专题: 柔性电子
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2021, 70 (10): 100703.
doi: 10.7498/aps.70.20210023
摘要 +
柔性压阻式压力传感器作为柔性压力传感器的重要分支, 具有结构简单、灵敏度高、工作范围大、响应速度快及稳定性高等特点, 在人类运动行为探测、健康监测、仿生电子皮肤开发及人机交互等领域均具有潜在发展需求. 但是截至目前, 如何同时实现低成本、高性能、低能耗和自驱动仍旧是柔性压阻式压力传感器未来所面临的挑战, 而新型传感机制的开发、新型功能化纳米材料的融合及柔性器件的新型制备工艺将是未来发展的方向. 本文综述了近年来柔性压阻式压力传感器的研究进展, 从传感机制出发, 对柔性压阻式压力传感器的活性层材料种类和微结构设计类型进行了总结, 最后对其未来的潜在应用进行了展望.
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2021, 70 (10): 100705.
doi: 10.7498/aps.70.20202157
摘要 +
柔性可穿戴电子设备因其在人工智能、健康医疗等领域的应用而受到了人们的极大关注. 然而, 如何降低功耗或实现自供能一直是阻碍其广泛应用的瓶颈. 随着纳米发电机与自驱动技术的兴起, 尤其以摩擦纳米发电机(TENG)与压电纳米发电机(PENG)代表的研究, 为解决可穿戴传感器电源的问题提供了可行的方案. TENG和PENG分别基于摩擦起电效应与压电效应, 可以将机械能转化为电能, 同时具备可拉伸性、生物相容性和自愈性等优良特性, 已经广泛应用于自驱动的触觉传感器的设计制备中, 并作为下一代可穿戴电子设备的技术基础展现出巨大的应用潜力. 基于该领域的最新进展, 本文对TENG与PENG的机理进行概述, 对其性能优化途径进行归纳, 再结合材料、器件的设计等讨论应力应变与分布、滑移等纳米发电机自驱动传感器的制备与应用研究. 最后, 对自驱动触觉传感器目前存在的问题与挑战进行讨论, 并对未来的发展进行展望.
总论
封面文章
2021, 70 (10): 100201.
doi: 10.7498/aps.70.20202066
摘要 +
采用平均场近似的方法, 分别研究了Jaynes-Cummings晶格模型和Rabi晶格模型的量子相变: Mott绝缘体相-超流体相量子相变, 探索了光的聚束-反聚束行为, 研究了Kerr非线性作用对量子相变与光子统计特征的影响. 研究结果表明, 在Rabi晶格模型中二能级原子和光子相互作用强度g和格点之间光子跃迁强度J的增大会使晶格体系从Mott绝缘体相向超流体相转变, 同时, 光子统计行为由聚束转变为反聚束, 而Kerr非线性强度的增大抑制了Mott绝缘体相-超流体相相变, 但促进了光子聚束与反聚束之间的转变.
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2021, 70 (10): 100301.
doi: 10.7498/aps.70.20202133
摘要 +
基于与各自的级联环境相互耦合的三个独立的量子比特系统, 详细考察了强、弱耦合体系下腔-腔耦合强度Ω和腔衰减率Γ1对负性纠缠度、Bell非定域性和纠缠目击的影响. 结果表明: Bell非定域性和纠缠目击都可以出现猝死和猝生现象; Γ1 = 0时, 随着Ω的增加, 三者在历经短时阻尼振荡后, 均会随时间达到各自的稳定值, 且该稳定值随着Ω的增大而增大. 同时, 三者在弱耦合体系的量值或存活时间都优于强耦合体系. 此外, 非零Γ1对量子关联有着很大的负面效应. 于是, 为了更好地抑制量子关联损失, 进一步分析了弱测量和测量反转操作的有效调控作用, 得到一些有趣的结果.
2021, 70 (10): 100701.
doi: 10.7498/aps.70.20202012
摘要 +
光声和热声成像技术除激发源不同外, 可共用一套数据采集和处理系统, 具有天然的融合优势. 本文提出了一种基于镂空阵列的反射式光声/热声双模态成像技术, 该技术利用光纤与天线, 通过镂空阵列的开孔进行光声/热声信号激发, 使得激发光、微波和接收超声信号共轴, 构成明场光声/热声双模态成像模式. 通过对探头镂空部分晶元相位和幅值的补偿校准, 成功实现了3 mm直径塑料管、人体手臂、手背和脚背的双模态成像. 实验结果表明: 系统空间分辨率为0.33 mm, 双模态成像技术可同时提供组织的光学和微波吸收分布, 有助于肿瘤、糖尿病足等疾病的精准检测, 具有极广泛的临床应用前景.
2021, 70 (10): 100702.
doi: 10.7498/aps.70.20201723
摘要 +
线束在实际布线过程中存在空间布局特性, 其芯线数目大、空间任意弯曲以及位置不确定等特点给线束耦合干扰的建模与分析带来了挑战. 不确定性全线束模型耦合干扰的数值仿真对计算能力提出了更高要求, 甚至无法进行有效计算. 因此, 本文提出了不确定性捆扎弧形线束电磁耦合效应的广义简化建模方法, 考虑了捆扎线束内导线相对位置的不确定性. 基于高斯分布和样条插值方法, 建立了不确定性捆扎线束内导线的位置, 根据多导体传输线理论确立了等效线束的几何截面结构参数, 通过圆弧和正弦捆扎线束数值算例验证了本文方法的有效性.
2021, 70 (10): 100704.
doi: 10.7498/aps.70.20201892
摘要 +
近年来, 基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术已广泛应用于土木结构健康监测、灾害预警、国防安全等诸多领域, 振动等动态参量的实时传感和精准检测已成为备受瞩目的研究热点. 本文提出一种基于增益开关调制和双斜坡辅助的混沌布里渊光相关域分析传感技术, 实现高精度、大范围动态应变监测. 首先, 理论分析了单斜坡辅助系统中混沌激光固有的时延特征和功率随机波动特性对测量精度的影响和限制; 然后, 利用增益开关调制产生48.6 dB的高消光比脉冲, 使得混沌信号时延旁瓣和非零基底诱发的噪声场被大幅抑制, 仿真结果表明声波场信噪比提升3.31 dB, 实验测得混沌布里渊增益谱信号背景噪声比提升1倍, 动态应变测量精度由 ± 40.2 με提高至 ± 23.1 με; 最后, 利用双斜坡辅助技术, 消除混沌激光固有功率波动的影响, 动态应变测量精度进一步提升至 ± 8.1 με, 系统稳定性良好, 且动态范围仍保持800 με, 为现代传感网络的高精度、大范围动态应变监测提供了一种新的解决方案.
2021, 70 (10): 100706.
doi: 10.7498/aps.70.20210018
摘要 +
传统元胞自动机疏散模型中, 空间多划分为微观层面的精细网格, 难以对大范围的疏散场景进行模拟. 基于此, 本文结合行人流的运动特征, 建立了应用于大尺度人员疏散场景的人员疏散介观元胞自动机模型. 该模型以道路元胞划分替代平面网格元胞划分方式, 并引入“源加载”元胞加载模拟场景内疏散人员, 建立元胞间状态转移方程模拟疏散过程中的人员运动. 应用该模型, 对高校校园进行疏散子网划分, 模拟应急疏散过程并规划疏散路径, 既可以对场景内宏观疏散情况进行分析, 又可以观测单个元胞的状态变化. 基于模拟结果, 能够发现实际疏散过程中可能存在的问题, 提出相应的改进指引和意见.
核物理学
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2021, 70 (10): 102101.
doi: 10.7498/aps.70.20201734
摘要 +
基于AME2016发布的基态原子核质量数据, 分别从模型的精度及实验预言的中子新幻数两方面系统比较分析了八个普适核质量模型的可靠性及预言能力. 分区系统的计算了八个核质量模型预言的核质量均方根偏差, 分析发现对现有实验数据精确度较好的是Bhagwat和WS4两个模型. 通过分析中子壳能隙随中子数的变化趋势发现KTUY, WS3和WS4三个模型可以较好地再现中子新幻数N = 32引起的突变行为, 预言了在Cl和Ar同位素链中N = 32极有可能是新的幻数. 通过分析超重区域α衰变能随中子数的变化趋势发现FRDM12, WS3和WS4三个模型均可以较好地再现N = 152, 162的子壳现象, 且预言了对于质子数Z = 108—114同位素链在N = 184处原子核的寿命相对较长.
原子和分子物理学
2021, 70 (10): 103201.
doi: 10.7498/aps.70.20210102
摘要 +
基于铯里德伯原子的电磁诱导透明效应, 当光与原子能级频率共振时, 色散将剧烈变化, 吸收减弱. 此时光脉冲在原子介质中传播时, 将会出现减速. 在铯原子阶梯型三能级$6 {\rm S}_{1/2}\rightarrow6 {\rm P}_{3/2}\rightarrow49 {\rm D}_{5/2} $ 系统中, 观察到由色散曲线陡峭变化导致的探测光脉冲减速现象, 并系统研究了耦合光强度和原子气室温度对光脉冲减慢的影响. 实验结果表明, 耦合光越弱, 延迟时间越长; 原子气室温度越高, 减速效应越明显, 与理论计算相符. 实验结果为之后进行的通过光脉冲减速效应测量微波电场提供了实验基础.
2021, 70 (10): 103301.
doi: 10.7498/aps.70.20201729
摘要 +
光电产额谱的实验和理论研究对所有涉及光电的材料和器件都很重要, 其中能够准确地从入射光子能量计算光电产额对最大限度地从光电产额谱获取光电材料和器件的电性能的微观信息至关重要. 本文在建立起光电产额谱满足的微分方程结合光电产额谱的特有实验结果之后找到了这个满足光电产额谱的特有实验结果下微分方程的解. 通过对实验数据进行最小二乘法非线性拟合既验证了这种方法获得的光电产额谱模型的正确性, 也得到了每一条光电产额谱的具体数学表达. 应用此模型不仅能尽可能精确可靠地计算出两种电性能略有不同的物质相互接触形成结的势垒高度, 而且由这个光电产额谱模型能够得到在结中的电子有效占有态的密度能级分布.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (10): 104101.
doi: 10.7498/aps.70.20201781
摘要 +
在基于光栅的X射线相衬信号的恢复方法中, 主要有相移法和傅里叶变换法两种方法. 相移法具有精度高、噪声小的优点, 但由于至少需要三幅图像才能恢复出相衬信号, 样品所受的辐射剂量大. 而傅里叶变换法只需一幅图像即可恢复出物体的相衬信号, 具有快速、实时的优点, 但恢复出的信号精度低, 易受伪影影响. 因此, 本文利用两幅图像傅里叶变换法恢复X射线相衬信号, 该方法能够有效地抑制相衬信号中由于频谱混叠所产生的伪影. 另外, 通过增加载波条纹的频率, 能够拉大频域中的频谱间隔, 从而进一步抑制伪影的产生.
2021, 70 (10): 104201.
doi: 10.7498/aps.70.20210104
摘要 +
全偏振成像能够获取目标更为丰富的信息, 在目标探测、大气特性研究和医学诊断等领域具有广阔的应用前景. 为了实现大视场天空区域全偏振信息的快速获取, 设计了一套全偏振大气偏振模式成像系统; 针对因系统传输矩阵“性态”的不同使得求解的目标Stokes矢量存在误差的问题, 通过分析传输矩阵的特性并建立目标函数, 将传输矩阵的优化转化为目标函数在多组条件下的求解, 确定了最优系统传输矩阵; 并对系统的四分之一波片的延迟量、偏振片的消光比以及传输矩阵进行标定. 通过开展优化前后偏振信息的对比实验, 结果表明: 优化后偏振角误差较优化前降低了10%以上; 偏振度和线偏振度中最大偏振度带的误差和中性区域的误差较优化前也有不同程度的下降. 在此基础上开展了外场全偏振信息测量实验, 结果表明系统满足设计要求, 能够有效地获取天空全偏振信息.
2021, 70 (10): 104202.
doi: 10.7498/aps.70.20201830
摘要 +
为准确分析皮秒拍瓦激光系统的频域放大特性, 通过引入钕玻璃实际受激发射截面, 建立了宽频带激光放大的精确模型, 对比分析了常用高斯线型近似的不足. 针对神光II高能拍瓦激光系统, 分析了不同线型下, 注入种子的光谱形状、中心波长以及能量稳定性对放大系统的影响. 结果表明: 实际线型会加剧增益窄化效应; 对于107 增益, 光谱将窄化为3 nm, 系统累积B积分增大至1.7; 窄化效应降低了注入种子中心波长的要求, 增益饱和会使输出能量稳定性提升近一倍. 在上述基础上, 进行了宽频带激光放大的实验研究, 对于注入的10 nm (FWHM)超高斯、1054 nm中心波长、3% (RMS)稳定性的参量放大种子, 实现了1900 J、中心波长1054.2 nm、谱宽3 nm的输出, 发次能量稳定性 < 1.8 %, 与分析结果一致. 本文结果将对国内基于钕玻璃的高能宽带激光装置建设和改进提供重要的参考依据.
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2021, 70 (10): 104203.
doi: 10.7498/aps.70.20201749
摘要 +
连续变量量子远程传态在构建连续变量量子计算以及量子信息网络中发挥着重要作用. 随着量子信息研究的深入发展, 人们对多组份的量子远程传态以及它的灵活多样性、可控性等方面提出了更高的要求. 本文提出了一种多功能量子远程传态网络的理论构建方案, 首先将两对Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态光场相互耦合, 获得具有特殊量子关联的4个光场模式, 然后以此为量子资源构建功能性完全不同的两类量子远程传态网络, 一类是仅能传送一个未知量子态的可控性量子远程传态网络, 一类是可以同时传送两个未知量子态的量子远程传态网络. 本文分别从控制方的数量、可传送未知量子态的数量、保真度等多方面分析了不同功能量子远程传态网络的应用特点及优势. 该方案中仅利用同一种量子资源实现了量子远程传态网络的多类型构建, 且量子资源的制备方式简易, 易于向更多组份扩展, 这些优势都为以后建立更大规模更加复杂的量子信息网络提供了更多更广阔的应用前景, 加快了量子信息实用化的步伐.
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2021, 70 (10): 104204.
doi: 10.7498/aps.70.20201778
摘要 +
基于大规模光通信中频分复用的需求, 本文以热原子的简并四波混频为模型, 研究了具有双频段特性的双信道增益光谱. 一束缀饰场诱导激发态能级发生分裂, 由于量子干涉效应, 四波混频信号的增益在双光子共振处被抑制, 从而使增益谱线的包络由单频段转变为“M”型的双频段结构. 同时, 缀饰场还提高了相干基态的原子布居, 进一步增强了四波混频信号的强度. 最终实验上在铯原子气室内获得了一对具备双频段的双信道高增益光谱, 并通过调节缀饰场的强度和频率失谐, 实现了对双增益峰频率间隔的有效操控.
2021, 70 (10): 104205.
doi: 10.7498/aps.70.20202034
摘要 +
本文提出采用可集成的激光器阵列后处理光反馈半导体激光器的输出, 进而获得无时延特征的优质混沌熵源, 进一步获取高速高品质随机数序列. 方案中采用常规的8位模数转换采样量化和多位最低有效位异或提取处理, 采用国际公认的随机数行业测试标准(NIST SP 800-22)来检验产生的序列. 结果表明, 通过激光器阵列后处理的混沌熵源所获取的随机数序列具有均匀的分布特性, 散点图无明显图案, 可以成功通过NIST SP 800-22的全部测试. 另外, 基于激光器阵列的可扩展性, 本方案可以拓展为可实现同时产生多路并行的高速高品质随机数发生器.
2021, 70 (10): 104206.
doi: 10.7498/aps.70.20202018
摘要 +
铋黄铜具有很好的机械加工性能且更为环保, 具有广泛的应用. 本文采用高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱技术来实现铋黄铜中微量元素的快速和高灵敏分析. 实验采用小型化光纤激光器作为剥离光源, 采用小型化光纤光谱仪采集光谱, 对铋黄铜中的铋、铅和锡三元素开展了定量分析. 实验确定等离子体的温度和电子密度分别为7962 ± 300 K 和1.049 × 10–17 cm–3. 在该条件下建立了铋、铅和锡三元素的校正曲线, 并得到了较好的拟合优度. 现有条件下三元素的检测限分别达到了25.5 × 10–6, 64.2 × 10–6和316.5 × 10–6. 其中锡的检出限较高, 与锡的原子谱线强度较弱有关. 结果表明, 采用小型化的高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱仪可以实现对铋黄铜中微量元素的便捷和高灵敏分析.
2021, 70 (10): 104207.
doi: 10.7498/aps.70.20201773
摘要 +
为表面增强相干反斯托克斯拉曼散射(surface enhancement coherent anti-Stokes Raman scattering, SECARS)提供具有高增强、稳定性好的等离激元增强基底是十分重要的. 本文从实际出发, 在理论上设计了一种新的SECARS基底, 其可以利用结构自身的杂化共振与额外激发的电荷转移等离子体共振相互作用产生Fano共振, 并通过调节电荷转移等离子体共振来改变Fano共振的波长位置. 通过对L-色氨酸1557 cm–1处的拉曼模式的数值模拟得到的数据表明, 这种具有空间对称性的结构可以产生多个不依赖入射光偏振方向的高增强热点, 这些热点处的信号相对于普通相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS)信号, 其增强因子普遍可以达到1012, 最大处可达到1014. 这种利用电荷转移等离子体来设计基底的方法可以在SECARS的实用性基底中得到应用并为其他非线性光学工艺的设计提供了新的思路.
2021, 70 (10): 104208.
doi: 10.7498/aps.70.20201825
摘要 +
信息化对高速大容量光纤网络的需求日益强烈, 空分/模分复用是继波分复用之后可使通信容量翻倍的新一代光纤通信技术. 本文提出了一种双沟槽环绕型十三芯五模光纤, 以满足未来对高速大容量信息传输的需求. 针对空分-模分复用中降低串扰的目标设计优化光纤, 采用双沟槽环绕结构, 将光能量更好地限制在纤芯内, 从而减小芯间和模间串扰. 利用全矢量有限元法与功率耦合理论相结合计算并分析多芯光纤的串扰和传输特性. 经过优化结构参数, 可使光纤在1.3—1.7 μm波段内稳定传输LP01, LP11, LP21, LP02, 和LP31 5个模式; 信号在1.55 μm波长处传输60 km时, 对应于以上5个模式相邻纤芯的芯间串扰分别为–122.37, –114.76, –106.28, –100.68, –92.81 dB, 相邻模式之间的有效折射率差大于1.026 × 10–3, 芯间和模间串扰可以被有效抑制; 5个模式对应的非线性系数分别为0.74, 0.82, 0.88, 1.26, 0.93 W–1·km–1, 均可保持低非线性传输. 该光纤结构简单紧凑, 可利用气相沉积法和堆叠法制备预制棒, 进一步拉制成具有低串扰低非线性的十三芯五模光纤, 可应用于长距离高速大容量光纤传输系统.
2021, 70 (10): 104301.
doi: 10.7498/aps.70.20202206
摘要 +
以声波为主要表现形式的膨胀过程和以旋涡为主要表现形式的剪切过程之间的非线性耦合问题一直以来都是流体力学的研究热点. 尤其是旋涡对声波的散射问题, 具有重要的科学意义与工程应用背景. 本文通过线性紧致格式直接数值求解二维欧拉方程, 获得了平面声波穿过均熵Taylor涡的散射特性. 与之前经典文献中的标准算例比较, 结果极其吻合, 直接验证了研究所采用的高精度高分辨率空间差分和时间推进格式以及远场无反射边界条件(缓冲区)的计算方法在时域同时解析动力学量和声学量(量级远远小于动力学量)的有效性. 通过引入散射截面, 将全区域的散射分为长波近似区、共振散射区和几何声学区. 针对每个子区域, 重点分析了无量纲尺度量旋涡强度和长度尺度比对散射声场的影响, 给出了散射声场关于上述两个关键无量纲参数的尺度律关系, 并且得到了极低马赫数极大波长时散射声场的分布函数. 在此基础上给出了关于旋涡声散射物理机制的一种解释.
2021, 70 (10): 104401.
doi: 10.7498/aps.70.20201802
摘要 +
微通道散热器在集成电路中具有重要应用, 但目前传统的长直微通道散热过程导致温度不均匀, 散热效率较低. 本文设计了一种周期性分流微结构并与传统微通道进行集成, 实现了一种高效率的周期性分流微通道散热器. 基于以上周期性分流微通道, 系统研究了单根微通道内微结构数目、微结构的排布方式及结构参数对其散热性能的影响. 结果表明, 引入的分流微结构可增大换热面积、打破原有层流边界层、促进冷/热冷却液混合、显著改善微通道散热性能. 在100 W/cm2的热流密度下, 入口端冷却液流速为1.18 m/s时, 单根微通道内引入9组微结构后, 其最高温度下降约24 K, 热阻下降约44%, 努塞尔数增大约124%, 整体传热性能(PEC)达1.465. 进一步地, 微结构采用交错渐变的周期排布方式, 沿流动方向逐渐变宽的扰流元使得冷却液被充分利用, 减少了高/低温区的存在且缓解了散热面沿流动方向存在的温度梯度, 压降损失相较于均匀排布也有一定程度的降低, 有效提升了散热效率. 本文提出的周期性分流微通道将在大功率集成电路及电子冷却领域中具有广阔的应用前景.
气体、等离子体和放电物理
2021, 70 (10): 105201.
doi: 10.7498/aps.70.20201724
摘要 +
同轴枪放电装置能够产生高速度(~100 km/s)、高电子密度(~1016 cm–3)以及高能量密度(~1 MJ/m2)的稠密等离子体, 因而在聚变能、天体物理及航空航天等领域得到了广泛关注. 通过光电信号的测量以及对输运过程中等离子体时空演化过程的观察, 本文主要对比分析了不同长度外电极下的同轴枪放电等离子体特性. 外电极长度的增加, 带来了喷射等离子体电子密度、发光强度的降低以及轴向速度、准直性与输运距离的显著提高, 而由箍缩效应所形成的等离子体柱在放电过程中对中心电极的延长作用则是引起长短外电极同轴枪中等离子体参数差异的主要原因. 延长的中心电极一方面与长外电极在轴向长度上得以匹配, 使等离子体在枪内能够获得更长的加速时间, 进而提高其喷射速度; 另一方面则会造成带电粒子的大量损耗以及更高的碰撞复合损失, 导致等离子体电子密度与发光强度的降低. 等离子体的轴向动能直接影响着其喷出后的传播距离, 而喷口处等离子体的扩散角则主要受电子密度与径向洛伦兹力的约束, 二者共同决定了等离子体的准直性及输运衰减特性.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2021, 70 (10): 106101.
doi: 10.7498/aps.70.20202194
摘要 +
碳纳米管与金属表面间的界面接触行为对碳基电子器件的性能研究具有重要意义. 本文利用分子动力学模拟方法研究了端部开口和闭口的多壁碳纳米管与金属表面间的界面接触构型和粘着强度. 模拟结果表明, 多壁碳纳米管在金属表面上的位置和形状变化是因为减少的范德瓦耳斯能转变成碳纳米管的内能; 多壁碳纳米管与金属表面的结合能为负值, 表明两者存在粘着作用; 多壁碳纳米管水平地接触金属表面时的粘着强度受初始间距、接触长度和金属种类影响, 即范德瓦耳斯能作用的初始间距阈值约为1 nm且最终平衡状态时的两者间距约为0.3 nm; 随着两者接触长度增加, 粘着强度增大, 铂与碳纳米管的粘着强度比钨和铝的大; 端部开口和闭口的碳纳米管与金属表面垂直接触时的粘着强度都比水平接触时的小, 两端开口的碳纳米管在金属表面上发生径向压缩变形, 最终形成带状结构; 而两端封闭的碳纳米管在金属表面上发生轴向压缩变形; 在碳纳米管场效应晶体管中, 两端开口的多壁碳纳米管与单壁碳纳米管一样变形成带状结构, 并且各个管壁之间以及最外层管壁与金属电极之间的间距相当, 该原子尺度的间距(约0.34 nm)保证电子从金属隧穿到最外层管壁, 并在内层管壁之间径向迁移.
2021, 70 (10): 106201.
doi: 10.7498/aps.70.20201986
摘要 +
高熵合金(high-entropy alloys, HEAs)作为一种新型多主元合金, 原子排列有序、化学无序, 具有高熵、晶格畸变、缓慢扩散、“鸡尾酒”等四大效应, 表现出优异的组合性能, 有望作为新型高温结构材料、耐磨性材料、抗辐照材料应用于航空航天、矿山机械、核聚变反应堆等领域. 本文介绍了目前含钨HEAs的发展现状、常用的制备方法、微观结构和相组成. 针对HEAs优异的综合性能, 总结了目前含钨难熔HEAs的力学性能、抗摩擦磨损、抗辐照等性能, 对含钨难熔HEAs后续的研究方向进行了展望.
2021, 70 (10): 106801.
doi: 10.7498/aps.70.20201918
摘要 +
液滴撞击超亲水表面铺展之后形成的薄液膜铺展直径是喷雾冷却、降膜蒸发等传热传质过程的一项关键控制参数. 以往模型在预测超亲水表面惯性力驱动下的最大铺展直径时, 存在低韦伯数下呈反常趋势、高韦伯数下预测值偏低等问题. 针对上述问题, 本文采用高速摄像技术研究液滴撞击过程中的铺展水力学特性, 发现了以往模型未完全考虑超亲水表面的铺展特性: 球冠状液膜、高黏性阻力及重力势能做功. 本文考虑了液膜球冠形态、重力势能、辅助耗散, 修正了以往最大铺展直径的预测模型, 并建立了适用于超亲水表面最大铺展直径的预测模型. 通过对铺展过程中各能量成分分析发现, 在超亲水表面上动能、表面能、重力势能均转化为黏性耗散能, 其中: 在低韦伯数下, 表面能转化为黏性耗散能占主要作用; 在高韦伯数下, 动能转化为黏性耗散能占主要作用. 并且, 在低韦伯数下, 重力势能和辅助耗散的引入对于准确预测超亲水表面最大铺展直径具有重要作用. 将模型预测结果与实验结果比较发现, 本模型成功消除了以往模型在低韦伯数下的反常趋势, 且能较好预测宽韦伯数范围下超亲水表面最大铺展直径. 同时, 本模型可以预测亲水和疏水固体表面的液滴最大铺展直径. 超亲水表面最大铺展直径的准确预测模型的提出对喷雾冷却, 降膜蒸发中提高和控制流体铺展距离和传热效率具有重要意义.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2021, 70 (10): 107101.
doi: 10.7498/aps.70.20201827
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飞秒传输表面等离激元(femtosecond propagating surface plasmon, fs-PSP)的近场成像表征和激发效率的主动控制是实现其应用的先决条件. 本文利用光发射电子显微镜对银纳米薄膜上刻蚀的凹槽耦合结构处激发的fs-PSP进行近场成像. 并系统测量了入射激光波长在720—900 nm范围内fs-PSP近电场与入射激光场干涉信号的周期和fs-PSP的波长. 在此基础上, 进一步利用飞秒双光束泵浦-探测实验证实了调节入射激光的偏振方向可实现对fs-PSP激发效率的调控. 由实验结果可知, 当入射激光偏振接近0° (P偏振)时, fs-PSP的激发效率最高, 当入射光偏振接近90° (S偏振)时, fs-PSP的激发效率最低. 相较于有限时域差分方法模拟, 在飞秒双光束泵浦-探测实验中归一化光发射电子产额随入射激光偏振方向变化的曲线出现平台区, 我们把这一现象归因于探测激光的背景噪声淹没了fs-PSP激发效率的变化. 该研究为实现fs-PSP激发效率的工程性调控和优化等离激元器件的性能奠定了基础.
2021, 70 (10): 107301.
doi: 10.7498/aps.70.20201988
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由于量子限域效应和态密度的限制, 石墨烯、硅烯等二维材料的量子电容在费米能级附近趋近于零. 基于密度泛函理论的第一性原理研究发现, 掺杂和吸附使石墨烯等二维电极材料的电子结构得以有效的调制, 它促进狄拉克点附近局域电子态的形成和/或费米能级的移动, 从而使量子电容得到了提高. 比较Ti (Au, Ag, Cu, Al)和3-B (N, P, S)掺杂单空位石墨烯(硅烯, 锗烯)的量子电容, 发现3-N掺杂单空位石墨烯和Ti原子吸附单空位硅烯、锗烯的量子电容明显得到了提升, 量子电容分别为118.42 μF/cm2, 79.84 μF/cm2和76.54 μF/cm2. 另外还研究了3-N掺杂三种烯类的浓度效应, 随掺杂浓度的增加, 量子电容呈增加趋势. 通过研究各掺杂体系的热力学稳定性问题, 发现Ti是最稳定的吸附原子, 因为Ti和C原子之间可以形成强键. 在B, N, P, S掺杂单空位硅烯和锗烯中, S是最稳定的掺杂原子, 而对于石墨烯, N掺杂的形成能最低, 量子电容最高. 上述二维电极材料的理论模拟计算为超级电容器和场效应晶体管中的实际应用做出了探索性的工作.
2021, 70 (10): 107302.
doi: 10.7498/aps.70.20201905
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MgO基磁性隧道结是自旋电子器件研究的热点问题, 其温度特性和偏压特性在实际应用中极其重要. 因此, 亟需在理论上计算得到MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图. 本文构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论. 该理论将单晶势垒层视作周期性光栅, 利用光学衍射理论处理势垒层对隧穿电子的衍射, 因此可以很好地计入隧穿电子波的相干性. 根据此理论, 同时计入温度和偏压的影响计算了MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图. 理论结果表明, 通过调节MgO基磁性隧道结的铁磁电极半交换劈裂能Δ、化学势μ以及势垒层周期势v( K h)可以优化其温度特性和偏压特性. 该结果为MgO基磁性隧道结的应用提供了坚实的理论基础.
2021, 70 (10): 107303.
doi: 10.7498/aps.70.20202094
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Cu3SbSe4是一种具有黄铜矿结构的三元p-型半导体材料, 在热电领域颇受重视. 本次工作采用在Cu3SbSe4中先掺杂Sn与S, 然后再掺杂Ga2Te3这一多组元掺杂方式, 通过能带及晶体结构计算, 了解多组元掺杂后热电性能提升的结构因素. 能带计算表明, 共掺杂Sn与S后, 禁带区域萌生出杂质带, 导致材料的载流子浓度(nH)和电学性能大幅提高. 在691 K时, 功率因子(PF)从本征的5.2 μW·cm–1·K–2增大到13.0 μW·cm–1·K–2. 虽然Ga占位在Sb或Te占位在Se位置对能带结构作用甚少, 但四面体[SbSe4]和[SeCu3Sb]的键长和键角发生了改变, 从而产生了明显的局部点阵畸变. 因此, 在691 K时, 晶格热导率(κL)从1.23 W·K–1·m–1降低到0.81 W·K–1·m–1, 有效地抑制了总热导率(κ)的提高. 最终, 材料的最大热电优值(ZT)为0.64, 而本征Cu3SbSe4的ZT值为0.26.
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2021, 70 (10): 107501.
doi: 10.7498/aps.70.20201966
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利用高温固相反应法, 成功合成了一种新型块状稀磁半导体(La1–xSrx)(Zn1–xMnx)SbO(x = 0.025, 0.05, 0.075, 0.1). 通过(La3+, Sr2+)、(Zn2+, Mn2+)替换, 在半导体材料LaZnSbO中分别引入了载流子与局域磁矩. 在各掺杂浓度的样品中均可观察到铁磁有序相转变, 当掺杂浓度x = 0.1时, 其居里温度Tc达到了27.1 K, 2 K下测量获得的等温磁化曲线表明其矫顽力为5000 Oe. (La1–xSrx)(Zn1–xMnx)SbO与“1111”型铁基超导体母体LaFeAsO、“1111”型反铁磁体LaMnAsO具有相同的晶体结构, 且晶格参数差异很小, 为制备多功能异质结器件提供了可能的材料选择.
2021, 70 (10): 107502.
doi: 10.7498/aps.70.20201995
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铁磁纳米盘中的磁涡旋态因稳定性高, 并且其面内磁化的旋转方向具有天然的二向性(顺时针(CW)和逆时针(CCW)), 可以作为信息存储的一个比特单元而成为最近研究的热点. 基于磁涡旋旋性的信息存储要求人们能够独立地控制磁涡旋的旋转方向. 从旋性的角度考虑, 在一对纳米盘中可能出现四种磁涡旋基态, 即(CCW, CCW), (CCW, CW), (CW, CCW)和(CW, CW). 本文通过引入厚度不同且切边的纳米磁盘对, 并对其施加面内磁场来实现对四种涡旋基态的独立控制, 并通过微磁学模拟证明了这种方法的可行性.
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2021, 70 (10): 107801.
doi: 10.7498/aps.70.20202209
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铋取代石榴石(Bi:YIG)薄膜具有较大的比法拉第旋角, 且可通过调控其易磁化轴垂直于薄膜表面和降低材料饱和磁化强度, 使其可工作在较小外加磁场下, 进而满足磁光器件小型化、节能化的发展需求. 本文基于对石榴石薄膜磁各向异性的理论分析, 采用液相外延(liquid-phase epitaxy, LPE)法在钆镓石榴石(gadolinium gallium garnet, GGG)基底上制备了单晶(BiTm)3(GaFe)5O12膜, 并研究了其磁各向异性性能. 研究发现, 当外延膜厚度大于1 μm时, 形状各向异性对磁各向异性产生的影响可以忽略; 随着生长温度的上升, 进入薄膜组分的Bi3+离子数量逐渐减少, 薄膜晶格常数逐渐减小, 薄膜的受力状态从压应力状态逐渐变为张应力; 相较于生长感生各向异性, 应力诱导的各向异性在磁各向异性的变化中占主导地位. (BiTm)3(GaFe)5O12膜的Verdet常数为11.8 × 104 rad/Tm@1064 nm, 是常用磁光材料TGG的3000倍; 其外加工作磁场小于200 Oe, 有利于实现磁光器件的小型化和薄膜化.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2021, 70 (10): 108401.
doi: 10.7498/aps.70.20201674
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肖特基二极管是2.45 G弱能量密度无线能量收集系统的核心器件, 其性能决定了系统整流效率的上限. 从材料设计角度出发, 利用晶向优化技术和Sn合金化技术, 提出并设计了一种大有效质量、大亲和能和高电子迁移率的Ge基复合半导体. 在此基础上, 进一步利用器件仿真工具, 设定合理的器件材料物理参数与几何结构参数, 实现了一种2.45 G弱能量微波无线输能用Ge基肖特基二极管. 基于该器件SPICE模型的ADS整流电路仿真表明: 与传统Ge肖特基二极管相比, 该新型Ge基肖特基二极管在输入能量为–10— –20 dBm的弱能量工作区域, 能量转换效率提升约10%. 本文技术方案及相关结论, 可为解决2.45 G弱能量密度无线能量收集系统整流效率低的问题提供有益的参考.
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2021, 70 (10): 108402.
doi: 10.7498/aps.70.20201826
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热电制冷技术是一种环保型的制冷技术, 具有广阔的应用前景. 其中Peltier效应在热电制冷过程中具有核心作用, 但是由于Peltier系数很难测量, 在实际应用过程中通常是首先得到Seebeck系数, 然后利用Kelvin第二关系式间接得到Peltier系数. 需要注意的是, Kelvin第二关系式是在线性条件下(Ohm定律、Fourier定律等)得到的, 而在实际过程中非线性的电流-电压关系(肖特基结、pn结等)和热输运关系却是大量存在的. 在纳米尺度, 量子效应将起到主导作用, 此时Peltier效应应该考虑非线性的影响, Kelvin第二关系式的适用性也应该重新考虑. 本文综述了采用不同方法对Peltier系数和Kelvin第二关系式的理论推导, 讨论了推导过程中利用的假设条件; 概述了Peltier系数实验测定的几种方法, 讨论了各种附加效应对Peltier系数测定的影响; 并介绍了非线性Peltier效应的理论工作. 最后本文讨论了在非线性条件下Peltier效应的研究策略和可行方向.
2021, 70 (10): 108501.
doi: 10.7498/aps.70.20201923
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Mg2Si作为一种天然丰富的环保材料, 在近红外波段吸收系数高, 应用于光电二极管中对替代市面上普遍使用的含有毒元素的红外探测器具有重要意义. 采用Silvaco软件中Atlas模块构建出以Mg2Si为吸收层的吸收层、电荷层和倍增层分离结构Mg2Si/Si雪崩光电二极管, 研究了电荷层和倍增层的厚度以及掺杂浓度对雪崩光电二极管的内部电场分布、穿通电压、击穿电压、C-V特性和瞬态响应的影响, 分析了偏置电压对I-V特性和光谱响应的影响, 得到了雪崩光电二极管初步优化后的穿通电压、击穿电压、暗电流密度、增益系数(Mn)和雪崩效应后对器件电流的放大倍数(M). 当入射光波长为1.31 µm, 光功率为0.01 W/cm2时, 光电二极管的穿通电压为17.5 V, 击穿电压为50 V, 在外加偏压为47.5 V (0.95倍击穿电压)下, 器件的光谱响应在波长为1.1 µm处取得峰值25 A/W, 暗电流密度约为3.6 × 10–5 A/cm2, Mn为19.6, 且Mn在器件击穿时有最大值为102, M为75.4. 根据模拟计算结果, 优化了器件结构参数, 为高性能的器件结构设计和实验制备提供理论指导.
2021, 70 (10): 108801.
doi: 10.7498/aps.70.20201936
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在Si衬底上制备的Cu2ZnSnS4(CZTS)太阳能电池具有CZTS与Si衬底的晶格失配低的优点, 但目前其转换效率仍较低. 本文采用异质结太阳能电池仿真软件Afors-het对Si衬底CZTS太阳能电池进行数值计算. 对现有的p-CZTS/n-Si太阳能电池的计算结果表明, 在该电池结构中p-CZTS和n-Si分别起窗口层和吸收层的作用, 但p-CZTS具有高光吸收系数, 使大部分入射光无法透过p-CZTS层进而被n-Si吸收, 限制了电池的转换效率. 本文提出以p-Si作为衬底的n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池结构. 计算得到的p-CZTS/p-Si结构的暗态电流密度-电压(J–V)特性曲线均为线性曲线, 表明p-CZTS与p-Si为欧姆接触以及p-Si作为p-CZTS的背电极的可行性. 进一步计算了p-Si的厚度与掺杂浓度、p-CZTS的厚度与掺杂浓度对n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池光伏特性的影响, 在不考虑寄生串并联电阻效应和缺陷态的理想情况下, 电池的最高转换效率为28.41%. 本文计算结果表明, n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池可解决现有p-CZTS/n-Si结构存在的问题, 是一种合适的Si衬底CZTS太阳能电池结构.
2021, 70 (10): 108901.
doi: 10.7498/aps.70.20201804
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时序网络可以更加准确地描述网络节点在时空演化过程中的交互顺序变化和交互关联关系. 为辨识时序网络中的重要节点, 本文提出基于时序网络层间同构率动态演化的超邻接矩阵建模的重要节点辨识方法. 首先, 依托复杂网络的层间时序关联耦合关系, 定义了相邻与跨层网络综合逼近关系系数. 其次, 依据层内连接关系和层间逼近关系构建时序网络超邻接矩阵. 再次, 使用特征向量中心性方法对时序网络中的节点重要性排序, 分析计算时序全局效率差值, 通过肯德尔相关系数验证. 最后, 实证数据仿真显示: 与经典时序网络模型相比, 本文模型所得Kendall’s τ值在各时间层上平均提高, 最高为8.37%和2.99%, 结论表明时序网络层间同构率的度量方法科学有效.
地球物理学、天文学和天体物理学
2021, 70 (10): 109201.
doi: 10.7498/aps.70.20201634
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利用球载电场探空仪于2019年8月12日在海南岛东北部海岸线附近获得的一次局地雷暴消散阶段的云内电场探空资料, 结合S波段天气雷达、地面大气平均电场仪、地闪定位等观测资料, 详细分析了该雷暴的演变过程和电学特征. 由电晕电流反演的垂直电场廓线可知, 云内正、负电场最大值分别位于大约6.3和8.3 km处, 垂直方向上, 云内分布着6个电荷区, 最下部为负电荷区, 往上依次改变极性, 且所有电荷区都位于零度层以上的混合相区域. 由于数据中断, 无法准确判断上部负电荷区上部边界以及其上方的正电荷区信息, 其余四个电荷区分别位于海拔高度6.0—6.3 km, 6.3—6.6 km, 6.9—7.3 km以及7.3—8.3 km之间, 电荷密度分别为–1.84, 1.80, –1.46和1.04 nC/m3. 由已有数据推算, 最上部负电荷区电荷密度应大于–0.51 nC/m3, 其电荷区相对强度仅次于靠近其下部边界的正电荷区, 两者电荷区厚度都超过1 km.
2021, 70 (10): 109601.
doi: 10.7498/aps.70.20201662
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太阳宇宙线地面增强事件(GLE)能谱可以提供宇宙线加速和传播过程的重要信息. 利用GOES15卫星和地面中子堆实验数据分析了最近一次GLE事件(2017年9月GLE72)的质子峰值能谱, 得到卫星观测能段的质子峰值能谱的能谱指数为1.88, 中子堆观测能段的能谱指数为4.86. 利用高能太阳粒子的二重加速机制对能谱结果进行了定性的理论解释. GLE72质子峰值能谱结果对LHAASO等大型地面宇宙线观测阵列中更高能量粒子具有重要参考价值.
