专题: 纳米工程和热物理
编辑推荐
2023, 72 (3): 034401.
doi: 10.7498/aps.72.20221981
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声学失配模型和漫散射失配模型被广泛应用于界面热导的计算, 两种模型分别建立在极端光滑和粗糙界面的假设基础上. 由于实际界面结构与两种假设的区别较大, 造成两种模型预测结果与实际界面热导偏差较大. 近期提出的混合失配模型考虑了界面结构对声子镜面透射和漫散射透射比例的影响, 预测的准确度有所提高. 但该模型需要通过分子动力学模拟获取界面声子信息较为复杂. 为此, 本文通过引入测量的粗糙度数值简化混合失配模型, 并增加考虑界面结构对接触面积的影响, 实现对界面热导简单快捷、准确地预测. 基于该模型, 计算预测了金属(铝、铜、金)和半导体(硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓)的界面热导. 并将铝/硅界面的结果与实验测量结果对比, 数据吻合较好. 该模型不仅有助于界面导热机理的理解, 而且利于与测量结果对比.
综述
2023, 72 (3): 038103.
doi: 10.7498/aps.72.20221574
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拓扑材料因具有新奇物理特性受到广泛关注, 这些材料一方面为基础物理研究提供了新的平台, 另一方面在以拓扑物理为基础发展的器件研究方向上展现出潜在应用价值. 凝聚态领域对于拓扑材料相关物理问题的研究主要通过两种方式开展: 一是在已知的拓扑材料中不断挖掘新的实验现象和物理问题; 二是不断预言和探索发现新型拓扑材料体系并开展合成. 无论哪种方式, 高质量单晶的获得都至关重要, 它为角分辨光电子能谱、扫描隧道显微谱和磁场下的量子振荡等实验研究提供了前提保障. 本文总结了拓扑材料的分类和发展, 基于本研究组近些年开展的工作介绍了助溶剂法、气相输运法这两种拓扑材料单晶生长中常用的方法, 并详细介绍了拓扑物性研究领域几类典型的拓扑材料及其生长方法, 如拓扑绝缘体/拓扑半金属、高陈数手性拓扑半金属和磁性拓扑材料等.
总论
2023, 72 (3): 030201.
doi: 10.7498/aps.72.20221761
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金属有机框架材料(MOFs)是一种有机配体桥接金属离子组成的新型无机-有机杂化多孔材料, 它具有功能可调、稳定性好以及多孔性等特点, 受到人们的广泛关注. 本文利用水热法制备了高质量的锌离子掺杂的钴基[(CH3)2NH2]Co1–xZnx(HCOO3)单晶样品 (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5). 单晶衍射、摇摆曲线、能量色散X射线光谱的实验结果表明, 锌离子均匀掺杂进了钴基金属有机框架材料中, 没有出现局部团簇等现象. 低温场冷曲线和比热曲线的测量结果表明, 非磁锌离子的掺杂减弱了Co基MOFs材料中Co离子之间的长程反铁磁相互作用, 使得Co-MOF的反铁磁相变温度由纯钴的15 K变为14.2 K (x = 0.1), 12.8 K (x = 0.2). 通过对掺锌样品低温下的磁滞回线的细致研究发现, 掺锌样品相对于纯钴样品在低温下具有更大的磁滞损耗和矫顽场. 相比于纯钴样品450 Oe (1 Oe = 103/(4π) A/m)的矫顽场, 掺锌样品的矫顽场最高达到3600 Oe, 并且磁滞面积也为纯钴样品的3倍以上. 另一方面, 在DMCo0.9Zn0.1F样品的磁滞回线上发现一系列台阶, 这一台阶现象随着温度升高而逐渐消失, 类似于单分子磁体的量子隧穿现象. 以往研究表明, 在这一类钙钛矿结构的金属有机骨架材料中, 存在长程磁相互作用和磁单离子行为的竞争. 我们认为非磁锌离子的掺杂减弱了Co离子之间的长程相互作用, 使得Co离子在低温下显示出量子隧穿引起的台阶效应.
2023, 72 (3): 030202.
doi: 10.7498/aps.72.20221532
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为提高基于压缩感知技术的矩量法在三维电大目标双站电磁散射问题中的计算效率和稳定性, 提出新的稀疏、测量和重构方法, 构建一种新型压缩感知计算模型. 不同于基于欠定方程的传统的压缩感知计算模型, 新型计算模型首先采用按行均匀抽取阻抗矩阵的方法构造测量矩阵以获得稳定的计算结果; 然后, 基于Foldy-Lax方程生成多阶特征基函数并作为稀疏基对感应电流进行稀疏转换; 再依据少数低阶特征基函数足以近似表征感应电流的先验条件, 将恢复算法简化为最小二乘法; 最后, 将矩阵方程转换为一个超定系统并采用最小二乘法解出电流系数. 与传统的计算模型相比, 新型计算模型不仅可以获得更加稳定的精确解, 还可以显著提高电大目标双站散射问题的求解效率和计算精度. 数值仿真结果证明了新方法的可行性和高效性.
2023, 72 (3): 030401.
doi: 10.7498/aps.72.20221767
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由于复杂电磁媒质构成、特殊外形轮廓以及复杂电磁工作环境等因素, 天线罩辐射电磁波往往出现指向角偏差、波束畸变等现象. 为此, 本文基于时间反演电磁波的自适应聚焦特性, 以顶部劈尖天线罩和结冰状态天线罩为研究案例, 系统性地提出了基于时间反演技术的复杂天线罩辐射波束畸变纠正方法. 研究结果显示: 在C波段, 对于顶部劈尖天线罩, 可以将±10°的辐射波束指向误差缩小到±0.9°. 对于结冰状态天线罩, 原本湮灭的主波束得到了重新的汇聚. 本文所提出的方法为复杂天线罩的分析以及在复杂媒质中电波传播的分析提供了有效途径.
2023, 72 (3): 030501.
doi: 10.7498/aps.72.20221772
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在温差条件下, 由于二维周期通道的横向温度差引发的上下不对称和活性粒子的手征性质使得活性粒子在纵向发生定向运动, 继而驱动包裹粒子的封闭圆环定向输运. 圆环的运动方向由粒子的手征性决定. 研究表明, 圆环的运动速度是活性粒子的角速度、下壁温度及温度差的峰值函数. 圆环包含一个手征活性粒子与包含多个手征活性粒子的定向运动行为具有较大差异. 特别是, 圆环半径对两种情况下圆环的运动行为差异影响较大. 当封闭圆环只包含一个粒子且粒子做圆周运动的轨迹半径较大(小)时, 粒子与圆环的相互作用对圆环定向运动起促进(抑制)作用, 圆环速度随圆环半径增大而减小(增大); 当封闭圆环包含多个粒子时, 粒子间的相互作用对圆环定向运动起抑制作用, 圆环半径越大, 粒子间相互作用越弱, 圆环速度越大. 本文的研究结果为在微尺度上活性粒子流的操控提供了新的可能性.
2023, 72 (3): 030502.
doi: 10.7498/aps.72.20220092
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当前脉冲星领域一个重要的研究热点是磁星. 本文在朱翠等(Zhu C, Gao Z F, Li X D, Wang N, Yuan J P, Peng Q H 2016 Mod. Phys. Lett. A 31 1650070 )工作的基础上, 重新研究了磁星超强磁场下($B\gg B$ cr, Bcr是电子的量子临界磁场)电子朗道能级的稳定性及其对电子压强的影响. 首先, 对弱磁场极限下($B\ll B$ cr) 中子星内部电子压强进行必要的回顾; 然后, 通过引入电子朗道能级稳定性系数gν和Dirac-δ函数, 推导出在超强磁场下修正的相对论电子压强Pe的表达式, 给出表达式适用条件: 物质密度ρ ≥ 107 g·cm–3和Bcr ≤ B < 1017 G (1 G = 10–4 T). 超强磁场通过修正相对论电子的相空间, 提高了电子数密度ne, 而ne的增加意味着Pe的增加. 利用修正的电子压强表达式, 讨论了超强磁场下费米子自旋极化现象、电子磁化现象以及超强磁场对物态方程的修正. 最后, 本文的结果与其他类似工作进行对比, 并对未来的工作进行展望. 本文的研究将为磁星以及强磁化白矮星的物态方程和热演化的探索提供极有价值的参考, 将为普通射电脉冲星等离子磁层数值模拟、高磁场脉冲星辐射机制等相关研究提供有用的信息.
原子和分子物理学
2023, 72 (3): 033201.
doi: 10.7498/aps.72.20221670
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天空向下热红外辐射具有随时空变化而变化的特性, 当扫描傅里叶变换红外遥测成像系统以天空为背景对目标气云进行成像扫描时, 各扫描像素对应的背景辐射差异较大且没有恒定的基线, 因而影响目标气云透过率的精确反演. 针对这类问题, 提出了基于大气廓线合成背景的目标气云透过率反演方法, 首先采用实测地点的温度、湿度、压强和臭氧廓线及大气模式生成天空红外背景, 以解决化工园区内难以实时测量纯净天空红外背景谱的问题, 其次验证了天空红外背景与天顶角余弦逐波数存在连续可导的关系, 使得少量具有天顶角梯度的天空红外背景即可快速插值生成任意仰角位置的天空红外背景谱. 本文以中分辨率大气辐射传输模型(MODTRAN)软件仿真和SF6气体的遥测成像实验进行了方法验证, 所提方法可以快速生成梯度仰角内任意角度对应的天空红外背景谱, 准确反演出各扫描像素的目标气云透过率, 反演得到的SF6柱浓度气云分布与实际分布一致, 相关性达到0.99979.
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2023, 72 (3): 033202.
doi: 10.7498/aps.72.20221865
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里德伯-基态分子由一个里德伯原子和一个基态原子组成, 束缚机制是里德伯电子与基态原子的低能电子散射相互作用. 理论上, 通过低能电子散射Fermi赝势模型, 数值计算了铯(36D5/2+6S1/2)里德伯-基态分子的绝热势能曲线, 提取了里德伯分子的束缚能和平衡核间距等光谱参数. 实验上, 利用双光子光缔合技术成功制备了散射三重态(TΣ, Triplet)和散射单重态-三重态混合(S,TΣ, Mixed)形成的里德伯-基态分子, 获得了里德伯分子的光缔合光谱, 测量的势阱深度与理论计算结果相吻合. 另外, 以散射三重态为例, 分析了里德伯分子的光缔合光谱在外加电场中的展宽现象, 获得其平均永久电偶极矩$|\bar{d}|$ 为(12.10 ± 1.65) Debye ((4.76 ± 0.65) ea0), 与理论计算结果保持一致. 该研究为实验上制备D态里德伯-基态分子提供了可行的实验方案, 对理解里德伯分子的光谱特性具有重要意义.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (3): 034201.
doi: 10.7498/aps.72.20221918
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单像素成像系统通过对目标场景的多次调制, 获取相应的单像素测量值, 并由此重构图像. 在这一过程中, 如果其他物体侵入成像场景, 会严重影响测量值的准确性, 降低重构图像质量. 由于侵入物体的反射率, 形态均具有一定的随机性, 因此从桶探测器信号的角度很难有效分离出受干扰信号. 针对这一问题, 基于哈达玛矩阵的特征, 提出了一套自校验方法, 即利用桶探测器自身测量值进行正确性校验, 筛选出未受干扰的桶探测器信号, 显著提升了重构图像的质量. 该方法适用于一般性成像场景, 且不需要引入额外的调制图像辅助校验, 有力推动了单像素成像技术的实用化进程.
2023, 72 (3): 034202.
doi: 10.7498/aps.72.20221923
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量子相干性作为量子力学一个最显著的特征, 被认为是量子信息过程中很重要的一种量子资源. 单模压缩态和双模压缩态(Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态)均具有量子相干性, 在制备和传输过程中的量子相干性对于实际应用具有重要意义. 利用平衡零拍探测重构量子态的协方差矩阵, 本文定量分析了量子态制备过程中的不完美以及信道传输损耗对单模和双模压缩态量子相干性的影响. 实验证明量子态的压缩和纠缠特性及量子相干性对损耗均是鲁棒的. 特别地, 压缩和纠缠特性会随着量子态制备过程中热光子数的增大而减小, 直至消失, 而当压缩和纠缠均已消失时, 量子相干性依然存在. 实验结果为压缩态、纠缠态光场的量子相干性作为量子资源在量子信息过程中的应用提供了参考.
2023, 72 (3): 034203.
doi: 10.7498/aps.72.20221917
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激光具有亮度高、单色性好、高相干性及方向性好的优势, 然而在激光成像、激光加工等场景只想利用其高亮度或高单色性, 高相干性导致的干涉效应会影响和限制其应用效果. 通过模拟计算的方法, 设计了一种针对软X射线激光去相干的新型单玻璃管光学透镜. 模拟结果显示, 针对波长为10 nm、束腰半径为1.25 mm的软X射线激光光束, 透镜入口端内直径5 mm、出口端内直径0.6 mm、长度15 cm的单玻璃管光学透镜在有效降低软X射线激光光束相干度的同时, 在出口处获得了发散度为30—50 mrad的出射光束, 相应的传输效率为78%, 光强增益为52.74. 针对波长不低于1 nm的激光光束, 该型号的单玻璃管光学透镜能够将光束的传输效率保持在30%以上. 本文还探讨了入射光能量和透镜长度对器件传输结果的影响. 结果表明, 根据全反射原理设计的单玻璃管光学透镜能够满足极紫外到X射线波长范围内激光去相干的应用需求, 在X射线激光成像、激光加工等方面具有广泛的应用前景.
2023, 72 (3): 034204.
doi: 10.7498/aps.72.20221582
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基于Rydberg原子的量子微波测量技术具有自校准、可溯源、高灵敏度的显著优点, 针对如何提高量子微波测量灵敏度的问题, 本文从经典电磁理论出发, 提出一种终端短路的1/4波长平行板传输线谐振器电场局域增强结构. 运用场路结合的分析方法以及等效电路方法, 求解平行板传输线谐振器结构端口的反射系数为0.91; 利用场的分析方法推导出端口电场强度随时间变化的解析表达式, 进行时域分析, 绘制了平行板传输线谐振器端口的电场强度瞬态响应曲线, 得出平行板传输线谐振器建立稳态的时间为10 ns. 研究表明, 随着平行板间距的减小, 电场强度增强倍数迅速升高, 功率密度压缩能力大幅提升. 利用|69D5/2$ \rangle $ 实验验证了该结构在2.1 GHz可实现25 dB的电场强度增强. 本文的研究工作有望在原子测量能力基础上进一步提高测量灵敏度, 推动量子微波测量技术的实用化发展.
2023, 72 (3): 034205.
doi: 10.7498/aps.72.20221754
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激光扫频干涉测量技术因其精度高、抗干扰能力强等优势成为研究热点. 而激光器调频的非线性问题一直是影响测量精度的关键因素, 非线性带来的直观结果就是拍信号的频谱严重展宽, 造成测距精度下降. 为解决该问题, 本文提出了一种基于Lomb-Scargle算法的非线性校正方法, 搭建了具有辅助干涉仪的激光扫频干涉测量系统, 通过对辅助路拍信号进行希尔伯特变换提取相位, 再基于提取到的相位信息生成一个新的时间序列, 结合Lomb-Scargle算法, 将非线性校正与拍信号频率计算同时进行. 作为验证, 对于0.5—1.3 m范围内的目标进行了测量, 最大误差为14 μm. 区别于传统频率采样法校正原理, 本文提出的校正方法并不是以辅助路的拍信号对测量路进行重采样, 所以无需满足辅助干涉仪光程差大于测量路光程差两倍的条件, 因而可为增大测距量程提供一种思路.
2023, 72 (3): 034207.
doi: 10.7498/aps.72.20221737
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ZnS作为一种宽带隙半导体, 以其优异的光电性能近年来受到广泛关注, 在太阳能电池、光催化剂以及传感器方面有着广阔的应用前景. 本文首先以射频磁控溅射方法沉积了ZnS薄膜, 然后在600 ℃温度和不同硫压下进行退火, 通过X射线衍射、扫描电子显微镜、能量散射X射线谱、紫外-可见透射光谱以及慢正电子多普勒展宽谱对ZnS薄膜的晶体结构、表面形貌、晶粒尺寸、成分、透光率以及缺陷进行分析. 结果表明: 硫气氛后退火能够改善ZnS薄膜结晶性, 退火后ZnS薄膜光学带隙为3.43—3.58 eV. 当硫压高于0.49 atm(1 atm = 1.01×105 Pa)时, ZnS内部硫间隙原子以及表面单质硫降低了薄膜在可见光区的透光率. 慢正电子多普勒展宽谱结果还表明, ZnS薄膜的缺陷浓度由表层到内层逐渐降低, 薄膜缺陷随着硫压增加而降低. 同时, 3γ湮没证明了薄膜内部较为致密, 硫化会导致薄膜开孔率增加. 吸附硫通过内扩散占据了晶体中硫空位缺陷的位置, 导致缺陷浓度降低, 进而改善了薄膜质量.
2023, 72 (3): 034301.
doi: 10.7498/aps.72.20222074
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超声是检测不透明液体中气泡的有效方法, 声散射模型是超声反演技术的核心. 经典气泡散射模型通常是基于球形假设及ka ≤ 1 (a为气泡半径, k为入射波的波数), 然而实际应用中这些假设并不总能得到满足. 本研究针对非球形气泡及ka偏离假设情况, 提出一种超声反演定量方案. 建立不受ka约束的球形气泡级数背散射模型, 将其与经典Medwin ($ka\ll1$ )和Anderson (ka≈1)散射模型进行对比, 发现ka偏离引发的散射截面效应仅体现在散射高阶共振峰位置及大小差异上. 据此提出: 可通过曲线拟合法解决散射截面σbs/(πa2)与ka间的多值问题, 同时用当量半径a* 对非球形气泡尺寸进行量化. 具体首先利用非球形气泡背散射信号的频域信息测定其散射截面σbs, 再根据σbs与非球形当量半径a* 间拟合曲线进行反演, 同时利用回波时域信息勾画气泡形状轮廓. 反演结果通过高速摄影定量结果进行检验. 结果表明: 气泡沿之字形路径上升过程中产生非球形形变, 当9 ≤ kr0 ≤ 35时, 反演得到的非球形气泡当量半径与高速摄影定量半径r0的相对误差小于45%, 对应的最大绝对误差约为1 mm. 说明该方法在一定测量精度范围可用于非球形气泡的声反演.
2023, 72 (3): 034701.
doi: 10.7498/aps.72.20221922
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黏弹性流体广泛存在于自然界和工业生产中, 对其复杂流变特性的研究具有重要的学术价值和应用意义. 本文提出一种改进的光滑粒子动力学方法, 对基于eXtended Pom-Pom模型的黏弹性流动进行了数值模拟. 为了提高计算精度, 采用一种不含核导数计算的核梯度修正离散格式. 为了防止粒子穿透固壁, 提出一种增强型的边界处理技术. 为了消除张力不稳定性, 将人工应力耦合到动量守恒方程中. 运用改进光滑粒子动力学方法数值模拟了基于eXtended Pom-Pom模型的黏弹性Poiseuille流和黏弹性液滴撞击固壁问题, 通过与解析解或有限差分方法解的比较以及对数值收敛性的评价, 验证了改进光滑粒子动力学方法的有效性和优势, 并在此基础上, 深入分析了Reyonlds数、Weissenberg数、溶剂黏度比、各向异性参数、松弛时间比和分子链臂数等流变参数对流动过程的影响.
2023, 72 (3): 034702.
doi: 10.7498/aps.72.20221991
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含自由液面的汇流旋涡抽吸演变中存在多相耦合、物质传输、能量剧烈交换等物理过程, 其中所涉及的多相流体耦合输运机理是具有高度非线性特征的复杂动力学问题, 多相黏滞耦合输运动力学建模与数值求解具有较高难度. 针对上述问题, 提出一种含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运建模与求解方法. 基于水平集-流体体积耦合(CLSVOF)计算方法, 结合连续表面张力模型和可实现(k-ε)湍流模型, 建立含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运动力学模型; 利用一种有效的体积修正方案来计算高速旋转多相流, 保证流场质量守恒和无散度的速度场; 结合相间耦合求解策略对多相流体分布与多相界面进行精确追踪. 基于旋流场多特征物理变量, 得到多相耦合界面动态演变与跨尺度涡团输运规律, 揭示了多相耦合输运过程与压力脉动特性之间的相互作用机理. 研究结果表明: 多相耦合输运过程是流体介质过渡的关键状态, 旋涡微团受到不同时空扰动模式在界面处形成层层螺纹波形; 旋涡多相耦合输运过程随着水口尺度增大而增强, 且耦合能量激波引起非线性压力脉动现象. 研究结果可为旋涡输运机理、涡团跨尺度求解、流型追踪等方面的研究提供有益借鉴.
气体、等离子体和放电物理
2023, 72 (3): 035201.
doi: 10.7498/aps.72.20221843
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采用Sagdeev势方法研究了多组分尘埃等离子体中的非线性尘埃声孤波的传播特征. 推导得到了在含有尘埃颗粒、电子流、质子流及Kappa电子和离子的多组分尘埃等离子体中的非线性尘埃声波所对应的Sagdeev势函数. 并利用定性分析方法, 确定该系统同时存在线性周期波解轨道、非线性周期波解轨道和孤立波解轨道. 与此同时, 借助数值模拟方法发现: 该多组分尘埃等离子体系统中仅存在振幅小于零的稀疏型孤立波, 且非线性尘埃声孤波的振幅、宽度及波形等传播特征均与马赫数M、多种粒子数密度、温度、电荷量、质量及Kappa电子数、离子数等各种系统参数存在紧密关联.
编辑推荐
2023, 72 (3): 035202.
doi: 10.7498/aps.72.20221868
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激光尾场加速是一种利用超强飞秒激光与气体靶作用加速电子的新型加速技术, 经过40多年的发展已经日益成熟, 但是重复频率相比传统加速器还有很大的差距. 高重复频率加速是未来激光尾场加速的一个重要发展方向, 届时气体靶给真空系统带来的负载将不可忽视, 这可能会成为限制重复频率的重要因素. 本文设计了一种应用于中小规模激光器的微气室喷嘴, 并通过三维流体模拟对比了这种喷嘴和常用的超音速喷嘴的喷气量差异, 证明它不仅能够产生和超音速喷嘴类似的密度分布, 还能够大幅降低喷气量, 从而减小真空系统的负载, 提高重频的上限. 此外, 把这种微气室喷嘴应用于激光尾场加速实验中, 在多条件下产生了稳定性很好的电子束. 这个工作将为高重频、高稳定性的尾场加速做出贡献.
2023, 72 (3): 035203.
doi: 10.7498/aps.72.20222043
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为了探索等离子体磁流体力学(MHD)不稳定性的导体壁效应以及壁设计思想, 研究了基于HL-2A托卡马克偏滤器位形的、自由边界和多种形式的理想导体壁条件下的等离子体MHD不稳定性与装置MHD运行β极限. 在稳定性计算中, 考虑的是n = 1扭曲模, 该模对托卡马克等离子体MHD不稳定性有决定性的影响. 研究着眼于验证多种形状导体壁抑制内、外扭曲模的有效性, 观察运行$ \beta $ 极限的变化, 并讨论分析相关物理. 研究发现在离等离子体适当距离处放置一个理想导体壁, 可有效抑制外扭曲模. 在壁与等离子体表面的平均距离相同、且足够小的条件下, 圆截面壁并不一定是最佳选择, 设置一个经过优化的多边形导体壁能更有效地抑制MHD不稳定性, 它使本装置的理想MHD运行β极限βN提高到2.73, 比自由边界条件下(即假设壁设置在无穷远处的)装置的运行β极限值($ \sim $ 2.56)提高了约6.5%. 这暗示需要根据有拉长、有变形的等离子体的极向截面形状, 优化制作一个离等离子体表面平均距离尽可能近的多边形导体壁, 才能取得抑制外扭曲模、提高β极限的最佳效果.
2023, 72 (3): 035204.
doi: 10.7498/aps.72.20221901
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基于建立的15 MA Z箍缩装置等效电路模型, 获得了外层磁绝缘传输线(magnetically-insulated transmission line, MITL)鞘层电子流分布规律: 从时间上看, 鞘层电子流幅值先减小、后增大, 波形呈“马鞍”型; 从空间上看, 鞘层电子流沿着功率流方向逐渐减小. 分析了MITL参数, 包括恒阻抗段真空阻抗、恒间隙段间距, 以及柱孔盘旋面位置半径对MITL末端鞘层电子流的影响. 计算结果显示: MITL末端鞘层电子流受MITL末端阻抗和柱孔盘旋面位置半径的影响较大. 当15 MA装置四层MITL并联真空阻抗从0.42 Ω增大到0.84 Ω时, 在负载聚爆前5 ns时刻, MITL末端鞘层电子流从184.7 kA降低至106.9 kA, 负载峰值电流减小约0.5 MA.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2023, 72 (3): 036101.
doi: 10.7498/aps.72.20221742
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为研究纳米尺度下, 特征尺寸减小和阱接触布放方式对单粒子效应电荷收集机制的影响, 在北京HI-13串列加速器上开展了国产28 nm 静态随机存储器(SRAM)重离子单粒子效应辐照实验研究, 获得了不同线性能量转移(LET)值重离子垂直入射下的器件重离子单粒子位翻转截面、多位翻转百分比和多位翻转拓扑图形, 并与65 nm SRAM实验数据进行比对, 分析了28 nm SRAM重离子单粒子多位翻转物理机理. 结果表明, 在特征尺寸减小、工作电压降低等因素影响下, 器件重离子单粒子翻转阈值减小, 位翻转饱和截面明显降低, 多位翻转占比增大, 拓扑图形可达n行×3列, 且呈现间断性的特点, 结合28 nm SRAM的全局阱接触布放对电荷收集机制的影响, 分析这种现象的产生源于N阱内p型金属-氧化物-半导体间电荷共享所导致的单粒子翻转再恢复.
2023, 72 (3): 036102.
doi: 10.7498/aps.72.20221768
摘要 +
二维材料异质结器件具有纳米级厚度及范德瓦耳斯接触表面, 因而表现出独特的光电特性. 本文构建了栅压可调的MoS2/MoTe2垂直异质结器件, 利用开尔文探针力显微镜(KPFM)技术结合电输运测量, 揭示了MoS2/MoTe2异质结分别在黑暗和532 nm激光照射条件下的电荷输运行为, 发现随着栅压的变化异质结表现出从n-n+结到p-n结的反双极性特征. 系统地解释了MoS2/MoTe2异质结的电荷输运机制, 包括n-n+结和p-n结在正偏和反偏下条件下的电荷输运过程、随栅压变化而发生的转变的结区行为、接触势垒对电荷输运的影响、n-n+结和p-n结具有不同整流特征的原因、偏压对带间隧穿的重要作用及光生载流子对电学输运行为的影响等. 本文所使用的方法可推广到其他二维异质结体系, 为提高二维半导体器件性能及其应用提供了重要的参考和借鉴.
封面文章
2023, 72 (3): 036201.
doi: 10.7498/aps.72.20221656
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α-PbO2相TiO2高压相具有适宜的带隙能和可见光范围的光催化能力, 是一种适用于可见光、高效且环保的光催化材料. 本文使用金刚石对顶压砧对锐钛矿纳米球进行加压-卸压处理得到了α-PbO2相TiO2高压相. 利用透射电子显微镜对比初始样品和卸压样品, 观察结果表明晶粒发生了明显形变, 高分辨图显示其晶粒中存在大量[100]方向层错和形变孪晶, 其中亚微米级晶粒中形成了透镜形片层结构的形变孪晶带; 纳米级晶粒中形成了扇形多重形变孪晶. 研究表明高压下锐钛矿TiO2可以发生明显的形变, 其形变的微观机制与金属类似, 主要为形变孪晶和层错滑移, 形变孪晶的形成存在明显的尺寸效应. 这些结果为TiO2高压相变的尺寸效应研究提供了一个新的切入点, 同时还为制备孪晶α-PbO2相TiO2高压相提供了方法.
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2023, 72 (3): 036401.
doi: 10.7498/aps.72.20221929
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硒化锑(Sb2Se3)具有低毒、原材料丰富和光电性能优异等优点, 被认为是最具有发展潜力的薄膜太阳电池光吸收层材料之一. 但目前Sb2Se3薄膜太阳电池光电转换效率与碲化镉、铜铟镓硒和钙钛矿等太阳电池相比仍存在较大差距. 限制Sb2Se3薄膜太阳电池光电转换效率进一步提升的关键因素之一是, 太阳电池结构中Mo背电极和Sb2Se3薄膜构建的背接触界面处容易形成较高的势垒, 降低载流子的抽取效率. 本工作则对Mo背电极进行热处理生成缓冲层MoO2薄膜, 发现缓冲层MoO2的引入, 可有效地促进Sb2Se3薄膜的择优取向生长, 同时实现太阳电池Mo/MoO2/Sb2Se3背接触势垒降低, 相应的填充因子、开路电压和短路电流密度均获得显著提高, 构建的太阳电池光电转换效率从5.04%提升至7.05%.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2023, 72 (3): 037201.
doi: 10.7498/aps.72.20221896
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采用光抽运-太赫兹探测技术研究Cd0.96Zn0.04Te的载流子弛豫和瞬态电导率特性. 在中心波长800 nm的飞秒抽运光激发下, Cd0.96Zn0.04Te的载流子弛豫过程用单指数函数进行了拟合, 其载流子弛豫时间长达几个纳秒, 且在一定光激发载流子浓度范围内随光激发载流子浓度的增大而减小, 这与电子-空穴对的辐射复合有关. 在低光激发载流子浓度 (4.51×1016—1.81×1017 cm–3)下, Cd0.96Zn0.04Te的太赫兹(terahertz, THz)瞬态透射变化率不随光激发载流子浓度增大而变化, 主要是由于陷阱填充效应造成的载流子损失与光激发新增的载流子数量近似. 随着光激发载流子浓度继续增大(1.81×1017—1.44×1018 cm–3), THz瞬态透射变化率随光激发载流子浓度的增大而线性增大, 是由于缺陷逐渐被填满, 陷阱填充效应造成的载流子损失与光激发新增的载流子数量相比可忽略不计. 在光激发载流子浓度为1.44×1018—2.17×1018 cm–3时, Cd0.96Zn0.04Te对800 nm抽运光的吸收达到饱和, THz瞬态透射变化率不再随光激发载流子浓度增大而变化. 不同光激发载流子浓度下Cd0.96Zn0.04Te在THz波段的瞬态电导率用Drude-Smith模型进行了很好的拟合. 此研究为碲锌镉探测器的设计和制备提供重要数据支撑和理论依据.
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2023, 72 (3): 037401.
doi: 10.7498/aps.72.20222072
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基于拓扑绝缘体材料的约瑟夫森结是寻找马约拉纳零能模的候选器件, 因而受到拓扑量子计算研究领域的关注. 这方面实验的关键之一, 是制备具有优质结区的约瑟夫森器件. 本工作在三维拓扑绝缘体Bi2Te3和Bi2(SexTe1–x)3纳米线上制作了约瑟夫森结器件, 研究了其结区的超导邻近效应、多重安德列夫反射和超流-相位关系, 观测到了约瑟夫森结的临界超流随磁场增大而反常地增大、其交流约瑟夫森效应出现半整数的夏皮洛台阶的实验结果. 本文还讨论了这些反常现象的可能来源, 特别是与结区界面处超导电极的Ti缓冲层和拓扑绝缘体纳米线中的Te元素形成TiTe铁磁性合金层的关系.
2023, 72 (3): 037402.
doi: 10.7498/aps.72.20221958
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表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering, SERS)已广泛应用于食品和药物检测、生物和医学传感等领域. 而非金属SERS基底的研究近年来逐渐成为SERS领域研究的热点. 本文研究了2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰基喹二甲烷(F4TCNQ)对二硫化钼(MoS2)薄膜SERS活性的调制作用. 不同纳米结构的F4TCNQ可以影响从MoS2表面转移的电子的束缚能力, 从而改变F4TCNQ/MoS2纳米复合材料表面局部功函数分布, 表现出不同的SERS敏感性. 在最优化的F4TCNQ/MoS2纳米复合基底上4-巯基苯甲酸(4-MBA)分子的增强因子可达$ 6.9\times {10}^{4} $ , 检测极限浓度低至10–6 mol/L. 本文所研究的F4TCNQ/MoS2纳米复合材料不仅提供了一种良好的SERS活性基底, 而且为化学增强机理的基底研究提供了新的参考.
2023, 72 (3): 037501.
doi: 10.7498/aps.72.20221723
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随着现代无线通信技术的进步, 微波通信器件向小型化、一体化方向发展, 其中低温共烧陶瓷/铁氧体技术是关键所在. 针对适用于雷达移相器中的Li-Zn微波铁氧体, 本文通过加入V2O5-Al2O3(VA)助烧剂实现低温烧结(低于950 ℃), 并研究助烧剂添加量及烧结温度对于材料晶体结构、微观形貌以及磁性能(饱和磁感应强度、矫顽力、铁磁共振线宽等)的影响. VA助烧剂的参与可以在降低烧结温度的同时维持Li-Zn微波铁氧体的尖晶石晶体结构, 并能促进晶粒的生长, Li-Zn铁氧体的平均晶粒尺寸由最初的0.92 μm增至9.74 μm. 在Li-Zn铁氧体烧结过程中, VA助烧剂中的V2O5由于具有较低的熔点会先融化形成液相, 促进晶粒的生长; 同时具有较高熔点的Al2O3可以抑制晶粒的过大增长, 使晶粒均匀化. 未添加助烧剂与添加VA助烧剂(质量分数为0.18%)制备的铁氧体相比, 样品的饱和磁感应强度(Bs)由144 mT增至281 mT; 矩形比(Mr/Ms)由0.57升至0.78; 矫顽力(Hc)由705 A/m降低至208 A/m; 铁磁共振线宽(ΔH)由648 Oe减至247 Oe (1 Oe = 103/(4π) A/m). 总体来说, VA助烧剂可以有效提升Li-Zn微波铁氧体的多项性能, 对低温共烧陶瓷/铁氧体技术的发展具有积极意义.
2023, 72 (3): 037701.
doi: 10.7498/aps.72.20221856
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单羟基醇具有其他液体通常所不具备的Debye弛豫过程, 随着研究工作的开展, 一些与之相关的新现象和新问题也逐渐被发现, 深化了对物质结构和动力学的认知. 为了进一步研究Debye弛豫过程的动力学及其受分子构成影响的情况, 本文通过介电谱方法对3种无支链无侧基伯醇中的Debye弛豫进行测量与分析, 揭示了该过程的一些变化规律. 在正丙醇、正丁醇和正辛醇这3种伯醇中Debye过程的特征温度、Vogel-Fulcher-Tammann (VFT)温度的倒数和强度参量以及弛豫单元在高温极限下的激活能和固有振动频率的对数几乎都随分子内碳原子数的增加而线性增加. 但是VFT温度变化不大, 具有一致性, 表明这3种单羟基醇中Debye过程的弛豫单元应该相同, 进一步验证了Debye弛豫来源于氢键分子链中羟基的观点. 将样品的沸点和熔点等信息与上述激活能的变化进行对比, 表明氢键作用与分子之间的整体相互作用具有正相关性. 另外, 将强度参量的变化情况与相关理论进行结合, 给出了研究液体脆性的一个可能视角; 三者弛豫过程与乙醇结果的对比, 显示出Debye弛豫与α弛豫的分离程度会受到分子链长的影响, 也为Debye弛豫的研究提供了切入点. 这些结果将为单羟基醇Debye弛豫的进一步理解与研究产生促进作用, 也为相关理论提供检验性的实验信息.
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2023, 72 (3): 037702.
doi: 10.7498/aps.72.20221898
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钙钛矿晶体结构决定了铁电陶瓷铁电性的出现和极化方向的确定, 当极化方向具有一定规律的排序时, 不同电畴结构会组合形成具有特定形貌的多粒子系统, 即存在于铁电体中的拓扑结构. 本研究通过相场法, 模拟了不同迟滞电场和厚度下铌酸钾钠($ {\rm{K}}_{0.5}{\rm{N}\rm{a}}_{0.5}\rm{N}\rm{b}{\rm{O}}_{3} $ )薄膜的电畴结构并进行观察, 根据电场下电畴结构的不同翻转路径将电畴翻转分为快速和慢速翻转阶段, 基于此提出先确定所需实验的电畴翻转状态再进行定向观测的手段. 通过对电畴结构结合极化矢量的分析, 首次在铌酸钾钠薄膜中观察到明显多畴组合而成的涡旋-反涡旋对拓扑结构. 对涡旋结构进一步分析其翻转过程, 观察到这种涡旋拓扑微观结构可以使电畴更容易发生翻转, 从而使更多小范围极化矢量进行排序, 以形成所需的多粒子系统拓扑结构. 这种极化矢量排序对铁电材料介电性能改善机制, 是与准同型相界两侧特定极化方向所形成的微观相界有着异曲同工之处.
2023, 72 (3): 037801.
doi: 10.7498/aps.72.20221731
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为探究基于激光吸收光谱技术的燃烧场二维测量光路布置方式, 实现有限投影下更精确的燃烧场二维重建, 根据分数阶微积分理论, 提出一种基于分数阶Tikhonov正则化的光路优化方法. 将经典的整数阶Tikhonov正则化推广到分数阶模式, 建立了基于分数阶Tikhonov正则化的光路设计目标函数. 利用遗传算法分析(0, 1)范围内不同阶数的计算结果, 得到最佳光路布置方式. 采用近红外波段7185.6 cm–1的H2O特征吸收谱线结合20条测试光路对10×10离散化网格区域进行计算, 对比分析五种光路布置方式对多种分布模型的重建结果, 结果表明, 基于分数阶Tikhonov正则化的光路布置方式具有最佳重建效果. 研究结果对有限投影条件下激光吸收光谱二维测量光路的优化设计理论研究具有重要意义, 可以促进激光吸收光谱技术在复杂发动机燃烧场二维重建及燃烧效率提升方面的应用.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (3): 038101.
doi: 10.7498/aps.72.20221564
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热电堆红外探测器主要是由热电偶为基本单元所构成的一种探测器件, 因其原理简单、工作时不需要冷却设备等优势已被广泛应用在生产生活的各个方面. 然而, 传统热电堆器件所选用材料的吸收率通常处在较低水平, 并且大部分与微加工工艺不兼容. 在此, 本文设计提出了一种带有垂直石墨烯(vertical graphene, VG)的金属热电堆红外探测器. 通过等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)生长VG并将其保留在器件的热结处, 从而实现热电堆红外探测器的宽带和高响应特性. 这种复合结构的探测器在波长792 nm的情况下, 室温响应率最高可达1.53 V/W, 与没有VG的热电堆红外探测器相比, 前后响应结果可增加28倍左右, 响应时间缩短至0.8 ms左右. 该制备过程与微加工工艺相兼容, 同时整体提升了器件性能, 并适合于大规模生产. 此外, 利用表面等离激元共振的原理将VG与金属纳米颗粒相互结合, 发现在前后同等条件下材料的光吸收有明显的增强, 所产生的热电势响应最高可增6倍. 以上结果表明, VG在多种应用中具有巨大的潜力, 包括光电检测、微发电装置等, 该技术为制备高性能热电堆红外探测器和其他传感器件提供了一种新的途径.
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2023, 72 (3): 038102.
doi: 10.7498/aps.72.20221437
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金刚石硅空位色心在量子信息技术和生物标记领域有重要应用前景. 本文对硅衬底上多晶金刚石生长过程中硅空位色心形成机理及调控方法进行研究. 通过改变金刚石生长氛围中的氮气和氧气比例, 实现了对硅空位色心发光强度的有效调控, 所制备系列多晶金刚石样品的光致发光光谱显示, 硅空位色心荧光峰与金刚石本征峰的比值最低为1.48, 最高可达334.46, 该比值与金刚石晶粒尺寸正相关. 进一步用光致发光面扫描和拉曼面扫描分析样品可知, 多晶金刚石中的硅应来自于硅衬底, 在多晶金刚石生长过程中, 衬底硅单质先扩散至金刚石晶粒处, 随着金刚石晶粒生长, 硅单质再扩散并入金刚石晶体结构中形成硅空位色心. 不同样品硅空位发光强度的差异, 是由于生长过程中氮气和氧气对金刚石硅空位色心的形成分别起到促进和抑制的作用.
2023, 72 (3): 038201.
doi: 10.7498/aps.72.20220567
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滤膜在过滤和分离领域具有非常广泛的使用, 但滤膜对溶液中的组分具有吸引或排斥作用, 导致粒子产生定向运动, 进而在膜附近产生粒子富集或“粒子禁区”等截然不同的效应, 目前对此认识尚不清楚, 粒子浓度分布不能实时准确测量是其中最大的困难. 本文以表面带负电荷的胶体粒子为模型物质, 利用胶体粒子结晶后粒子浓度可以实时原位测量的优势, 研究了纤维素滤膜对粒子运动行为的影响规律. 研究结果发现带电微粒会自发地在滤膜表面产生富集, 滤膜中微量阴阳离子释放导致的扩散泳效应是微粒朝向滤膜产生定向运动的主要原因, 基于扩散泳和粒子扩散两种机制构建了粒子运动方程和模型, 数值计算结果和实验结果定性一致. 此外, 粒子除了朝向滤膜的纵向运动之外, 壁面电渗流和横向扩散还会使粒子朝向壁面产生迁移, 导致管壁粒子数的增多.
2023, 72 (3): 038501.
doi: 10.7498/aps.72.20221476
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近年来, 宽带隙半导体材料氧化镓在日盲紫外探测领域的应用引起了广泛关注. 本文基于溶液法制备了非晶氧化镓薄膜, 采用紫外光退火的方式降低了薄膜的制备温度, 并且通过铝颗粒修饰氧化镓薄膜表面, 提升了氧化镓紫外探测器的性能. 紫外退火的方式可将氧化镓薄膜的制备温度降至300 ℃, 有望实现柔性器件的制备. 当沉积铝膜厚度在3—5 nm时, 可获得分布均匀、直径为2—3 nm的铝颗粒, 经修饰的氧化镓薄膜表现出优秀的光电响应性能和日盲探测特性. 在254 nm光照下, 最大光暗电流比可达2.55×104, 在紫外波段的抑制比I254 nm/I365 nm为2.2×104. 最佳的探测器响应度和探测率分别为0.771 A/W和1.13×1011 Jones, 相比于未做修饰的氧化镓紫外探测器提升了约34倍和36倍. 然而, 铝纳米颗粒的修饰也会引入部分缺陷态, 导致氧化镓光电探测器响应下降时间的增大.
2023, 72 (3): 038502.
doi: 10.7498/aps.72.20221212
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采用非平衡格林函数结合密度泛函理论探讨了以锯齿型石墨烯纳米带为电极、2-苯基吡啶分子为中心区的分子器件电子输运性质. 分析I-V特性及透射谱随偏压的变化表明, 电极弯折能够调控器件负微分电阻特性, 使器件峰值电压(Vp)减小、电流峰谷比(PVR)增大, 当电极弯折角度为15°时, 器件获得低峰值电压(0.1 V)、高电流峰谷比(12.84)的负阻特性. 平衡态下器件的透射谱、态密度、散射态实空间分布图及投影态密度解释了器件负阻特性被调控源于电极弯折使器件中心分子与电极间的波函数交叠发生变化, 导致两者间耦合减弱. 弱耦合下外加偏压后, 器件的透射系数因能级移动和偏压的变化而产生大幅波动, 使器件在低偏置电压处即出现大的透射系数, 产生峰值电流Ip, 降低了器件的Vp, 且增大了PVR值, 其所获得的低Vp、高PVR的负阻特性在低功耗分子电子领域具有潜在的应用前景.
