综述
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2020, 69 (16): 164201.
doi: 10.7498/aps.69.20200357
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数字全息显微成像有别于传统光学显微成像, 可根据重建全息图获取细胞的生物学参数与形貌信息, 是一种有效的非接触无损三维成像技术. 随着像感器的发展与硬件计算能力的提升, 数字全息显微成像技术在活体生物细胞检测尤其在血红细胞检测领域取得了显著进展和突破. 本文介绍了同轴、离轴以及光镊辅助离轴的数字全息显微技术, 这些技术利用瑞利索末菲反向传播算法、清晰度量化算法、分水岭分割算法、数字重聚焦方法与热涨落方法等来实现血红细胞的形变、空间分布、三维体积信息的高精度提取, 有助于糖尿病、心血管疾病、帕金森氏疾病等病理研究. 数字全息显微成像技术实现了传统三维显微成像技术难以达到的实时性和定量化检测, 由于独有的非接触、无损性特点, 在细胞成像领域应用前景广阔.
2020, 69 (16): 167804.
doi: 10.7498/aps.69.20200591
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钙钛矿材料由于具有长的载流子扩散长度、较高的吸收系数和较低的缺陷态密度等优点在太阳电池、光电探测器、发光二极管等光电转换器件领域得到广泛应用. 同时, 层状二维材料、低维半导体纳米结构、金属纳米结构和绝缘材料等功能材料因它们特殊的化学、电学和物理性质而越来越受到人们的关注. 为了拓宽钙钛矿材料在光电转换器件的应用, 可将钙钛矿与这些功能材料进行组合, 形成异质结构, 集成两种材料的优点. 钙钛矿/功能材料异质结构可作为界面修饰层、电荷传输层、封装层等应用于卤化物钙钛矿光电转换器件中, 用来抑制光生载流子的复合损耗, 提升载流子的传输性能, 改善器件的稳定性等. 本文综述了钙钛矿与层状二维材料、低维半导体纳米结构、金属纳米结构和绝缘材料等形成的异质结构在光伏型光电转换器件中应用的最新研究进展, 并对该方向未来的发展做出了展望.
总论
2020, 69 (16): 160201.
doi: 10.7498/aps.69.20191722
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染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells, DSCs)因其制备工艺简单、成本低廉以及优异的光学性质在近年来引起了大家的广泛关注. 为了获得更优的光电性能, 利用球磨法制备了一系列不同含量纳米结构SiO2@Au和固定含量石墨烯协同掺杂的复合光阳极薄膜, 并制备了相应的DSCs. 研究了纳米结构SiO2@Au和石墨烯联合掺杂对光阳极及其相应DSCs光电转换性能的影响. 金纳米颗粒因其局域表面等离子体共振效应能够有效提高DSCs的短路电流密度. 而石墨烯作为典型的二维材料, 具有较大的比表面积以及高导电性等优异性质, 有利于增加薄膜的比表面积. 当纳米结构SiO2@Au和石墨烯协同掺杂至光阳极薄膜内部, 且SiO2@Au掺杂量为1.5%时, 相应电池的短路电流密度为15.59 mA·cm–2, 光电转换效率为6.68%, 相比基于传统纯TiO2光阳极电池的性能分别提高了15.67%和8.8%. 研究表明, 基于不同含量复合纳米结构SiO2@Au和固定量石墨烯共掺的DSCs性能的提高, 主要归因于复合纳米结构SiO2@Au的掺入, 其中分布较为均匀的金纳米颗粒作为光学天线可以将光局域到颗粒表面, 增强表面电磁场强度, 有效增强光与物质的相互作用, 优化了染料的光吸收能力, 增加薄膜内部光生载流子数量. 而石墨烯的引入则改善了光阳极薄膜的比表面积, 增加了薄膜整体对染料的吸附量, 且石墨烯良好的导电性能加快了光生载流子的传输, 两者协同作用实现了DSCs的光电转换性能的优化.
2020, 69 (16): 160301.
doi: 10.7498/aps.69.20200333
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信息安全是信息化社会国家安全的基石与命脉, 而匿名量子通信是保护信息安全的重要通信方式之一. 利用量子漫步随机性有效解决身份信息泄露等敏感问题, 本文提出一种基于Cayley图上量子漫步的匿名通信方案. 首先, 通信双方隐藏自身身份信息, 发送方Alice通过逻辑或操作匿名选择接收方Bob. 其次, 可信第三方与通信双方利用BB84协议生成和分发安全密钥, Alice根据安全密钥对信息序列进行加密, 获得盲化信息; Bob利用联合Bell态测量和安全密钥进行签名, 可信第三方验证签名信息. 再次, 可信第三方依据傅里叶变换计算Bob量子漫步的位置概率分布函数, 将概率最大值对应的位置信息转换为确认帧发送给Alice; Alice利用量子降维压缩算法减少传输信息比特数, 并利用安全密钥完成信息加密后将信息传输至确认帧表示的位置, Bob利用量子漫步搜索位置节点获取传输信息, 完成匿名量子通信. 最后, 对方案进行安全分析, 并给出200个节点Cayley图的数值仿真结果, 漫步10步时, 第6个节点的概率最大为45.31%. 根据仿真结果, 本方案通信过程中Bob漫步10步时被窃听到具体位置的概率近似为6 × 10–7%.
2020, 69 (16): 160501.
doi: 10.7498/aps.69.20191642
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熵是热力学中表征物质状态的参量之一, 是体系混乱程度的度量. 一个信号的熵可以用来表示信号的复杂度. Duffing混沌系统从临界混沌状态向大尺度周期状态跃变的阈值是混沌系统分析的一个重要参数, 它的求解方法是混沌理论目前亟待解决的问题之一. 然而传统的实验分析法或者定量分析法存在一定的局限性. 本文在研究中发现, 系统处于混沌态和周期态时输出的多尺度熵值存在较大差异, 且当系统进入周期态后多尺度熵值趋于平稳, 基于这一现象结合遗传算法提出了基于多尺度熵的Duffing混沌系统阈值确定方法. 利用该方法对正弦信号和方波信号的检测系统跃变阈值进行了计算, 结果表明该方法快速准确且计算简单.
核物理学
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2020, 69 (16): 162101.
doi: 10.7498/aps.69.20191643
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结合已有的原子核半径的实验数据, 对先前的核电荷半径公式进行验证和探讨. 比较单参数核电荷半径公式, 验证了$Z^{1/3}$ 律公式要优于$A^{1/3}$ 律公式. 对两参数公式和三参数公式进行验证, 得到两参数和三参数公式要优于单参数公式. 考虑到原子核电四极矩与形变的关系, 在原有的三参数公式中加入电四极矩因子项, 得出核电荷半径新公式. 拟合该公式发现核电荷半径理论值与实验值符合较好. 再考虑总自旋与电四极矩的关系, 求出内禀电四极矩, 代入公式中进行拟合, 均方根偏差进一步下降. 最后加入能反映奇偶摆动现象的$\delta$ 项, 用公式得到的均方根偏差为0.369 fm, 较好地反映出了形变与核电荷半径的关系.
2020, 69 (16): 162901.
doi: 10.7498/aps.69.20200265
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利用中国散裂中子源反角白光中子束线开展13款商用静态随机存取存储器的中子单粒子效应实验. 研究了测试图形、特征尺寸和版图工艺差异对单粒子效应的影响. 结果表明测试图形对器件的单粒子翻转截面影响不大, 但对部分器件的多单元翻转占比有较大的影响; 特征尺寸对器件单粒子翻转截面的影响没有明显的规律, 但对多单元翻转的影响规律明显, 多单元翻转占比和最大位数都随着特征尺寸的降低而增大; 器件版图工艺差异对器件的单粒子翻转截面和多单元翻转占比都有较大的影响. 此外, 通过与高原辐照实验结果对比, 发现在反角白光中子源获得的多单元翻转占比小于高原辐照实验的结果, 其原因是反角白光中子源实验中, 中子的最高能量和高能成分占比偏小, 且中子束流只有垂直入射. 因此, 利用反角白光中子源评估器件的大气中子单粒子效应时可能会低估多单元翻转情况. 本文的结果可为研究者利用反角白光中子源开展相关研究提供参考.
原子和分子物理学
2020, 69 (16): 163101.
doi: 10.7498/aps.69.20200518
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胆红素是人体胆汁中的主要色素, 与人体健康密切相关. 结合荧光蛋白的胆红素分子代表一类新型荧光发色团, 在生物成像和生物传感领域有着重要应用. 本文结合隐式溶剂模型和线性响应含时密度泛函理论方法计算了胆红素分子最低单重激发态的垂直激发能、振子强度和垂直发射能. 以实验测量值和高水平RI-ADC(2)计算值作为参考, 系统考察了一系列密度泛函方法的预测表现, 结果发现最优化调控区间分离密度泛函方法整体表现最优, 预测的绝对误差和相对误差最小. 这得益于泛函中包含适宜的准确交换项比例能够产生既不离域也不局域的电子结构. 在最优化调控泛函方法计算的波函数基础上, 基于空穴-电子分析和片段间电荷转移方法定量表征了胆红素分子最低单重激发态, 发现其具有杂化局域-电荷转移的激发特征. 相信本工作可以为今后研究胆红素分子的激发态动力学过程和光谱性质提供重要理论依据, 该最优化调控理论模型也可以为接下来其他生物分子体系的激发态性质研究提供可靠、高效的理论工具.
2020, 69 (16): 163301.
doi: 10.7498/aps.69.20200601
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生物阻抗谱是一种非侵入式、免标记、能够定量分析的检测技术, 将其应用于生物细胞及组织的生理、病理分析中具有很大优势. 本文采用数值仿真的方法研究了单细胞电学特性与其结构之间的关系, 并通过实验进行了验证. 根据细胞的生理特征, 依据细胞的双壳模型与单壳模型理论分别建立了不同种类细胞的电学模型, 研究了细胞种类、细胞膜、细胞核对细胞电学特性的影响. 数值分析结果表明: 1)细胞结构尺寸的变化引起细胞电学特性的改变, 因此, 依据细胞电学特性能够准确实现细胞分类; 2)柯尔-柯尔(Cole-Cole)图上高频与低频的两个半圆弧分别是由细胞质或细胞外液的离子极化、细胞膜与细胞外液之间的界面极化引起的; 3)细胞核大小对测量阻抗的影响主要在低频段, 是由细胞核与细胞内液的界面极化引起的, 当存在细胞膜且当细胞核的核质比小于0.25时可忽略其影响. 为验证仿真结果, 对20%不同活性的酵母菌进行了实验. 实验结果表明, 运用本文建立的细胞电学模型, 可以准确检测细胞的不同活性. 该方法对实现细胞的精准电阻抗检测提供了理论依据, 具有重要的应用价值.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2020, 69 (16): 164101.
doi: 10.7498/aps.69.20200271
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电磁飞环作为一种新型有限能量电磁脉冲具有重要的潜在应用价值. 为了明晰电磁飞环的传播特性, 本文讨论了电磁飞环横向和纵向场分量的空间分布、频谱特性及其在传播过程中的拓扑结构变化. 理论研究表明, 电磁飞环在初始传播阶段发散非常缓慢, 在传播较远距离后接近线性发散, 其在保持超环面拓扑结构传播的情况下具有缓扩散传播特性. 本文的研究为电磁飞环的应用提供了理论基础.
2020, 69 (16): 164102.
doi: 10.7498/aps.69.20200434
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本文对一种高效率速调型RBWO进行了理论分析和实验研究. 通过理论分析, 给出两个预调制腔间距的选择依据; 提出一种高功率容量的椭圆形提取腔, 可使得提取腔内表面场强降低约25%; 分析了磁场分布对效率的影响, 结果表明: 使用特殊设计的引导磁场, 可克服器件转换效率对收集位置的强烈依赖; 分析了阴阳极间距对效率的影响, 结果表明: 随着阴阳极间距增大, 器件的最优工作电压降低, 并且效率有所提升. 在实验中获得X波段微波功率为2.15 GW, 脉宽达到25 ns, 转换效率为50%(± 5%). 实验结果与理论和数值模拟结果吻合.
2020, 69 (16): 164202.
doi: 10.7498/aps.69.20200245
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报道了一种工作波长在1.6 μm的哑铃形结构高功率铒镱共掺全光纤锁模激光器. 无隔离器结构设计以及大模面积双包层铒镱共掺光纤的使用, 使振荡器可稳定高效地工作于较高泵浦功率下. 证明了不同带内吸收系数的铒镱共掺光纤对输出波长有极其重要的影响, 带内吸收调控可作为一种有效的波长控制方法. 实验中, 利用高带内吸收光纤获得了稳定的1.6 μm高功率、大能量纳秒类噪声方形脉冲输出, 最大平均输出功率和单脉冲能量分别为1.16 W和1.26 μJ. 同时研究了附加插入损耗对所设计激光器输出特性的影响, 当总附加插入损耗为10 dB时, 激光器仍然可以稳定发射1.6 μm类噪声方形脉冲, 说明利用高带内吸收系数的铒镱共掺光纤设计的激光器对1.6 μm输出波长具备极强的鲁棒性. 对于过大的附加插入损耗, 1.6 μm输出波长会被完全抑制.
2020, 69 (16): 164203.
doi: 10.7498/aps.69.20200418
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本文实验上观察到在85Rb原子蒸气D1线系统中, 基于Raman共振的四波混频得到显著地增强; 并且通过模拟看到, 随着耦合光功率的减小或多普勒展宽的增大, 信号线宽呈现被压窄的趋势. 我们利用宏观极化干涉理论对光谱线宽的特点进行了分析, 并诠释了在多普勒增宽Λ-型能级系统中的四波混频与电磁感应透明均来源于受激Raman散射, 区别在于探测方式和对象的不同.
2020, 69 (16): 164204.
doi: 10.7498/aps.69.20200396
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提出了一种基于光学tamm态(OTS)的声光开关方案. 该声光开关利用一维光子晶体异质结的OTS以及声光效应, 改变超声波振幅使得OTS的本征波长向短波方向发生漂移, 从而实现通断功能. 考虑了在一维光子晶体异质结中的声光效应, 建立了这种声光开关的理论模型, 利用COMSOL软件进行仿真研究. 研究结果表明, 通过是否施加一定振幅的超声波, 在1548.8—1551.7 nm波长范围内可实现消光比最低可达12 dB、插入损耗最高仅为0.97 dB的声光开关; 也可通过是否施加与入射光波长相应振幅的超声波, 实现1536.6—1543.3 nm波长范围内消光比最低可达12 dB, 插入损耗最高仅为0.99 dB的声光开关. 该声光开关的响应时间不超过13 ns, 具有消光比高且插入损耗低的特点, 在光通信领域具有良好的应用前景.
2020, 69 (16): 164301.
doi: 10.7498/aps.69.20191948
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研究了使用垂直线列阵情况下, 浅海环境中的模态空间检测器(modal space detector, MSD)的检测性能. 推导了MSD的处理增益, 结果表明其处理增益随波导环境中传播模态数的增多而减小, 进而其检测性能也随之下降. 利用各阶模态深度函数之间的正交性, 将MSD分解为若干阶模态子空间检测器(modal subspace detector, MSSD). 推导了各阶MSSD的处理增益, 发现其随各阶模态衰减系数的增大而减小. 根据各阶模态的衰减规律设计加权系数, 提出一种加权模态子空间检测器(weighted modal subspace detector, WMSSD). 以处理增益作为比较参量, 通过理论和仿真实验分析了声源位置和声速剖面对WMSSD检测性能的影响. 结果表明: 1) 当声源位于负梯度声速波导的近海面区域和正梯度声速波导的近海底区域时, 由于低阶模态深度函数存在反转点, WMSSD的处理增益弱于MSD, 而当声源位于其他大部分观测区域时, WMSSD的处理增益都优于或显著优于MSD; 2) 在等声速梯度波导中, 各阶模态深度函数不存在反转点, 在所有观测区域WMSSD的处理增益都显著优于MSD.
2020, 69 (16): 164401.
doi: 10.7498/aps.69.20200308
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利用格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method, LBM)对倾斜多孔介质方腔内Al2O3-H2O纳米流体的自然对流进行数值模拟, 考虑了孔隙率(0.3 ≤ $\epsilon $ ≤ 0.9)、瑞利数(103 ≤ Ra ≤ 106)、纳米颗粒体积分数(0 ≤ ϕ ≤ 0.04)和倾斜角(0° ≤ γ ≤ 120°)等因素的影响, 研究了正弦温度分布边界条件下倾斜多孔介质方腔内纳米流体的自然对流传热机理. 结果表明: 若$\epsilon $ 和γ保持不变时, 随着Ra数的增大, 热壁面处的平均努塞尔数(Nuave数)呈现出先减小后增大的趋势; 对于给定的Ra数, 当γ = 0°时, 随着孔隙率的增大, 热壁面处Nuave数逐渐增大, 当γ = 40°, 80°和120°时, Nuave数在$\epsilon $ = 0.7左右时达到最大值; 若$\epsilon $ 和Ra数保持不变, 当γ = 40°时, 方腔内的自然对流换热效率最强, 当γ = 80°时热壁面自然对流换热效率被削弱. 最后, 研究了纳米颗粒体积份数的影响, 当方腔施加一定倾角时, 热壁面处的Nuave数随着纳米颗粒体积分数的增大而增大.
2020, 69 (16): 164501.
doi: 10.7498/aps.69.20200223
摘要 +
松散体结构松散, 是崩塌、滑坡等地质灾害的主要物源, 其致灾范围受含石量和坡度等因素影响较大. 传统的对松散体滑动堆积特性的研究多为宏观或定性分析, 对细观的内在运动机理研究较少. 本文采用离散元方法定量分析了含石量和坡度变化对松散颗粒滑动后的冲程、堆积宽度、最大厚度、堆积面积、堆积轮廓形状、堆积区体积、静堆积角和累积质量等堆积特征值的影响, 并从颗粒的能量和接触力角度探讨了松散体灾变过程中的运动和堆积特征, 以揭示颗粒之间的相互作用机理. 研究结果表明: 含石量在0—70%范围增加时, 冲程、堆积宽度和堆积面积均先增大后递减, 最终累积质量减小; 坡度在30°—65°范围增大时, 冲程、堆积宽度、堆积面积和累积质量均会增大, 最大厚度近似线性减小, 静堆积角近似二次函数减小. 此外, 粗、细颗粒在堆积区的体积占额存在一个临界距离Lc, 当距坡脚线距离L < Lc时, 细颗粒大于粗颗粒所占体积; 当L > Lc时, 细颗粒小于粗颗粒所占体积.
气体、等离子体和放电物理
2020, 69 (16): 165201.
doi: 10.7498/aps.69.20200517
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硅片表面纳米级污染颗粒的检测与去除是集成电路制造(Integrated Circuit, IC)的关键环节. 本文主要对纳秒级脉冲激光作用至硅片表面后纳米颗粒的动力学过程及颗粒成分在线检测方法进行了研究. 搭建了双脉冲激光测量实验系统, 并通过实验对300 nm Cu颗粒进行了双脉冲激光实验观测, 通过分析表征颗粒运动轨迹的击穿光谱特征, 从实验上观测到了清洗激光作用后颗粒沿垂直硅片表面向上的运动轨迹. 在综合考虑空气碰撞阻力、颗粒重力的影响下, 建立了激光清洗后颗粒的运动模型, 并与实验相结合求解了运动模型参数, 计算获得了清洗激光作用后颗粒的初始速度和激光作用时间内颗粒的平均加速度. 本文为激光诱导晶圆表面纳米颗粒去吸附以及激光至纳米颗粒动力学过程研究提供了一种模型方法, 也为集成电路污染源在线检测提供了一种重要方法.
2020, 69 (16): 165202.
doi: 10.7498/aps.69.20200095
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微纳电离式气体传感器基于微尺度放电原理, 具有响应快、精度高、易集成等特点, 有望实现对气体的快速准确检测. 目前缺少对该新型传感器极间放电过程的系统分析. 对此本文采用流体-化学动力学混合方法, 建立了常温常压下大气中N2-O2混合气体在微米间隙-纳米尖端场域的二维空间放电模型, 并通过分析空间电子输运机制、放电电流密度、空间电场强度之间的相互耦合关系, 阐明了该场域下空间放电的动态发展过程, 完善了微纳电离式气体传感器内部放电机理, 且分析了不同极间距对空间放电的影响规律. 结果表明: 该场域下空间电场随正负离子的产生与消耗达到动态平衡而保持恒定, 使空间放电得以维持, 放电电流密度趋于稳定; 且随着极间距的减小放电电流密度呈现出先增大后减小的趋势, 此特性为传感器的优化提供了一定的理论指导.
2020, 69 (16): 165203.
doi: 10.7498/aps.69.20200044
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卫星在轨运行时, 航天器表面材料与周围的等离子体环境相互作用, 会积累电荷产生表面充电效应, 严重时将导致静电放电从而影响航天器的运行. SMILE卫星运行在太阳同步轨道和高倾角大椭圆轨道, 在轨运行将遭遇多种等离子体环境, 产生的表面充电效应将影响卫星在轨安全和科学数据的获取. 本文采用spacecraft plasma interaction system软件仿真, 建立了复杂精细的三维模型, 评估了卫星在磁尾瓣等离子体、太阳风等离子体及地球静止轨道极端恶劣等离子体不同环境中的表面充电风险. 仿真结果显示, 不同环境下的表面充电电位有差异, 但是不会影响科学载荷的数据获取. 通过对表面电流的分析发现, 二次电子发射在各种等离子体环境中都对表面充电有很大的影响. 通过分析阴影区材料表面充电电流, 计算得到的结果能够补充氧化铟锡材料二次电子发射系数实验曲线. 在光照下, 光电子发射在表面充电中占据统治地位.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2020, 69 (16): 166301.
doi: 10.7498/aps.69.20200631
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基于第一性原理计算方法, 设计出了一种新型二维半导体材料TiO2, 并进一步研究了其结构稳定性, 电子结构, 载流子迁移率和光学性质等. 二维TiO2的形成能、声子谱、分子动力学、弹性常数表明, 二维TiO2具有较好的动力学, 热力学和机械稳定性, 具备实验制备的条件, 且能够稳定存在于常温条件下. 电子结构分析表明, 二维TiO2是一种间接带隙半导体, 在GGA+PBE和HSE06算法下的能隙分别为1.19 eV和2.76 eV, 其价带顶和导带底能级分别由Ti-3d和Ti-4s态电子构成, O原子的电子态在费米能级附近贡献很小, 主要分布在深处能级. 载流子迁移率显示, 二维TiO2的迁移率比单层MoS2要小, 其电子和空穴迁移率分别为31.09和36.29 cm2·V–1·s–1. 由于空穴迁移率和电子迁移率的各向异性, 电子-空穴复合率较低, 使得单层TiO2的使用寿命更长, 光催化活性更好. 在应变调控下, 二维TiO2的能隙发生明显响应, 以适用于各种半导体器件的需要. 半导体的带边势和光学性质显示, 在–5%—2%单/双轴应变下, 二维TiO2能够光裂水制H2, 在–5%—5%单/双轴应变下, 能够光裂水制O2, H2O2和O3等. 此外, 二维TiO2对可见光和紫外光具有较高的吸收系数, 说明其在未来光电子器件和光催化材料领域有着潜在的应用前景.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2020, 69 (16): 167101.
doi: 10.7498/aps.69.20191930
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有机发光二极管(OLED)作为新一代显示技术已广泛商用, 但蓝光有机发光二极管在效率和稳定性等方面仍存在不足, 虽用磷光染料能明显地提高效率, 其制作成本之高却限制了产业化发展. 因此, 本文对蓝色荧光有机发光二极管中的效率滚降现象进行了深入探究. 首先, 从稳态和瞬态两个角度研究了电子电流和空穴电流对单极器件光致发光行为的影响, 表明空穴对激子的淬灭效果更显著. 实验证明激子-电荷相互作用是荧光OLED中效率滚降的主要机制, 且激子主要是被束缚电荷淬灭而非移动电荷. 另一方面制备了不同掺杂浓度的有机发光二极管器件以探究掺杂浓度对激子-极化子相互作用的影响, 得到了综合性能较好的蓝色有机荧光器件, 分析表明调控发光层电荷俘获可以平衡界面堆积电荷和发光层束缚电荷对激子的淬灭. 本文完善了激子-极化子淬灭的内在机制,给减缓蓝色荧光有机发光二极管的效率滚降提供了有益参考.
封面文章
2020, 69 (16): 167102.
doi: 10.7498/aps.69.20200646
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有机-无机杂化钙钛矿材料与其他半导体材料相比具有高的缺陷容忍率, 在太阳能电池、发光二极管、低阈值激光器等领域有重要的应用前景. 通常情况下, 钙钛矿材料是通过溶液法合成的, 这种方法虽然可以得到性能优异的钙钛矿器件, 但同时也会在合成过程中产生大量缺陷. 尽管目前在理论和实验上对钙钛矿材料的缺陷做了很多研究, 但对单个缺陷附近的束缚激子发光问题的研究较少. 本文通过共聚焦显微系统研究了低温(4.2 K)下单根钙钛矿纳米线的荧光光谱, 观测到来自于缺陷周围束缚激子的窄线宽和高强度的荧光峰, 同时观测到了磁场下的塞曼分裂和抗磁现象, 并通过施加矢量磁场发现了束缚激子的g因子存在各向异性. 单个束缚态激子的磁光性质的研究为深入理解束缚激子在量子光源以及自旋电子学中的应用提供了依据.
2020, 69 (16): 167301.
doi: 10.7498/aps.69.20200405
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为了提高现有的亚波长量级温度传感器和折射率传感器的各项工作性能, 本文基于表面等离激元提出了一种拥有尖锐峰的高灵敏度、高集成度的环八边形表面等离子体共振传感器. 理论分析了以乙醇作为热敏填充材料使温度和有效折射率建立线性转换关系的可行性, 并利用多模耦合模式理论(MICMT)对该传感器的透射峰进行了拟合和理论分析, 再利用有限元法(FEM)进行了仿真分析, 理论结果和仿真结果高度匹配. 然后对环八边形共振腔的各项参数进行了有限元数值模拟, 计算得出该传感器的最佳参数设置. 和以往结构设计对比, 该两用传感器拥有工作波段范围广、半峰全宽窄、易于集成等诸多优点, 作为传感器的温度灵敏度和折射率灵敏度分别高达0.9 nm/℃和2400 nm/RIU. 该结构兼具一些传统腔体的优点, 为以后基于表面等离激元设计的微纳光子温度传感和折射率传感两用器件提供了一种高性能的腔体选择.
2020, 69 (16): 167801.
doi: 10.7498/aps.69.20200457
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设计了一种新型负曲率太赫兹光纤, 光纤由六条均匀分布在包层内部并嵌套等边三角形结构的包层管组成. 通过改变包层管和三角形边的厚度来研究负曲率光纤的有效模场面积、纤芯功率比、限制损耗、色散等性能. 当包层管和三角形厚度为90 μm时, 光纤的限制损耗在2.36 THz时可以达到0.005 dB/cm, 当频率范围在2.1—2.8 THz时, 色散系数在 ± 0.19 ps/(THz·cm), 纤芯功率比达到了99%以上, 并且拥有较好的有效模场面积. 进一步, 将包层管和三角形边厚度保持在90 μm不变, 调整三角形边的弯曲程度, 继续研究以上性能, 结果表明在内弯曲的状态下可以将限制损耗降低60%. 该工作为高效率、高性能的太赫兹光纤提供了合理的结构设计以及理论分析.
2020, 69 (16): 167802.
doi: 10.7498/aps.69.20200269
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基于理查德-沃尔夫矢量衍射理论和逆法拉第效应, 首次推导出紧聚焦角向偏振分数阶涡旋光诱导磁化场表达式, 分析出角向偏振分数阶涡旋光诱导磁化场可近似等效为有限个相邻整数阶涡旋角向偏振光诱导磁化场与其交叉诱导磁化场的加权叠加. 数值模拟了紧聚焦条件下不同分数阶涡旋角向偏振光诱导磁化场的分布特性. 模拟结果表明角向偏振分数阶涡旋光诱导磁化场呈非对称分布. 当取分数阶涡旋拓扑荷$ \alpha \in {{[0}}{{.5,1}}{{.5]}} $ 时, 随着涡旋拓扑荷的增加, 磁化场横向平面分布出现分裂现象, 同时还引起磁斑垂直于光轴方向的自移效应. 当$ \alpha=0.5 $ 或1.5时, 磁斑中心最大偏移量达$0.24\lambda $ ; 当分数阶涡旋拓扑荷$ \alpha \in (2,3] $ 时, 磁化场横向平面分布分裂出2个强度热点, 强度分布环径逐渐变大. 当分数阶涡旋拓扑荷趋于$ \alpha=3 $ 整数时, 磁化场横向平面分布也趋于圆对称性分布. 特别有趣的是, 当分数阶涡旋拓扑荷取半整数, 尤其大于3时, 磁化场强度热点数与其包围的暗点数均与涡旋阶数存在正相关关系, 其中热点数为$ \alpha-0.5 $ , 暗点数为$\alpha-1.5 $ . 这些研究结果将可应用于全光磁记录和磁性粒子的捕获与操控等.
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2020, 69 (16): 167803.
doi: 10.7498/aps.69.20200696
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黑磷由于具有独特的各向异性而受到广泛的关注. 声子色散和电子能带结构的研究对于理解黑磷的性质及其在下一代各向异性纳米光电子器件中的应用有促进作用. 拉曼光谱作为材料的指纹谱, 可提供材料声子色散以及电子能带结构等信息. 根据拉曼选择定则, 多声子(两个或两个以上的声子)拉曼散射光谱可以探测整个布里渊区内的声子态密度. 然而, 一般来说, 相比于一阶拉曼散射, 高阶拉曼散射具有极低的强度. 为了克服这种限制, 本文通过多个激光波长来激发黑磷的拉曼光谱, 观测到了丰富的二阶和三阶拉曼模. 同时, 采用特定的偏振配置避免了黑磷光学各向异性所导致的双折射效应对拉曼强度的影响, 结合声子色散及其对称性对680—930 cm–1范围内的多声子拉曼峰进行了指认, 这表明非布里渊区中心的声子对黑磷的二阶和三阶拉曼散射有重要贡献. 本文所提出的研究高阶拉曼散射的方法对研究其他各向异性材料中的共振拉曼光谱具有借鉴作用.
2020, 69 (16): 167805.
doi: 10.7498/aps.69.20200445
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作为最重要的第三代半导体材料之一, 纳米氮化镓(GaN)也引起了人们的广泛关注与重视. 本文采用微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)系统, 成功地制备出了四方截面的GaN纳米线, 其纳米线半径为300—500 nm, 长度为15—20 μm. 研究发现, 通过调控掺杂Mg的比例, 可以实现其截面结构从三方向四方转变. 通过进一步地研究Mg掺杂调控其截面结构的物理机制, 提出其三方-四方截面结构的转变应该来源于其纳米线的气-液-固(VLS)生长向自催化气-固(VS)生长模式的转变. 对所制备的纳米线进行了光致发光(photoluminescence, PL)光谱分析, 结果表明四方结构Mg掺杂GaN纳米线发光峰红移至386 nm. 采用所制备的纳米线进行了场发射性能研究, 结果表明四方结构Mg掺杂GaN纳米线开启电场为5.2 V/μm, 并能保持较高电流密度, 相较于三方结构未掺杂GaN纳米线场发射性能有一定提高, 进而分析掺杂以及形貌结构对GaN纳米线场发射的影响机制. 研究结果不仅给出了一种四方结构GaN纳米线的制备方法, 同时也为纳米线结构调控提出了新的思路与方法, 将为新型纳米线器件设计与制作提供了新的技术手段.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2020, 69 (16): 168101.
doi: 10.7498/aps.69.20200481
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氧化镓(Ga2O3)单晶纳米带由于具有独特的性质在电子器件中具有潜在的应用, 然而目前过小的接触面积使得基于这种纳米材料的器件制备变得非常复杂且充满挑战. 本文利用碳热还原法, 在无催化剂条件下使氧化镓粉末与碳纳米管在高温下反应, 生长出不同结构的氧化镓纳米材料, 发现了反应温度影响纳米结构的直径和比例的物理机制, 并制备出了长达毫米级的超宽β-Ga2O3单晶纳米带, 其横向尺寸可达44.3 μm. 利用透射电子显微镜(TEM)可以观察到纳米带呈单晶结构, 进一步拉曼散射光谱(Raman)表明这种方法生长的β-Ga2O3纳米带的应变较小, 缺陷密度较低, 且室温光致发光谱(PL)显示该氧化镓纳米带在激发波长295 nm下发出425 nm的稳定且高亮度的蓝光. 这种生长方法可为未来器件级氧化镓纳米带制备提供有益的参考.
2020, 69 (16): 168201.
doi: 10.7498/aps.69.20200411
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用Monte Carlo方法模拟研究了一条自由高分子链在分子刷表面吸附的静态和动态特性. 结果表明, 随着自由链与分子刷之间吸附作用能(ε)的增大, 自由链出现由脱吸附态到吸附态的相转变, 同时链的扩散由正常模式转为亚扩散模式. 临界吸附能(εC)几乎与自由链长度无关, 但随着分子刷链长度的减小或分子刷链间距的增大而不断增大. 在εC附近, 自由链嵌入分子刷内部, 同时链尺寸达到极小, 而当ε $\gg $ εC时, 自由链处于强吸附态, 链节主要分布于分子刷表层, 同时整个吸附动态过程可分为自由链吸附和分子刷扩散两个阶段.
2020, 69 (16): 168202.
doi: 10.7498/aps.69.20200074
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操控单个DNA分子, 将其有效引入、导出微纳通道是实现DNA生物芯片功能的前提条件. 本文利用单分子荧光显微成像技术系统地实时观察分析λ-DNA单分子在电场力驱动下进入/穿出50 μm通道端口处的电动力学特性及规律. 研究发现: λ-DNA分子能够顺利进入trans端口并穿出cis端口, 外加电场强度存在最大(Emax)和最小(Emin)阈值, 只有场强E满足: Emin≤E≤Emax时, λ-DNA分子才能进入trans端口并顺利穿出cis端口; 当电场强度小于最小阈值场强时, DNA分子不能进入trans端口; 当电场强度大于最大阈值场强时, λ-DNA分子虽可能从trans端口进入通道内部, 但不容易从cis端口穿出, 而是在迁移至通道内cis端口附近时, 运动方向反转、往复、甚至旋转等新现象, 并且易于粘附到管壁上; 随着场强增大, 反转位置距cis端口越大. 基于微流体电动力学理论, 对λ-DNA分子在微通道端口的不同运动状态的物理机制进行了初步分析. 本研究结果对研制基于微纳通道系统的基因芯片实验室及DNA分子传感器具有一定的实际指导意义.
2020, 69 (16): 168701.
doi: 10.7498/aps.69.20200397
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本文利用飞秒瞬态吸收光谱技术, 在近红外波段对Ge掺杂GaN(GaN: Ge)晶体进行了超快载流子动力学研究. 在双光子激发下, 瞬态吸收动力学呈现出双指数衰减, 其中慢过程寿命随着泵浦光强增加而增加. 瞬态吸收响应随着探测波长而单调增强, 并在约1050 nm处由空穴吸收占据主导. 利用简化模型模拟载流子动力学发现, GaN: Ge中碳杂质形成的深受主能级对空穴有很强的俘获能力, 并且引起了缺陷发光. 在较适中的载流子注入下, n型GaN中的载流子寿命可以通过控制缺陷浓度和载流子浓度来共同调控, 使其可应用于发光二极管和光通信等不同的领域.
2020, 69 (16): 168702.
doi: 10.7498/aps.69.20200171
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受激辐射损耗(stimulated emission depletion, STED)显微技术通过巧妙的光学设计, 利用纯光学的方法突破了光学衍射极限, 空间分辨率达到纳米量级, 并保留了荧光显微的许多优点. 然而, 高的损耗光强度限制了STED显微技术的广泛应用, 尤其在活细胞成像方面. 本文找到了一种新型的具有良好线粒体靶向性的STED探针, 具有较强的抗光漂白特性和较低的饱和擦除光强度3.5 mW (1.1 MW·cm–2), 利用该探针最高可获得62 nm的空间分辨率, 为活细胞线粒体STED超分辨成像提供了新的手段.
2020, 69 (16): 168703.
doi: 10.7498/aps.69.20200554
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荧光寿命显微成像技术(fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM)具有特异性强、灵敏度高、可定量测量等优点, 被广泛应用于生物医学、材料学等领域的研究. 为使FLIM技术更好地适用于高通量数据的快速分析, 近年来涌现出多种荧光寿命分析的新算法. 其中, 相量分析法(phasor analysis, PA)通过将时间域的拟合转化为频率域的直接计算来获得荧光寿命值, 与传统的最小二乘拟合法相比, 不仅更加简便快速, 适用于低光子数情形, 而且便于使数据内容可视化和对数据进行聚类分析, 因此越来越受到科研人员的青睐. 本文详细阐述了相量分析法的基本原理及运用方法, 并在此基础上介绍了该方法在细胞代谢状态测量、蛋白质相互作用研究、细胞微环境测量, 以及辅助病理诊断和提高超分辨成像分辨率等方面的应用, 着重讨论了PA法在这些FLIM应用实例中的优势所在, 为相关领域的研究提供有益的参考. 最后, 对荧光寿命数据的相量分析及其应用的发展方向进行展望.
2020, 69 (16): 168901.
doi: 10.7498/aps.69.20191162
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链接预测问题是复杂网络分析领域的重要问题. 现有链接预测方法大多针对静态网络, 忽视了动态信息在网络中的传播. 为此, 针对动态网络中的链接预测问题, 本文提出了一种基于动态网络表示的链接预测(dynamic network representation based link prediction, DNRLP)模型. 该模型对网络中不均匀的动态信息进行了学习, 提出了基于连接强度的随机游走算法来模拟动态信息在网络中的扩散, 从而得到新时刻下的节点表示, 然后通过度量节点表示之间的相似度进行链接预测. 实验使用平均交互排序(mean reciprocal rank, MRR)和召回率(Recall@k)指标在四个公开动态网络数据集上进行实验, 结果显示DNRLP模型的MRR指标较对比模型平均提高了30.8%. 实验结果表明DNRLP模型不仅学习了网络中的动态信息, 还考虑了其对邻居节点的影响以及时间间隔对信息更新的影响, 得到了更为丰富的节点表示, 对于链接预测任务具有明显优势.
地球物理学、天文学和天体物理学
2020, 69 (16): 169601.
doi: 10.7498/aps.69.20200041
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本文基于Learmonth等地面台站和Wind/WAVES, STEREO/SWAVES等卫星射电观测资料, 筛选了第24个太阳活动周2007年1月至2015年12月期间82个米波-十米百米波(meter-decahectometric, M-DH)、十米-百米波(deca-hectometric, DH)II型射电暴事件, 其中39个射电增强事件和43个非射电增强事件. 研究结果显示: 1)射电增强事件的日冕物质抛射(coronal mass ejection, CME)速度、质量、动能和耀斑等级普遍高于无射电增强事件的; 无论有无射电增强, 产生太阳高能粒子(solar energetic particle, SEP)事件的CME速度、质量和动能均明显大于无SEP事件的CME. 2)特征时间分析显示高能粒子起始释放时间普遍早于射电增强开始时间, 由此表明射电增强不是导致高能粒子事件产生的直接原因. 3)无论有无射电增强, SEP事件伴随的II型射电暴开始高度略低于无SEP事件的; 而II型射电暴结束高度, 产生SEP的事件明显高于无SEP的事件; 伴随射电增强的II型射电暴结束高度显著大于无射电增强事件, 即表明有射电增强事件中的激波更强且可持续到更高高度. 4)当快速CME完全扫过另一个先行CME时, CME相互作用更易产生射电增强, 而是否产生SEP无明显差异. 本文结果表明, 射电增强是CME激波与其他CME相互作用而增强的表现, 增强的激波可能增强粒子加速过程而更易产生大的SEP事件, 但射电增强并非产生SEP事件的直接原因.
