特邀综述
特邀综述
2020, 69 (19): 190701.
doi: 10.7498/aps.69.20200788
摘要 +
表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering, SERS)在分析检测领域中具有重要地位, 然而随着其不断发展, 贵金属SERS基底在实际应用中受到限制. 基于C, Ti, Zn, Cu, Mo, W等非贵金属纳米材料的SERS基底相比于贵金属基底具有更优异的经济性、稳定性、选择性以及生物相容性等, 逐渐被广泛研究和应用. 并且由于其化学增强占主导的特性, 非贵金属基底为SERS化学增强机理的研究提供了理想的平台. 因此, 本文对近年来非贵金属SERS基底的发展进行了综述, 讨论了不同材料的增强机理及SERS性能, 并探讨了其未来的研究与发展方向.
特邀综述
2020, 69 (19): 196401.
doi: 10.7498/aps.69.20200707
摘要 +
液固Gibbs自由能差是决定材料非晶转变的热力学关键因素, 但该参量在预测非晶转变和指导非晶成分设计方面仍有一些基本问题有待解决. 其中, 一个关键问题是: 作为Gibbs能差的两个核心要素, 焓与熵, 二者在决定和控制非晶转变中关系并不明确. 基于课题组系列研究结果, 本文就焓与熵在材料非晶转变中的协同性与独立性问题进行了全面探讨, 发现二者在决定非晶形成上具有很强的相关性. 理论分析和实验测量相结合, 展示了材料熔化熵与熔点粘度、混合焓等多个非晶形成经典参量之间的内在关联, 证实熔化熵与材料非晶形成之间的密切关联; 并从多个角度证实材料低熔化熵有利于非晶形成, 纠正了传统上基于经典形核理论得出的高熔化熵有利于非晶形成的认识. 研究也发现, 决定非晶形成的关键动力学与热力学参量, 如粘度和混合焓, 均可通过熔化熵得到表达. 进而论证了熔化熵在评估非晶形成、指导非晶成分设计中的可靠性和有效性, 由此提出熔化熵可作为理解指导材料非晶形成的代表性热力学参量. 系列成果为发展非晶形成热力学、深入理解材料非晶形成提供了参考与思路.
特邀综述
2020, 69 (19): 196602.
doi: 10.7498/aps.69.20200709
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以石墨烯和氮化硼为代表的二维材料为研究低维体系热传导及其相关界面热阻提供了一个绝佳的平台. 近年的研究表明, 二维材料热导率有着丰富的物理图像, 如长度效应、维度效应、同位素效应及各向异性等. 本文详细综述近十年来二维材料在热传导方面的研究进展. 首先简述二维材料热传导测量技术的原理及发展, 如热桥法、电子束自加热法、时域热反射法及拉曼法等; 其次, 介绍二维材料热传导及界面热阻的实验研究进展, 讨论其相关物理问题; 最后, 介绍二维材料在散热应用方面的研究进展, 并进行总结、指出存在的问题及进一步展望二维材料未来在散热领域的研究方向与前景.
总论
2020, 69 (19): 190301.
doi: 10.7498/aps.69.20200162
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测量设备无关量子密钥分发协议移除了所有测量设备的漏洞, 极大地提高了量子密钥分发系统的实际安全性, 然而, 该协议的安全密钥率相比于其他量子密钥分发协议来说仍然是较低的. 目前, 利用高维编码来提升量子密钥分发协议的性能已经在理论和实验上都得到证明, 最近有人提出了基于高维编码的测量设备无关量子密钥分发协议, 但是由于所提出的协议对实验设备性能有更高的要求, 所以在实际应用上仍然存在许多困难. 本文提出一种基于偏振和相位两种自由度的混合编码测量设备无关量子密钥分发协议, 并且利用四强度诱骗态方法分析该协议在实际条件下的安全性, 最后数值仿真结果表明, 该协议在实际条件下40 km和50 km处的最优安全码率相比于原MDI-QKD协议分别提升了52.83%和50.55%. 而且, 相比于其他基于高维编码的测量设备无关量子密钥分发协议来说, 本文提出的协议只要求本地用户拥有相位编码装置和偏振编码装置, 探测端也只需要四台单光子探测器, 这些装置都可以利用现有的实验条件实现, 说明该协议的实用价值也很高.
2020, 69 (19): 190302.
doi: 10.7498/aps.69.20200244
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多数传统的指定验证者签名方案无法抵抗量子计算机的攻击. 本文给出一种具有强安全性的指定验证者量子签名方案. 在方案中, 参与方利用量子密钥分配协议和量子直接通信协议共享密钥. 密钥生成中心制备Bell态序列并将其分配给签名者和指定验证者. 签名者利用其密钥和受控量子态对消息进行签名. 同时, 指定的验证者可以利用对称的签名步骤对量子签名进行仿真. 而验证者仿真的量子签名与签名者产生的量子签名完全一样. 这使得量子签名具有不可传递的属性. 本文所给出的签名方案可以抵抗伪造攻击, 截获重放攻击和木马攻击. 并且, 其理论上的信息安全属性可以得到证明. 同时, 密钥生成中心无需完全可信. 方案无需使用量子单向函数. 当产生量子签名时, 签名者无需制备纠缠态序列. 当验证签名时, 验证者无需执行量子态比较算法. 方案的量子比特效率达到100%. 因此, 与类似方案相比, 本文所给的方案具有较好的安全性和效率.
2020, 69 (19): 190601.
doi: 10.7498/aps.69.20200281
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激光外差干涉测量技术是微振动探测的重要手段, 随着微纳应用的拓展, 人们对精密测量系统的相位检测灵敏度提出了更高的要求. 传统提高测量灵敏度的方法有优化外差干涉系统方案、改进相位重建算法和降低关键器件噪声等. 本文提出了一种多光束混合干涉的相位增强方法, 经过理论推导和实验验证得到如下近似条件: 校正光与信号光的初相位相差π rad情况下, 两光束的功率越接近, 系统对目标的弱振动振幅响应越大. 实验设计的两光束功率相差1%时, 观察到了最大146 倍的增强效果, 该方法在微振动物体高灵敏度测量上具有较大的应用价值, 在现有器件指标和相位解调算法不变的基础上可大幅提高外差干涉测量系统的探测能力.
核物理学
2020, 69 (19): 192401.
doi: 10.7498/aps.69.20200064
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电子器件中的半导体材料经过中子辐照后产生大量位移损伤, 进而影响器件性能, 氮化镓(GaN)材料是第三代宽禁带半导体, GaN基电子器件在国防、空间和航天等辐射服役环境中具有重要应用. 本文利用蒙特卡罗软件Geant4模拟了中子在GaN材料中的输运过程, 对在大气中子、压水堆、高温气冷堆和高通量同位素堆外围辐照区四种中子辐照环境下GaN中的初级反冲原子能谱及加权初级反冲原子能谱进行了分析. 研究发现: 在四种辐照环境下GaN中初级反冲原子能谱中, 均在0.58 MeV附近处出现不常见的“尖峰”, 经分析该峰为核反应产生的H原子峰, 由于低能中子$ ({\rm{n}},{\rm{p}})$ 反应截面较大, 该峰的强弱和低能中子占总能谱的比例有关; 通过对比四种中子辐照环境下GaN中初级反冲原子能谱分布可知, 大气中子能谱辐照产生的初级反冲原子能量更低、分布范围更广, 裂变堆能谱下较高能量的初级反冲原子的比例较大, 大气中子和高通量同位素堆辐照环境下的初级反冲原子能谱与加权初级反冲原子谱形状更相似, 结合核反应产物对电学性能的影响, 高通量同位素堆外围辐照区更适合用于模拟GaN在大气中子环境下的辐照实验. 该结果对GaN基电子器件在辐射环境下长期服役评估研究和GaN材料的反应堆模拟中子辐照环境实验研究具有参考价值.
原子和分子物理学
2020, 69 (19): 193101.
doi: 10.7498/aps.69.20200756
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基于密度泛函理论结合粒子群优化算法程序CALYPSO研究了掺Be硼团簇BeB$ _{n}^{ 0/–} $ (n = 10—15)的基态几何结构; 然后采用密度泛函理论分析了最低能量结构的电子结构、极化率、红外光谱、紫外可见光谱特性. 研究结果表明: BeB$ _{10}^{ 0/–} $ , BeB$ _{11}^- $ , BeB$ _{12}^{0/−} $ , BeB$ _{14}^- $ 具有平面或准平面结构; BeB11, BeB13, BeB$ _{13}^- $ , BeB14分别具有半三明治结构、圆锥结构、笼型结构、压扁的管状结构; BeB$ _{15}^{0/−} $ 呈现手性对称结构. 自然布居分析(NPA)表明掺杂Be原子将电子转移给硼原子. 团簇的平均结合能分析可得, 阴离子比相应中性团簇的稳定性强; 另外, 随着n的增加, 中性和阴离子团簇的稳定性增强. 准平面结构BeB10, BeB$ _{11}^- $ , BeB12团簇的适应性自然密度划分(AdNDP)分析表明, σ 键促进了整个分子的稳定性, 多中心π键进一步稳定了整个分子; 另外, 这三个团簇满足6个π电子Hückel规则(4m + 2), 具有芳香性. 极化率分析可得, 平面或准平面结构的每个原子的平均极化率大于其它结构, 说明平面或准平面结构的电子离域效应较大; BeB$ _{13}^- $ , BeB$ _{14}^- $ 具有较大的第一超极化率, 说明具有较强的非线性光学响应. 红外光谱分析表明这些团簇具有不同的特征峰, 可用于鉴别这些结构; 闭壳层结构团簇的紫外可见光谱在可见光波段都有吸收峰, 开壳层结构团簇的紫外可见光谱在红外光波段都有吸收峰.
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2020, 69 (19): 193102.
doi: 10.7498/aps.69.20200651
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应用反应力场分子动力学方法, 模拟了单层氧化石墨烯在径向压缩作用下的褶皱过程, 研究了含氧基团(羟基、环氧基)对氧化石墨烯褶皱行为以及褶皱球结构稳定性的影响. 当石墨烯仅含羟基时, 该类氧化石墨烯呈现出“推进式”的褶皱行为, 而当石墨烯仅含环氧基时, 该类氧化石墨烯则呈现出片层与片层“贴合式”的褶皱行为. 褶皱行为的不同决定了氧化石墨烯最终褶皱球结构的差异. 通过分析原子级势能增量分布与C—C成、断键位置之间的关系, 发现氧化石墨烯上C—C成、断键主要发生在变形较为严重的区域, 且相较于羟基, 环氧基对与其连接的C—C键具有更强的削弱作用. 为了研究氧化石墨烯褶皱球的结构稳定性, 模拟了其在无约束条件下的释放过程. 发现氧化石墨烯褶皱球的结构稳定性取决于其中C—C成、断键数量, 即C—C成、断键的数量越多, 结构越稳定, 且在同一氧化率下, 褶皱球的结构稳定性随环氧基比例的增大而提高. 本研究表明, 通过改变氧化石墨烯片层上含氧基团的相对比例, 可实现对其褶皱球稳定性的控制.
2020, 69 (19): 193201.
doi: 10.7498/aps.69.20200513
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超冷原子气体的量子相变是研究量子关联多体物理的核心内容之一. 本文采用单一激光光束通过折叠反射产生二维光晶格, 通过控制激光偏振产生两种不同的二维光晶格结构, 一种是两个独立的一维光晶格构成, 另一种是两个方向的一维光晶格互相干涉形成. 将超冷87Rb原子装载到二维光晶格中, 通过改变光晶格激光功率调控原子在光晶格中的隧穿强度和相互作用强度, 观察到87Rb原子从超流态到Mott绝缘态之间的量子相变, 并且分析了两种光晶格对量子相变的影响, 为今后开展光晶格中强关联物理研究奠定基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2020, 69 (19): 194101.
doi: 10.7498/aps.69.20200501
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基于高频天线产生低频电磁波信号, 实现多波段信号对目标的照射, 不仅有可能减小低频天线尺寸, 而且可能成为提高雷达目标探测性能的一种途径. 本文将多普勒效应与阵列天线结构相结合, 基于对阵列中各辐射单元的信号时序、相位和间距等参数的控制, 提出了一种在目标区产生低频信号的方法. 本文给出了阵列参数的选择原则, 介绍了目标位于阵列方向和45°角扫描时的低频信号合成情况, 对存在辐射单元间距误差、相位误差、目标偏离预定位置以及等间隔稀疏条件下的合成信号性能进行了分析, 并采用峰值旁瓣比和积分旁瓣比来评价合成信号的性能. 将频率1 GHz载波信号合成为频率400 MHz信号的仿真分析结果, 表明了本文方法的有效性.
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2020, 69 (19): 194201.
doi: 10.7498/aps.69.20200532
摘要 +
对于含激波等大密度脉动结构气动光学流场, 沿着直线路径对折射率积分会带来较大的光程误差. 因此, 数值求解光线方程进行光线追迹是必要的. 与数值求解光线方程不同, 元胞自动机(cellular automata, CA)通过给定光线位置和方向变换规则来模拟光线在介质中传输路径. 本文基于已有的实验测量、数值仿真所获得的高超声速流场密度场数据, 分别采用数值求解光线方程法和CA光线追迹算法进行光线追迹, 进而得到光线出射流场后的光程差. 结果表明, CA算法对于二维气动光学流场中光线追迹的适用性, 且较数值求解光线方程方法具有更高的效率.
2020, 69 (19): 194202.
doi: 10.7498/aps.69.20200750
摘要 +
本文利用常压化学气相沉积方法, 在光子晶体光纤内孔壁上直接生长石墨烯薄膜, 实现了石墨烯-光纤复合材料的直接制备. 研究发现光纤中石墨烯层数和缺陷主要受生长温度、生长时间以及甲烷流量等参数影响. 拉曼光谱和扫描电子显微镜等表征结果表明: 石墨烯在光子晶体光纤孔内的生长均匀性良好, 适当的高温、较长的生长时间以及合适的甲烷流量有利于生长高质量的石墨烯. 石墨烯-光子晶体光纤复合材料的制备, 对基于光纤平台的石墨烯光电器件的研究、开发和应用有着重要的推动作用, 也为石墨烯全光纤集成应用提供了新的思路.
2020, 69 (19): 194301.
doi: 10.7498/aps.69.20200414
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流固耦合管路系统广泛应用于各种装备中, 通常用来传递物质和能量或者动量. 由于流固耦合效应, 管壁在流体作用下易产生强烈的振动与噪声, 对装备安全性、隐蔽性产生严重影响, 甚至造成严重破坏. 流固耦合管路振动抑制需求迫切, 意义重大. 声子晶体可以利用其带隙特性抑制特定频率范围内弹性波的传播, 在减振降噪领域具有广泛的应用前景. 本文基于声子晶体理论, 研究了流固耦合条件下的布拉格声子晶体管路冲击振动传递特性. 将传递矩阵法和有限元法相结合, 计算了能带结构与带隙特性, 重点考虑了流固耦合效应下, 不同冲击激励条件下声子晶体管路振动特性, 分析了流固耦合对声子晶体管路振动传递特性的影响. 研究结果为流固耦合条件下管路系统的振动控制提供了技术参考.
2020, 69 (19): 194701.
doi: 10.7498/aps.69.20200549
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镁颗粒因其能量密度高、点火特性和燃烧效率好的优势, 作为燃料或添加剂应用于爆震燃烧动力系统具有广阔的应用前景. 本文建立了镁颗粒-空气混合物的一维非稳态爆震波模型, 数值模拟爆震波传播过程及其内部流场分布. 研究结果表明, 爆震波传播过程中爆震波压力峰值和空间分布均存在小幅度波动. 考虑燃烧产物氧化镁在颗粒表面的沉积过程, 镁颗粒的反应速率和爆震波的稳定传播速度增大. 在考虑爆震管壁面损失的前提下, 随管径减小, 爆震波稳定速度和厚度均减小, 同时爆震波内未能反应的镁颗粒比例增大. 考虑壁面损失条件下, 爆震波稳定传播速度以及厚度均随颗粒初始粒径的增大而减小, 且镁颗粒初始为双粒径分布时对应的爆震波速度和厚度明显低于镁颗粒初始为统一单粒径的工况; 稳定传播速度随颗粒初始当量比的增大而先增后减, 厚度随初始当量比的增加单调递减. MgO熔化发生在CJ平面附近时, MgO熔化过程对爆震波传播稳定性无明显影响, 而爆震波厚度显著增大. 选取适当的点火区参数, 能够使爆震波达到稳定传播状态所经历的距离明显缩短.
气体、等离子体和放电物理
2020, 69 (19): 195201.
doi: 10.7498/aps.69.20200519
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利用MARS-F代码在HL-2A装置下模拟等离子体对共振磁扰动的线性响应过程, 研究了等离子体旋转频率对响应的影响. 研究发现, 扰动场在有理面上的屏蔽效应在旋转频率较大时随旋转增大而增强, 但在旋转频率较小时电阻导致的屏蔽效果最强处较有理面的偏移会影响这一规律; 扰动场在非有理面上的放大效应主要由芯部扭曲响应引起, 且同时与等离子体旋转频率和电阻密切相关.
2020, 69 (19): 195202.
doi: 10.7498/aps.69.20200559
摘要 +
磁准直是塑造天体外流形貌的重要机制, 它的有效性已经在激光等离子体实验中被无量纲验证. 本文在现有磁准直射流研究框架的基础上, 综合实验与模拟, 通过改变激光等离子体烧蚀靶材引入不同冷却和耗散强度, 以观察这些非理想效应对准直流形态的影响. 使用低原子序数靶时, 烧蚀外流和外加强磁场的相互作用满足理想磁流体条件, 外流形成了抗磁空腔和沿磁场延展的射流; 而采用高原子序数靶时, 准直结构被磁扩散破坏, 强烈的冷却使得外流停滞, 形成与靶面分离的弱准直磁化密度团. 无量纲分析表明, 磁扩散对实验室等离子体准直形态的破坏, 有可能推广解释原恒星射流在大尺度上的消散; 而强耗散等离子体展现的弱准直腔与密度堆积, 有可能用来类比行星状星云中的弱极化椭球形腔体, 以及腔体头部的发光团簇. 本文通过考察实验室磁化等离子体演化, 支持了非理想效应能够塑造天体外流的理论猜想, 对研究非相对论性天体外流形态的形成机制具有重要参考意义.
2020, 69 (19): 195203.
doi: 10.7498/aps.69.20200672
摘要 +
交流旋转滑动弧放电能够在大气压下产生大面积、高活性的非平衡等离子体. 为了研究交流旋转滑动弧的滑动放电模式、放电特性及光谱特性, 本文采用高速相机与示波器同步采集旋转滑动弧的放电图像和电信号, 采用光谱仪采集光谱信号, 分析旋转滑动弧运动过程中电弧的动态行为、电信号及光谱信号特征. 实验结果表明, 旋转滑动弧放电过程中存在两种不同的滑动放电模式, 即伴随击穿滑动放电模式(B-G模式)与稳定滑动放电模式(A-G模式). 其中B-G模式以电弧旋转滑动过程中伴随击穿-熄灭-击穿的高频击穿现象为主要特征, 而A-G模式以持续稳定的连续电弧滑动为主要特征. 本文讨论了工作参数影响滑动弧放电模式、放电特性及光谱特性的工作机制. 研究发现, 电弧的放电模式和放电特性是激励电压与气体流量共同作用的结果. 当气体流量较大、激励电压较小时, 滑动弧为B-G模式主导的高频击穿不稳定放电; 而当激励电压较大、气体流量较小时, 滑动弧则为A-G模式为主导的稳定滑动放电.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2020, 69 (19): 196101.
doi: 10.7498/aps.69.20200665
摘要 +
采用分子动力学模拟研究了钽(Ta)过冷液体的等温晶化过程, 并用双体分布函数g(r)和最大标准团簇等方法表征和分析了体系的微结构演化特性. 结果表明, Ta过冷液体的晶化过程敏感地依赖于过冷度, 临界晶核形成孕育时间随过冷度的增加而减小. 1800 K ≤ T ≤ 1850 K, Ta过冷液体的晶化遵循Ostwald的分步规则: 过冷液体中首先形成大量由Z12和Z14团簇铰链的中程序(即Z-MRO); 随后Z-MRO长大并有序化为A15晶体相; 最后体心立方(BCC)晶核在A15相内部快速长大成BCC晶体. 而在1900 K ≤ T ≤ 1950 K, 过冷液体直接向A15相转变. A15相由最大尺寸的Z-MRO不断兼并周围小尺寸的Z-MRO并有序化形成.
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2020, 69 (19): 196102.
doi: 10.7498/aps.69.20200836
摘要 +
退火是石墨烯宏观组装材料常用的制备工艺之一, 广泛用于其性能的调控. 在石墨烯基材料中, 石墨烯片层由于其自身的二维特性通常在微纳米尺度下呈现出多层折叠的结构. 然而这种微观结构对材料力学性能退火调控的影响仍未得到充分的了解. 为了阐明多层折叠石墨烯力学性能与退火温度间的调控关系, 基于分子动力学模拟研究了材料弹性模量、拉伸强度、极限应变以及断裂韧性等关键力学性能参数随退火温度的变化规律, 进而结合观察微观结构的演化过程揭示了性能调控现象的物理机制. 结果表明: 更高的退火温度将增强多层折叠石墨烯的弹性模量与拉伸强度, 但同时削弱了其极限应变, 并且其断裂韧性能够在一定退火温度范围内实现强化. 研究发现, 以上力学性能的调控作用归因于更高的退火温度将造成更加密集的层间交联, 从而增强了折叠区域层间界面的相互作用, 并限制了折叠结构的形态展开, 致使结构破坏模式发生转变.
2020, 69 (19): 196601.
doi: 10.7498/aps.69.20200737
摘要 +
硅橡胶具有绝缘、耐热等优势, 在热界面材料中具有重要的应用. 通过非平衡分子动力学方法计算了不同交联密度下的热导率. 结果表明随着交联密度的变大, 热导率逐渐升高. 80%的交联密度可以使热导率提高40%, 这是由于交联形成的空间网状结构缩短了热量沿着原子链传递的长度, 使热导率有较大的提升. 在相同交联密度下, 键位置对热导率影响较小, 端部交联和中间交联时热导率没有显著差异. 但是交联活性点的间隔增加有利于热导率提高. 计算了不同交联密度下的声子态密度, 分析交联结构的导热机理.
2020, 69 (19): 196801.
doi: 10.7498/aps.69.20200539
摘要 +
采用第一性原理计算方法, 通过在吸附了H2, H2O, CO, NH3, NO, NO2等气体分子的单层GeSe上施加–8%—8%的双轴向应变, 从微观角度阐明应变对吸附体系电子性质的影响及其内在机理. 计算结果表明, 对于CO, NH3和NO气体分子在–8%—8%, 以及NO2分子在–8%—6%的双轴向应变范围内, 单层GeSe具备成为气体传感器的应用潜力. 较大的压缩应变(–6%—–8%)有助于提高单层GeSe对CO和NO气体的响应速度和敏感性.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2020, 69 (19): 197101.
doi: 10.7498/aps.69.20200644
摘要 +
关于过渡金属掺杂TiO2是否会产生室温铁磁性及其磁性的来源存在争议, 为了解决此问题, 本文采用基于密度泛函理论下的GGA+U方法对体系Ti0.875X0.125O2 (X = Cr, Mn, Fe, Co)的磁学性质及光学性质进行了第一性原理的研究. 首先计算了铁磁和反铁磁的基态能量, 比较后推测出铁磁态为它们的基态; 分析能带结构发现Ti0.875Cr0.125O2和Ti0.875Mn0.125O2两种体系保持半导体性质, Ti0.875Fe0.125O2和Ti0.875Co0.125O2两种体系表现金属特性; 掺杂体系都产生了室温铁磁性, 磁性来源主要是过渡金属元素(Cr, Mn, Fe, Co)3d电子轨道诱导极化了周围的O-2p态自旋电子, 导致体系产生净磁矩而呈现铁磁性; 掺杂体系的吸收光谱均发生了红移, 有效扩展了对可见光的吸收范围.
2020, 69 (19): 197102.
doi: 10.7498/aps.69.20200848
摘要 +
基于第一性原理计算, 确定了3种稳定未被报道的Nb2SiTe4基化合物(A2BX4: Nb2SiSe4, Nb2SnTe4和Ta2GeTe4), 研究了其电子结构, 光学性质以及应力工程对其电子结构的调控. 计算结果表明上述3种化合物具有类似Nb2SiTe4的窄带隙值、强的光吸收性能以及显著的光学各向异性, 可用于光电器件之中. 其晶格常数范围为6.04 Å ≤ a ≤ 6.81 Å, 7.74 Å ≤ b ≤ 8.15 Å. Ta2GeTe4的晶格参数与Nb2SiTe4几乎相同, 带隙值减小了0.15 eV, 可应用于远红外光探测. 应力工程表明外加双轴拉伸应力可减小A2BX4体系带隙值. 外加双轴压缩应力时, A2BX4体系价带顶轨道可出现反转(Nb2SiTe4, Nb2GeTe4和Ta2GeTe4), 由B位阳离子占据态d轨道主导转变为B位阳离子占据态d轨道与X位阴离子满p轨道共同主导, 导致带隙值变化趋势异常. 我们预测该价带顶轨道的反转可有效降低空穴有效质量, 促进载流子的迁移, 有助于器件性能的提升.
2020, 69 (19): 197301.
doi: 10.7498/aps.69.20200104
摘要 +
在超快激光激发下分子聚集体内有多个激子产生. 针对具有链间耦合的双分子链系统, 应用密度矩阵理论, 在偶极-偶极近似和算符算术平均值近似下通过求解量子主方程计算了不同双链构型下的多激子动力学过程. 研究发现在光激发作用下的多激子离域在双链分子系统中, 在能量表象下形成激子态能带. 激子态能带的宽度和激子占据能级随双分子链构型的不同而不同. 对于链间和链内均为H型排列的分子链, 激子态能带变宽, 激子态优先占据在高阶能级上. 在不同能级下的激子具有不同的动力学演变特点. 若链间耦合较强, 激子态通过链间耦合传递, 与分子是否直接受到激发没有直接关系, 激发态在两个链内的转移周期与最近邻的链间耦合有直接关系.
2020, 69 (19): 197701.
doi: 10.7498/aps.69.20200655
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热效应是影响半导体器件发光性能的最关键因素之一. 本文针对光学气化过饱和析出法制备的本征富受主型ZnO微米管, 系统研究了其光致发光的温度调控机制. 研究表明, 所制备ZnO微米管具有规则的六边形截面形貌, 长度达5 mm、直径达100 μm, 室温下的光学带隙约为3.30 eV; 随着环境温度的提高, 其光致发光强度呈现“热淬灭-负热淬灭-热淬灭”的反常变化. 在80—200 K温区内的热淬灭行为与浅施主的退/电离、自由激子热离化以及中性受主束缚激子的转变有关; 在200—240 K温区内发生的负热淬灭行为与导带底以下488 meV处深能级陷阱上电子的热激发有关; 在240—470 K温区内发生的热淬灭行为则与导带底以下628 meV处非辐射复合中心的Shockley Read-Hall复合有关. 非辐射复合中心和陷阱中心的形成均与本征富受主型ZnO微米管的氧空位缺陷有关. 上述研究结果在高温高效富受主型ZnO微米管基光电器件的设计与研发方面具有重要指导意义.
2020, 69 (19): 197801.
doi: 10.7498/aps.69.20200580
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本文采用磁控溅射技术, 对F和Al共掺杂ZnO (FAZO)薄膜进行研究, 系统地研究了溅射气压对薄膜结构、形貌、光电等特性的影响. 实验研究结果表明: F, Al共掺入并未改变ZnO的生长方式, 所制备的薄膜都呈(002)择优生长; 随着溅射气压增加, FAZO薄膜的沉积速率降低, 结晶质量恶化, 表面形貌由“弹坑状”逐渐变为“弹坑状”与“颗粒状”并存的形貌特性, 表面粗糙度增加. 在0.5 Pa时制备的FAZO薄膜性能最优, 迁移率40.03 cm2/(V·s), 载流子浓度3.92 × 1020 cm–3, 电阻率最低, 为3.98 × 10–4 Ω·cm, 380—1200 nm平均透过率约90%. 理论模拟结果表明: F和Al的共掺杂兼顾了F, Al单独掺杂的优点, 克服了以往金属元素掺杂仅依靠金属元素轨道提供导电电子的不足, 实现了既增加载流子浓度又减少了掺入原子各轨道间相互作用对载流子散射的影响. 掺入的F 2p电子轨道对O 2p及Zn 4s电子轨道产生排斥, 使它们分别下移, 提供导电电子; 同时掺入的Al的3s和3p电子轨道也为导电电子提供了贡献. F和Al共掺之后载流子浓度提升更加显著, 导电性能增强.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2020, 69 (19): 198101.
doi: 10.7498/aps.69.20200641
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设计了一种加载集总电阻的单极化低频透射吸波型频率选择表面(absorptive frequency selective surface, AFSS). 该结构由二维有耗频率选择表面(FSS)阻抗屏和三维带阻FSS级联组成. 利用集总电阻加载的容性FSS和高选择性的三维宽阻带FSS实现了超宽带通响应以及低剖面、高选择性特性. 仿真结果显示设计的吸波型频率选择表面通带为1—3.5 GHz, 吸波频段为6.6—11.6 GHz, 通带与吸波频段的过渡带比为1.9. 最后制作实物进行了实验验证, 测试结果与仿真基本一致, 充分验证了设计的有效性和正确性.
2020, 69 (19): 198102.
doi: 10.7498/aps.69.20200701
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三维有机无机杂化钙钛矿因其优异的光电性能被视为光电领域极具前景的材料, 但其在湿度环境下的不稳定性成为制约产业化进程的关键因素之一. 本文采用一步溶液法成功制备了碘化铅基二维钙钛矿(PEA)2(MA)n–1PbnI3n + 1 (n = 1, 3 ,6, 20, 30), 对钙钛矿的维度及微观结构进行调控, 并将其应用作为薄膜晶体管(TFTs)器件的半导体沟道层. 实验结果表明, 独特的二维层状结构和量子约束效应有效地抑制了器件的环境不稳定性和离子迁移现象, TFTs器件性能得到提高. 基于准二维Quasi-2D (n = 6)钙钛矿的薄膜晶体管器件空穴迁移率(μhole)达到3.9 cm2/(V·s)、阈值电压为1.85 V、开关比高于104. 首次提出将准二维有机无机杂化钙钛矿材料应用到薄膜晶体管中, 为制备高性能、高稳定性的薄膜晶体管器件提供了新的思路.
编辑推荐
2020, 69 (19): 198201.
doi: 10.7498/aps.69.20200230
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本文利用共振增强的飞秒受激拉曼光谱技术结合瞬态吸收光谱技术研究了光致产酸剂Pyranine发色团分子在水溶液中与醋酸根离子之间的光致激发态质子传递过程. 实验中观测到了Pyranine发色团在400—1700 cm–1频率范围内去质子化状态下的激发态拉曼振动光谱. 同时在920 cm–1 处也观测到了质子化醋酸根离子中激发态碳-碳单键伸缩拉曼振动信号. 通过对激发态质子传递中给体和受体的动力学的分析得到了在该条件下的激发态质子传递的速率.
2020, 69 (19): 198401.
doi: 10.7498/aps.69.20200383
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作为一种紧凑型高功率微波器件, 磁绝缘线振荡器在起振过程中容易出现模式竞争现象, 如果不能对其进行有效抑制, 可能导致器件的最终输出性能下降. 由于磁绝缘线振荡器中波束互作用区通常采用同轴盘荷波导作为其慢波结构, 因此本文从同轴盘荷波导中几个可能被相对论电子束激发的低阶本征模与电子束之间的色散关系入手, 分析了三种类型的模式竞争的特点、产生的可能原因以及削弱方法. 基于以上分析, 给出了一种高功率紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的物理模型, 并利用全电磁三维粒子程序对其进行了冷腔和热腔的数值模拟. 结果表明, 由于结构不完全对称和电子发射可能存在一定的非均匀性, 器件运行初期互作用区有竞争模式HEM11模出现, 与理论分析一致；起振一小段时间后(10 ns左右), 互作用区基模增长加快, 高阶模被抑制. 进一步优化后器件在基模获得了高效率和高功率微波输出, 饱和时输出功率约为8.1 GW, 输出效率达到了18%, 模式纯度约为97%. 本文研究结果可为磁绝缘线振荡器运行过程中出现的竞争模式的识别和输出性能优化提供理论参考和依据.
2020, 69 (19): 198502.
doi: 10.7498/aps.69.20200228
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电压调控磁各向异性磁隧道结(voltage controlled magnetic anisotropy magnetic tunnel junction, VCMA-MTJ)作为磁随机存储器(magnetic random access memory, MRAM)的核心器件, 具有读写速度快、功耗低、与CMOS工艺相兼容等优点, 现已得到国内外学者的广泛关注. 然而随着VCMA-MTJ尺寸不断缩小、MRAM存储容量不断增大, 工艺偏差对MTJ性能的影响变得越来越显著, 甚至会引起VCMA-MTJ电路的读写错误. 本文在充分考虑磁控溅射薄膜生长工艺中自由层厚度偏差(γtf)、氧化势垒层厚度偏差(γtox)以及离子束刻蚀工艺中由侧壁再沉积层引入的刻蚀工艺稳定因子(α)偏差影响的情况下, 给出了基于工艺偏差的VCMA-MTJ电学模型, 并将该模型应用到VCMA-MTJ读写电路中, 研究了工艺偏差对上述电路读写错误率的影响. 结果表明: 当γtf ≥ 13%, γtox ≥ 11%时, VCMA-MTJ将无法实现磁化状态的有效切换; 当α ≤ 0.7时, VCMA-MTJ磁化方向的进动过程变得不稳定. 进一步地, VCMA-MTJ电路的读错误率和写错误率也将随着工艺偏差的增大而增大. 研究表明, 通过增大外加电压(Vb)和减小外加电压脉冲宽度(tpw)可有效降低VCMA-MTJ电路的写错误率, 增大电路的读驱动电压(Vdd)可有效降低VCMA-MTJ电路的读错误率.
2020, 69 (19): 198701.
doi: 10.7498/aps.69.20200674
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相比于传统基于毛细管或针孔的 X 射线成像系统, 编码孔径成像系统具有结构简单、灵敏度高、扩展性强等优势，使其在 X 射线荧光成像中极具潜力. 本工作应用新型编码孔径成像计算模型, 设计了一种基于可分离编码的X射线成像系统. 利用Geant4蒙特卡罗仿真对系统的性能进行了研究, 并根据快速迭代收缩阈值算法进行了图像重建. 模拟及分析结果显示, 近场成像时, 与传统基于卷积模型的成像系统不同, 该系统的性能不受准直效应的影响. 成像系统的空间分辨率约为65 μm, 并能够准确地重建出不同能量的线源和形状复杂物体的图像. 重建图像的质量受校准时所用X射线能量和物体发射X射线能量的影响, 两者差异越小, 重建图像的质量越高. 三维重建结果显示, 系统能够从单次获取的二维投影图像, 正确地重建出物体与系统的距离, 轴向空间分辨率约为1.1 mm.
2020, 69 (19): 198801.
doi: 10.7498/aps.69.20200624
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有机材料的“窄吸收”特性制约了有机太阳能电池(OPVs)性能的进一步突破, 二元体异质结薄膜难以实现对太阳能的有效宽光谱利用. 三元OPVs在二元体系中引入吸收互补的第三组分, 能够增强器件光吸收, 实现光电转化效率的大幅提升. 近年来, 非富勒烯受体材料的飞速进展, 多次刷新有机太阳能电池最高效率记录, 丰富并扩展了三元受体材料的选择范围. 本文以非富勒烯受体材料Y6作为第三组分材料, 高效率非富勒烯太阳能电池PBDB-T-2F: IT-4F作为基础二元器件, 研究并分析了以双非富勒烯材料为受体的三元有机太阳能电池工作机理. 通过光电特性分析, 发现Y6的引入不仅能够增强器件近红外区域的光吸收能力, 而且能够有效抑制双分子复合, 提高电荷取出率, 从而提高器件能量转换效率. 通过调节Y6在三元体系中的质量百分比, 在Y6占比为20 wt%时, 器件实现最高的能量转换效率12.48%, 相比于基础二元器件(10.59%)实现了17.85%的性能提升.
综述
封面文章
2020, 69 (19): 198501.
doi: 10.7498/aps.69.20200742
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随着显示技术的不断发展, 高度微型化和集成化成为显示领域主要的发展趋势. 微米发光二极管(light-emitting diode, LED)显示是一种由微米级半导体发光单元组成的阵列显示技术, 在亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度和稳定性等方面相比于液晶显示和有机发光二极管显示均具有巨大的优势, 应用前景十分广阔, 同时也被视为下一代显示技术. 目前商用的5G通信技术与显示领域的虚拟现实、增强现实和超高清视频等技术的结合, 将进一步推动微米LED显示产业的发展. 在面临发展机遇的同时, 微米LED显示领域也存在着一些基础科学技术问题需要解决. 本文主要总结了微米LED显示从2000年以来的一些研究进展, 重点介绍了微米LED显示在外延生长和芯片工艺两方面存在的主要问题和可能的解决方案. 在外延生长方面主要介绍了缺陷控制、极化电场控制和波长均匀性等研究进展, 芯片工艺方面主要介绍了全彩色显示、巨量转移和检测技术等进展情况, 并对微米LED显示在这两方面的发展趋势进行了讨论.
