程, 其中所涉及的Ekman层耦合及演化机理具有重要的科研价值与实际意义. 针对上述问题, 提出了一种自由汇流旋涡Ekman抽吸演化机理建模与分析方法. 基于多相流体体积VOF模型与湍动能-耗散(k-ε)模型, 建立了面向汇流旋涡Ekman抽吸演化的两相动力学模型. 基于上述模型, 分析初始转动速度分量、排流量与Ekman抽吸过程的内在联系, 并揭示相关流场分布规律. 研究结果表明: 初始扰动不同, 汇流旋涡的吸气孔、抽气孔距离容器底面边界的高度保持不变; 初始扰动加强, 吸气阶段转速增加, Ekman边界层厚度及抽吸高度增加, 抽吸、贯穿阶段Ekman抽吸现象减弱; 初始扰动恒定, Ekman抽吸高度保持不变, 与排流量变化无关. 研究结果可为自由汇流旋涡形成机理方面的研究提供有益参考, 也可为冶金、化工领域的旋涡抑制控制提供技术支持.
2016, 65 (5): 054101.
doi: 10.7498/aps.65.054101
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隐身技术对降低飞行器目标的雷达散射截面、提高飞行器目标的生存能力具有重要的意义和价值, 而在飞行器目标上引入吸波器结构是一种重要的隐身手段. 然而, 目前已有吸波器的研究主要集中在单频或多频窄带方面. 为了拓展吸波器工作频带, 基于石墨烯材料提出了一种工作于S/C波段的新型超宽带吸波器模型单元, 其中包含一个用石墨烯材料设计的方圆形双环周期结构. 调节石墨烯的表面阻抗, 使得吸收率超过90%的频带范围为2.1-9.0 GHz, 相对带宽约为124%, 实现了超宽带的吸波特性; 鉴于模型的高度对称性, 提出的吸波器模型表现出对入射波极化不敏感的吸波特性; 在不改变模型结构情况下, 调节石墨烯的静态偏置电场, 亦可调控吸波器谐振在2.0-9.0 GHz频带范围内的任意频率点处, 且达到超过99%的吸收效果. 最后采用等效电路模型方法和波的干涉理论对其吸波机理进行深入研究与分析: 从等效电路角度来讲, 方形和圆形环分别引入高、低吸波谐振频率, 二者优化叠加拓展了吸波带宽; 从干涉理论方面来看, 吸波器表面处的首次反射波与透射波的多次出射波形成较强的干涉相消现象, 有效减少了吸波器的反射回波.
2016, 65 (5): 054205.
doi: 10.7498/aps.65.054205
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针对多层介质膜光栅在光束谱合成系统中的应用, 利用光线追迹方法, 建立了基于多层介质膜光栅的谱合成系统光传输模型. 多层介质膜光栅引入的相位调制包括浮雕表面上光程差与浮雕结构光程差两部分, 且受到光栅槽深、占空比和光束入射角等因素的影响. 利用衍射积分方法和光束非相干叠加原理, 计算模拟了基于多层介质膜光栅的谱合成系统的合成光束光强分布. 在此基础上, 利用强度二阶矩方法分析了合成光束的光束质量, 并讨论了多层介质膜光栅的槽深、占空比和制作误差等因素对合成光束特性的影响. 结果表明: 改变多层介质膜光栅的槽深和占空比以及中心光束入射角会影响合成光束能量, 但不会影响合成光束的光束质量, 合成光束的光束质量始终保持与单个子光束的光束质量相当; 多层介质膜光栅的制作误差对合成光束的光束质量和能量均存在明显影响.
2016, 65 (5): 054208.
doi: 10.7498/aps.65.054208
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本文提出了基于半导体光放大器(SOA)中的瞬态交叉相位调制(T-XPM)效应与交叉增益压缩(XGC)效应的全光2R再生方法, 同时研究了SOA中的T-XPM效应获得反逻辑码信号以及XGC 效应光开关门的特性, 实现了100 Gb/s归零码(RZ)信号的2R再生, 接收机灵敏度提高了1.7-2 dB; 对该方案中的反逻辑码对于再生效果的影响进行了量化研究, 并在C波段范围内研究了该再生方案的再生效果, 实现了覆盖1535-1555 nm的全光2R再生.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2016, 65 (5): 056102.
doi: 10.7498/aps.65.056102
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采用密度泛函理论中的广义梯度近似, 对X@C20F20(X=He, Ne, Ar, Kr)几何结构和电子结构进行了计算研究. 几何结构优化发现: 惰性气体原子X内掺到C20F20笼后, 均稳定于碳笼中心, 随着内掺X原子序数的增大, X原子对C20F20笼的影响越来越大. 能隙、内掺能和振动频率计算表明: 内掺X原子使得C20F20的稳定性得到了显著提升, X@C20F20(X=He, Ne, Ar, Kr)都具有良好的稳定性, 并且随着X原子序数的增大, 其稳定性也基本呈现逐渐增强的趋势. 电子结构研究发现: X原子对X@C20F20费米能级附近的占据轨道基本没有贡献, 而对其未占据轨道贡献较大. 计算还发现: 在X@C20F20中, He 和Kr分别从C20F20的C 笼上获得了0.126和0.271个电子, 而Ne和Ar却分别向C笼转移了0.060和0.012个电子. 由此可见: X原子与C原子之间都发生了电荷转移, C笼上的C原子与惰性气体原子X间形成了一定的离子键.
2016, 65 (5): 056103.
doi: 10.7498/aps.65.056103
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采用摩擦氧浓度实验方法, 结合原位观察、扫描电镜、能谱仪和X-射线衍射分析, 系统研究Ti-V-Cr 阻燃钛合金燃烧产物的微观组织形貌、燃烧反应过程的合金元素分布规律及微观机理. 结果表明: Ti-V-Cr 阻燃钛合金燃烧过程发出闪亮耀眼的白光, 具有典型金属燃烧的火焰特征. 燃烧产物主要有TiO2, V2O5和Cr2O3三种氧化物, 该混合氧化物以分散颗粒和致密连续体存在. 分散颗粒为规则的球形; 致密连续燃烧产物的微观组织具有分区特征, 从合金基体至燃烧表面依次为过渡区、热影响区、熔凝区和燃烧区. 其中, 过渡区存在一些微小的颗粒状凸起, 且有一定方向性; 热影响区中形成大量V基固溶体相和少量的Ti基固溶体相, V基固溶体相上存在Ti的含量远高于基体的针状析出物; 熔凝区中, 大量的Ti基固溶体中存在少量的V基固溶体; 燃烧区主要为Ti, V和Cr的氧化物混合物. 热影响区的V基固溶体相降低了Ti元素向熔凝区的迁移速率, 减慢了燃烧区Ti与O的优先反应; 燃烧区形成的TiO2, V2O5和Cr2O3混合氧化物和熔凝区O在Ti中大量固溶共同终止了O向合金基体的继续扩散, 从而使Ti-V-Cr阻燃钛合金表现出优异的阻燃功能性.
2016, 65 (5): 056401.
doi: 10.7498/aps.65.056401
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由多组分聚合物混合物所形成的多尺度有序结构能够展现出许多新奇的物理化学性质, 从而使其在材料工程领域具有十分重要的潜 在应用价值. 本文通过计算机模拟, 在光敏性不相容三元混合物体系中创建了多尺度有序结构. 通过调节光照区域和掩膜形状, 获得了棋盘形、箭靶状等十分独特的形貌, 并且这些结构可以在实验上通过在适当的时间淬火而稳定较长的时间. 详细探讨了组分比、掩膜宽度、间距以及光照强度对体系的影响, 从而为实现多尺度长程序花样薄膜的制备提供了一个简便的途径, 同时也为纳米器件的制备提供了一定的指导.
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2016, 65 (5): 056501.
doi: 10.7498/aps.65.056501
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采用水热合成法制备出Fe2(MoO4)3样品, 并用高温X-射线衍射、热重和差示扫描量热同步热分析仪对其进行表征, 发现样品在510 ℃附近发生低温单斜相和高温正交相之间的可逆相变, 且正交相表现出负膨胀特征. 采用第一性原理计算了正交相Fe2(MoO4)3 的原子、电子结构以及声子谱、声子态密度, 并和可获得的实验结果进行了系统的比较. 结果显示正交相Fe2(MoO4)3中MoO4四面体较之FeO6八面体具有更强的刚性. 发现最低频的光学支处具有最负的格林乃森(Grneisen)系数, MoO4四面体和FeO6 八面体相连的桥氧原子的横向振动、FeO6八面体柔性扭曲转动以及MoO4四面体的刚性翻转共同导致了Fe2(MoO4)3负膨胀现象的发生.
2016, 65 (5): 056101.
doi: 10.7498/aps.65.056101
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采用喷墨打印的方法对衬底进行图形化, 结合链取向技术, 实现聚合物混合体Poly(9, 9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole)(F8BT, 主体)和Red F(客体)在指定区域链取向. 利用链取向区域内外的折射率差异, 设计出了各种宽度的薄膜光波导, 使光信号在链取向区域传播. 同时, 这一共混体系中主体的荧光光谱与客体的吸收光谱区域重叠, 可以使有效的能量传递发生, 利用主体向客体的能量传递机理, 使链取向处理后的聚合物混合体实现了红光发射.
2016, 65 (5): 056801.
doi: 10.7498/aps.65.056801
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本文利用基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了MgH2(001)表面H原子扩散形成H2分子释放出去的可能路径及金属Li原子掺杂对其影响. 研究结果表明: 干净MgH2(001)表面第一层释放H原子形成H2分子有两种可能路径, 其释放能垒分别为2.29和2.50 eV; 当将Li原子替代Mg原子时, 两种H原子扩散释放路径的能垒分别降到了0.31和0.22 eV, 由此表明Li原子掺杂使MgH2(001)表面H原子扩散形成H2释放更加容易.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2016, 65 (5): 057102.
doi: 10.7498/aps.65.057102
摘要 +
采用反应离子束溅射和后退火处理技术在石英玻璃基底上制备了具有纳米粒子的二氧化钒(VO2)薄膜. 该薄膜具有半导体-金属相变特性,在3 m处的开关率达到76.6%。 热致相变实验结果给出了准确的最佳退火温度为465 ℃. 仿真、热致相变和光致相变实验都显示VO2薄膜在红外波段具有很高的光学开关特性. 光电池防护实验结果显示VO2薄膜将硅光电池的抗干扰能力提升了2.6倍, 证明了VO2在激光防护中的适用性. 采用连续可调节系统研究得到VO2在室温条件下的相变阈值功率密度为4.35 W/cm2, 损伤阈值功率密度为404 W/cm2。 低相变阈值和高损伤阈值都进一步证明VO2薄膜适用于激光防护系统。本实验制备的VO2薄膜在光开关、光电存储器、智能窗等方面也具有广泛的应用价值.
2016, 65 (5): 057103.
doi: 10.7498/aps.65.057103
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分别用第一性原理及原子间相互作用势对初始模型进行几何优化, 所得稳定结构的晶格参数均与实验值符合较好. 通过第一性原理密度泛函理论, 计算了稳定结构La3Co29-xFexSi4B10化合物择优占位情况, 计算结果表明, Fe原子最择优替代Co 原子的2c晶位, 择优占位顺序为2c 8j1 8i2 8j2 8i3 16k 8i1, 这与实验结果非常符合. Fe原子每次只替代不同晶位的一个Co原子时, La3Co29-xFexSi4B10 体系的晶格常数几乎不变, 磁矩却发生了有趣的变化. 当Fe原子沿着择优顺序依次替代不同晶位的所有Co原子时, 随着La3Co29-xFexSi4B10体系中Fe原子含量的增多, 其电子态密度整体向左移动. Fe原子完全替代Co时, 与未掺杂时相比体系的总磁矩增加. 最后, 利用原子间相互作用势进一步预测了La3Co29-xFexSi4B10体系的晶格振动及热力学性质. 在低频部分, 振动模式主要由质量较大的Co, Fe和La元素作贡献; 随着掺杂原子Fe的增多, 体系的截止频率先减小后增多, 中频部分由Si元素引起的振动模式减少; B-B强相互作用引起了高频部分的振动模式. 基于声子态密度预测了不同数量Fe掺杂后体系的比热、熵和德拜温度的变化, 当Fe 含量大于Co时, 德拜温度明显升高.
2016, 65 (5): 057301.
doi: 10.7498/aps.65.057301
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基于金属-电介质-金属波导结构, 提出了一种含双侧多支节型等离子波导滤波器, 采用有限元法研究了其透射特性. 在该结构的透射谱中观察到了基于电磁诱导透明效应的四个窄带透射峰, 并通过模场分布有效阐释了透射谱线中峰值、谷值的产生的物理机理. 数值研究同时表明当每个支节长度线性增加时, 透射峰中心波长也将线性增加. 这一结果可用于指导可调谐、多通道窄带滤波器的设计.
2016, 65 (5): 057302.
doi: 10.7498/aps.65.057302
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针对D3h和D4h对称构型金属纳米多颗粒集合即等离激元超分子表面等离激元共振光谱的子集合分解及其相对应的Fano共振光谱低谷的产生机理, 本文运用群论的方法做出了详细的分析研究. 运用与群论中求解分子简正振动模式类似的方法, 推导证实了在线偏振光入射时, Dnh环形多颗粒只有2个电偶极表面等离激元共振模式, 增加中心颗粒会使模式增加1个. 对D3h和D4h等离激元超分子的表面等离激元共振模式进行不可约表示基向量正交分解分析表明, Fano共振光谱低谷是由于两个起主要作用的相邻模式包含有共同的正交基向量, 并形成相消干涉而产生. 这进一步验证了Fano共振光谱低谷的起源除传统观点(即源自于宽频超辐射亮模式和窄频低辐射暗模式之间的耦合)之外的另一种解释视角.
2016, 65 (5): 057401.
doi: 10.7498/aps.65.057401
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与本文相近的Al-2N掺杂量的范围内, 对ZnO掺杂体系吸收光谱分布红移和蓝移两种实验结果均有文献报道, 但是, 迄今为止对吸收光谱分布尚未有合理的理论解释. 为了解决该问题, 本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似 平面波超软赝势方法, 用第一性原理构建了两种不同掺杂量的Zn0.98148Al0.01852O0.96296N0.03704和Zn0.96875Al0.03125O0.9375N0.0625超胞模型. 在几何结构优化的基础上, 对模型能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布进行了计算. 计算结果表明, 在本文限定的掺杂量范围内, Al-2N掺杂量越增加, 掺杂体系的体积越减小, 体系总能量越升高, 体系稳定性越下降, 形成能越升高, 掺杂越难; 所有掺杂体系均转化为简并p型化半导体, 掺杂体系最小光学带隙均变窄,吸收光谱均发生红移; 同时发现掺杂量越增加, 掺杂体系最小光学带隙变窄越减弱, 吸收光谱红移越减弱. 研究表明: 要想实现Al-2N共掺在ZnO中最小光学带隙变窄、掺杂体系发生红移现象, 除了限制掺杂量外, 尺度长短也应限制; 其次, Al-2N掺杂量越增加,掺杂体系空穴的有效质量、浓度、 迁移率、电导率越减小,掺杂体系导电性能越减弱. 计算结果与实验结果的变化趋势相符合. 研究表明, Al-2N共掺在ZnO中获得的新型半导体材料可以用作低温端的温差发电功能材料.
2016, 65 (5): 057101.
doi: 10.7498/aps.65.057101
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在锂二次电池中, 硅酸锰锂作为正极材料得到广泛研究, 但其固有的电子和离子电导率较低, 直接影响着电池的功率密度和充放电速率. 本文建立了不同浓度的Na+离子替位掺杂Li+离子形成的Li1-xNaxMnSiO4(x=0, 0.125, 0.25, 0.5)结构, 采用第一性原理的方法, 研究了掺杂前后硅酸锰锂的电子结构以及Li+离子的跃迁势垒. 发现在Li+位替代掺杂Na+, 导带底的能级向低能方向发生移动, 降低了Li2MnSiO4 材料的禁带宽度, 有利于提升材料的电子导电性能. 随着掺杂浓度的升高, 禁带宽度逐渐变窄. CI-NEB结果表明, 在Li2MnSiO4体系中具有两条有效的Li+离子迁移通道, 掺杂Na+以后扩大了Li+ 离子在[100]晶向上的迁移通道, Li+离子的跃迁势垒由0.64 eV降低为0.48, 0.52和0.55 eV. 掺杂浓度为 x=0.125时, 离子迁移效果最佳. 研究表明Na+掺杂有利于提高Li2MnSiO4材料的离子和电子电导率.
2016, 65 (5): 057501.
doi: 10.7498/aps.65.057501
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基于隧穿磁电阻效应(TMR)的磁场传感器具有很高的磁场灵敏度, 但同时噪声也较大,有效抑制TMR磁场传感器的噪声, 尤其是低频噪声的抑制对于其在高灵敏度要求场合的应用具有重要的意义. 本文采用高精度数据采集卡搭建了噪声测量系统, 测量了全桥结构TMR磁场传感器的噪声频谱图, 发现TMR传感器的噪声在低频段表现为1/f特性, 同时噪声功率谱密度与工作电流平方成正比关系; 低频噪声在自由层翻转区间内噪声急剧增大, 证明了1/f噪声主要来源于磁噪声, 这一结果为TMR磁场传感器的噪声特性优化指明了方向.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2016, 65 (5): 058201.
doi: 10.7498/aps.65.058201
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基于电化学热耦合模型研究了动力锂离子电池高倍率充放电过程中的弛豫行为, 分析对比了不同充放电机制对电池弛豫行为的影响. 研究发现: 充放电过程中, 欧姆极化是造成电压骤变的主要原因; 而恒流-恒压的充电模式能够缓慢消除欧姆极化, 避免电池电压的骤变; 利用恒流恒压对电池进行充电能够充进更多的电量, 有利于电池性能的完全发挥; 固相锂离子浓度的弛豫时间比液相锂离子浓度的弛豫时间长, 并且在放电后期, 固相扩散的特征时间与液相扩散特征时间的比值不断增大, 固相扩散造成的极化在整个放电过程不可忽略.
2016, 65 (5): 058501.
doi: 10.7498/aps.65.058501
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利用热压法将TiO2微粒掺入至YAG:Ce荧光粉和硅树脂中制备出远程荧光粉膜并封装成白光发光二极管(LED)器件, 通过荧光粉相对亮度仪、双积分球测试系统和可见光光谱分析系统对样品的光色性能及机理进行了研究. 结果表明: TiO2的散射效应能够显著提高蓝光的利用率和黄光的透射强度, 白光LED器件的光通量在TiO2浓度为0.966 g/cm3 时达到最高值415.28 lm(@300 mA, 9.3 V), 提高了8.15%, 相关色温从冷白6900 K逐渐变化至暖白3832 K. TiO2的掺入不仅提高了远程荧光粉膜的发射强度和白光LED器件的光通量, 同时能调控其相关色温.
2016, 65 (5): 058701.
doi: 10.7498/aps.65.058701
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X射线光栅微分相衬成像对由轻元素构成的物质的内部探测具有传统吸收成像无法比拟的优势, 尤其在癌症的早期诊断和轻元素材料及器件的无损检测等领域应用潜力巨大. 大视场成像是影响该技术从实验室走向实际应用的重要因素. 针对大视场成像的客观需求, 基于菲涅耳衍射原理和光栅结构特征, 建立了量化物理模型用于分析影响成像视场的因素, 提出了实现大成像视场的有效途径, 为未来大视场光栅微分相衬成像方法的设计和应用提供理论依据.
2016, 65 (5): 058901.
doi: 10.7498/aps.65.058901
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节点属性异质自适应网络中疾病传播的研究表明节点属性异质性可以很大程度上增大传播阈值, 并且自组织形成一个更鲁棒的度异质网络结构. 本文从数值模拟方面研究鲁棒的度分布异质结构的自组织形成过程, 分析发现核心-边缘结构的形成才是导致传播阈值增大的根本原因. 鉴于此, 提出一种重连策略, 能够促进核心-边缘结构的形成, 从而达到增大传播阈值的目的. 这不仅有助于深入认识节点属性异质自适应网络中的流行病传播过程, 而且为疾病传播控制策略的提出提供了新思路.
2016, 65 (5): 058101.
doi: 10.7498/aps.65.058101
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样品的制备是对影响样品质量的各个工艺参数进行优化的过程. 传统的试错法是对各个参数逐个进行尝试, 需要的周期较长. 与传统的单参数尝试法相比, 高通量样品制备方法可以对参数实现并行筛选, 因而极大地缩短了优化工艺所需的时间. 本工作借助高通量制备方法成功实现系列镧掺杂BiFeO3薄膜的快速优化, 包括对烧结温度、镧元素含量和高温固态反应气氛等关键工艺参数的快速筛选, 同时分析了不同生长条件下样品的结构并测试了其铁电性. 实验结果表明: 1) 560 ℃ 烧结可得到单相薄膜; 2)测量不同La含量样品的铁电性, 发现当E=75 kV/cm时, La=15%的样品剩余极化值(2Pr)最大, 约为26.7 μC/cm2; 3) 在纯氧气氛下烧结有助于得到结晶性更好的单相Bi0.75La0.25FeO3±δ 薄膜, 并且能够提高薄膜的铁电性.
2016, 65 (5): 058401.
doi: 10.7498/aps.65.058401
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20 T以上强磁场在高场科学工程中有着不可替代的作用. 电工研究所正在研制一个25 T全超导磁体系统, 包括15 T背景磁场和10 T高温超导内插磁体. 在磁体的设计和优化中, 线圈的数量和种类对于最终优化结果十分关键. 为了研究磁体数量和磁体相关参数的关系, 计算了20 组不同的线圈组合下磁体的优化结果. 优化中除了考虑必要的限制条件以外, 还采用了一种结合局部优化算法和全局优化算法的方法. 通过对比分析发现, 线圈数量和磁体造价之间, 存在一个“V”形的关系. 更进一步地, 本文分析了不同超导体在磁体中应该贡献的最佳磁场, 以及背景磁体统一供电给优化结果带来的影响.
综述
2016, 65 (5): 058801.
doi: 10.7498/aps.65.058801
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新型碳材料如石墨烯及其氧化物、碳纳米管、富勒烯及石墨炔等因其优异的热学、力学、电学、光学性能成为了钙钛矿太阳电池研究的又一亮点. 本文总结了新型碳材料在钙钛矿太阳电池对电极、电子传输材料及空穴传输材料中的研究进展, 新型碳材料的引入有效地提高了钙钛矿电池的性能, 为下一步新型碳材料的应用开发以及钙钛矿电池器件的研究提供了新的思路.
核物理学
2016, 65 (5): 052401.
doi: 10.7498/aps.65.052401
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本文在空间格点上利用虚时间步长方法求解了球形Dirac方程, 着重研究了出现的假态问题. 利用三点数值导数公式离散方程中一阶导数项, 可以证明对于量子数为 和 -的单粒子能级能量是完全相同的, 其中一个为物理解, 另一个为假态. 通过在径向Dirac方程中引入Wilson 项, 可以解决假态问题, 得到全部物理解. 文章以 Woods-Saxon 势为例, 考虑 Wilson 项后, 得到与打靶法一致的结果.
2016, 65 (5): 052801.
doi: 10.7498/aps.65.052801
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使用JMCT (J Monte Carlo Transport Code)对来自MIT的全堆芯pin-by-pin精细建模的国际基准模型BEAVRS的热零功率(HZP)状态进行了模拟计算, 并与测试数据进行了对比和分析. 比较的物理量包括临界本征值、控制棒价值、反应性温度系数、轴向积分的全堆探测器测量值和不同位置四个组件轴向相对功率密度分布. HZP状态下不同控制棒位置插入和硼浓度的临界本征值计算, JMCT结果与理论值1.000 的误差小于0.2%, 控制棒价值计算结果与测量值符合. JMCT对轴向积分的探测器径向相对功率分布和四个组件的轴向归一化的探测器的计算结果与测量值进行了比较和分析, 计算结果与测量值一致, 同时清晰地展示了模型增加格架后, 轴向功率曲线在相应位置出现下凹的现象. 此外, JMCT给出了轴向积分的组件径向相对功率密度分布和轴向相对功率最大处(Z轴位置)的pin径向相对功率密度分布, 并与国际知名程序MC21结果进行了对比, 两个图像都符合得非常好. 随着计算机与并行计算的高速发展, 蒙特卡罗程序开始从传统的反应堆校验工具向反应堆设计工具转变.
气体、等离子体和放电物理
2016, 65 (5): 055202.
doi: 10.7498/aps.65.055202
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种子电子是高功率微波大气击穿的根源, 研究高功率微波大气击穿时, 一般假设背景大气中存在种子电子, 此假设在低层大气环境中会给模拟结果带来较大误差. 本文建立了高功率微波强电场作用下O-离子解吸附碰撞过程物理模型, 基于传统的空碰撞模型, 提出了改进的蒙特卡罗仿真方法, 编写了三维仿真程序, 对高功率微波作用下O-离子的解吸附过程进行了仿真, 分析了O-离子平均能量随时间的变化过程以及O-离子与空气分子的碰撞过程, 得到了不同压强、场强、频率和击穿体积条件下种子电子平均产生时间. 理论与仿真结果表明, 随着频率增大, 种子电子平均产生时间变大, 随着击穿体积、场强以及压强增大, 种子电子平均产生时间变小. 最后, 考虑O-离子与空气分子解吸附碰撞提供种子电子条件下, 给出了大气击穿时间理论与实验对比结果, 发现高功率微波频率较低时, 该种子电子产生机理可以解释实验结果, 而高功率微波频率较高时, 该机理下种子电子平均产生时间过长而与实验数据不符.
2016, 65 (5): 055203.
doi: 10.7498/aps.65.055203
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甚高频激发的容性耦合等离子体由于离子通量和能量的相对独立可控而受到人们的关注. 本文采用朗缪尔探针诊断技术测量了40.68 MHz激发的容性耦合Ar等离子体的特性(如电子能量概率分布、电子温度和密度等)随宏观参量的演变情况. 实验结果表明, 电子能量概率分布随着气压的增加从双麦克斯韦分布逐步转变为单麦克斯韦分布并最终演变为Druyvesteyn分布, 而射频激发功率的增加促进了低能电子布居数的增强; 在从等离子体放电中心移向边界的过程中, 低能电子的布居数显著下降, 而高能电子的布居则有所上升; 放电极板间距的变化直接导致了等离子体中电子加热模式的转变. 另外, 我们也对等离子体中的高低能电子密度和温度的分配情况进行了讨论.
2016, 65 (5): 055204.
doi: 10.7498/aps.65.055204
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利用时间分辨的光阴影成像技术研究了在大气环境下飞秒激光烧蚀铝靶的动态过程. 在入射激光能量为4 mJ, 激光光斑超过1 mm时, 激光烧蚀区表面物质以近似平面冲击波形式向外喷射; 在同样激光能量下、激光光斑较小时(约0.6 mm), 激光烧蚀区以近似半球型冲击波形式向外喷射. 当激光能量比较大时(7 mJ), 发现空气的电离对于激光烧蚀靶材有着重要影响. 在光轴附近烧蚀产生的喷射物具有额外的柱状和半圆型的结构, 叠加在平面冲击波结构上.
2016, 65 (5): 055201.
doi: 10.7498/aps.65.055201
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本文首先利用5.8 GHz微波实际测量了辉光放电等离子体源电子密度和碰撞频率随时间的变化规律. 然后搭建实验平台, 测试了多种通信调制体制的信号经过该等离子体源后的误码率, 实验发现BPSK调制方式的信号在该时间变化的等离子体信道中通信误码率最小. 最后加入磁场, 实验测试了L波段(1.5 GHz) BPSK调制信号和S波段(2.5 GHz) QPSK信号在该磁化等离子体中的衰减、相移以及眼图和星座图的变化, 通过与非磁化情况下对比发现, 加入磁场后, 信道的通信性能有所改善, 误码率显著降低, 可以有效地缓解时变等离子体引起的幅度和相位上的寄生调制效应.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
2016, 65 (5): 057801.
doi: 10.7498/aps.65.057801
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基于传统磷酸盐玻璃组分, 通过引入SiO2获得了改性的PS系列玻璃, 并研究了Yb3+在PS系列玻璃中下能级Stark分裂及其光谱性质. 通过对该系列玻璃的吸收光谱、荧光光谱以及拉曼光谱的表征与分析确定了荧光光谱中最大波长处峰的属性. 结果表明: SiO2的引入显著增大了Yb3+下能级Stark分裂, 20 mol% SiO2可将Stark分裂值从670 cm-1提高到771 cm-1. 同时, 改进的磷酸盐玻璃光谱性能没有出现预期的降低现象, 反而得到了一定的改善. 实验证明: 对传统磷酸盐进行SiO2改性处理可以解决掺镱磷酸盐固有的较窄Stark分裂问题, 使其更适合作为高功率、高能量掺镱激光系统的增益介质材料.
2016, 65 (5): 057802.
doi: 10.7498/aps.65.057802
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采用激光分子束外延方法在Al2O3(0001)单晶衬底上进行了Zn1-xCdxO/ZnO单量子阱结构的生长, 通过控制基底温度、氧气分压等, 获得了阱宽约为1.0, 1.5和4.0 nm的单量子阱结构, 研究了量子阱组分、表面形貌、荧光发射特性. 结果表明, 通过脉冲激光烧蚀陶瓷靶的方法获得的Zn1-xCdxO中Cd含量x约为2%, 外延膜表面平整均匀, 界面质量良好, 在325 nm He-Cd激光激发下, 获得了非常强的光致荧光发射, 1.0 nm量子阱结构荧光发射峰半高宽达到60 meV, 通过量子阱宽度的调控, 量子阱的发射峰从3.219 eV红移到3.158 eV, 且随着阱宽的增加, 量子限制效应变弱(阱宽4.0 nm样品), 通过生长温度、气压条件的控制, 量子阱的缺陷密度可控制在较低水平.
2016, 65 (5): 057901.
doi: 10.7498/aps.65.057901
摘要 +
本文研制了一种大功率连续波磁控管用新型难熔Y2O3-Gd2O3-HfO2浸渍W基直热式阴极, 并对该阴极的直流发射特性进行了测试, 结果显示该阴极在1400 ℃温度下即可提供超过1 A/cm2的空间电荷限制区电流密度, 1700 ℃温度下可以提供超过10.5 A/cm2的空间电荷限制区电流密度. 利用理查森直线法求得该阴极的绝对零度逸出功仅为1.68 eV, 理查森-道舒曼公式法求得该阴极的有效逸出功为2.6-3.1 eV. 寿命实验结果显示, 该阴极在工作温度为1600 ℃, 直流负载为1.5 A/cm2的条件下, 寿命已经超过3600 h. 最后, 分别利用SEM、AES、EDS等分析手段对该阴极表面的微观结构、元素成分及含量进行了研究, 结果表明, 该阴极在高温激活过程中, 表面形成了一层空穴导电的Y2O3-x半导体层, 该半导体层的形成改善了阴极表面导电性, 间接降低了逸出功, 提高了阴极的热发射能力. 此外, 还对该阴极的耐电子轰击性能进行了研究, 结果显示该阴极在经过150 h电子连续轰击后, 电流密度从初始1.5 A/cm2线性下降并稳定至0.4 A/cm2.
