专题: 功能氧化物薄膜新奇物理性质
2023, 72 (9): 096801.
doi: 10.7498/aps.72.20222266
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钙钛矿型过渡金属氧化物在外场激励下可以通过得失氧离子发生显著的结构拓扑相变, 同时伴随着输运、磁性、光学等物性的巨大变化, 是近年来被重点关注的研究体系, 在固态氧化物燃料电池、氧气传感器、催化活性、智能光学窗口以及神经形态计算器件中具有巨大的应用前景. 本工作回顾了近年来国内外研究小组在拓扑相变氧化物薄膜及其物性调控方面的工作进展, 详细介绍了这类典型薄膜材料在应力场、电场、光场、温度场等外场激励下呈现出的新奇物性, 并讨论了其基本物理机制. 本综述旨在进一步认识此类材料中的电荷、晶格、轨道等量子序之间的微观耦合机制及其与宏观物性的关联, 相关研究有望为基于功能氧化物的高灵敏度、弱场响应的电子器件提供新材料、新途径和新思路.
2023, 72 (9): 097401.
doi: 10.7498/aps.72.20230044
摘要 +
由于对称性破缺、晶格失配、电荷转移和空间限域等多自由度的协同关联作用, 氧化物异质界面演生出许多与相应体材料所不同的物理性质, 其中氧化物界面超导由于蕴含丰富物理内涵吸引了广泛的关注. 近年来, 得益于氧化物异质外延以及物性精准表征技术的迅猛发展, 研究人员已经在多种氧化物异质界面上观测到了准二维的界面超导, 并研究了与其相关的许多新奇量子现象, 不仅推动了凝聚态物理研究的发展, 也为界面超导走向实际应用奠定了重要基础. 本文主要介绍和讨论氧化物界面上的准二维超导, 以典型的LaAlO3/SrTiO3界面准二维超导及La2CuO4/La1.56Sr0.44CuO4等铜氧化物界面超导为例, 总结分析氧化物界面超导中新奇的物理现象, 并指出该研究体系目前存在的一些问题, 最后展望界面超导未来的发展方向.
2023, 72 (9): 097502.
doi: 10.7498/aps.72.20230206
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强关联电子体系具有多序参量耦合且极易受到外场高效调控的特性. 钴氧化物(LaCoO3)是一类典型的多铁性(兼具铁弹性和铁磁性)氧化物材料, 受到了研究者们广泛和深入的研究. 过去, 针对钴氧化物的研究都集中于应力作用下的铁弹性相变和结构调控方面. 近年来, 研究人员新奇地发现钴氧化物薄膜在张应力作用下发生顺磁到铁磁相转变, 但其根源一直存在较大争议. 部分实验证据表明应力将会导致钴离子价态降低产生自旋态转变, 而另一些研究者认为应力诱导的纳米畴结构会呈现高自旋态的长程有序排列, 才是钴氧化物薄膜铁磁性的主要原因. 本综述主要介绍近几年来钴氧化物薄膜和异质结中自旋与晶格之间关联耦合效应的系列进展. 在保持钴离子价态不变时, 通过薄膜厚度、晶格失配应力、晶体对称性、表面形貌、界面氧离子配位和氧八面体倾转等结构因素诱导钴氧化物薄膜的自旋态可逆转变, 从而形成高度可调的宏观磁性. 进而, 研究者们利用原子级精度可控的薄膜生长技术构筑了单原胞层钴氧化物超晶格, 通过高效的结构调控, 实现了超薄二维磁性氧化物材料. 这些系列进展不仅澄清了强关联电子体系中晶格与自旋等序参量之间的强耦合关系, 而且为实现氧化物自旋电子器件所需的超薄室温铁磁材料提供了优良的候选者.
2023, 72 (9): 097702.
doi: 10.7498/aps.72.20222219
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为了满足信息技术时代下海量数据的高效存储及处理, 具有低功耗、非易失性的自旋电子器件受到极大关注. 能够高效产生自旋流的自旋源材料是新型自旋-轨道力矩器件的重要组成部分. 近二十年来, 在探索具有高效产生自旋流的材料体系, 以及理解材料相关物理机制两方面都取得了较大的进展. 最近, 在过渡金属氧化物中涌现出许多与产生自旋流密切相关的新奇量子态, 成为自旋源的新兴材料体系被广泛研究. 研究结果表明, 过渡金属氧化物具有对电子结构高度敏感、显著且灵活可调的电荷-自旋转换效率, 具有巨大的应用潜力. 本文主要综述了过渡金属氧化物中新奇的电子能带结构及其与电荷-自旋互转换的关联机制, 并对未来的发展趋势进行了展望.
2023, 72 (9): 097703.
doi: 10.7498/aps.72.20222221
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大数据、物联网和人工智能的快速发展对存储芯片、逻辑芯片和其他电子元器件的性能提出了越来越高的要求. 本文介绍了HfO2基铁电薄膜的铁电性起源, 通过掺杂元素改变晶体结构的对称性或引入适量的氧空位来降低相转变的能垒可以增强HfO2基薄膜的铁电性, 在衬底和电极之间引入应力、减小薄膜厚度、构建纳米层结构和降低退火温度等方法也可以稳定铁电相. 与钙钛矿氧化物铁电薄膜相比, HfO2基铁电薄膜具有与现有半导体工艺兼容性更强和在纳米级厚度下铁电性强等优点. 铁电存储器件理论上可以达到闪存的存储密度, 读写次数超过1010次, 同时具有读写速度快、低操作电压和低功耗等优点. 此外, 还总结了HfO2基薄膜在负电容晶体管、铁电隧道结、神经形态计算和反铁电储能等方面的主要研究成果. 最后, 讨论了HfO2基铁电薄膜器件当前面临的挑战和未来的机遇.
2023, 72 (9): 097704.
doi: 10.7498/aps.72.20230389
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距离发现反铁电已有70多年的历史, 其独特的电场诱导相变行为使其在储能、换能器、驱动器、电卡制冷、负电容晶体管、热管理等领域显示出了巨大的应用价值. 随着薄膜生长技术的发展及器件小型化、集成化趋势的需求, 反铁电薄膜受到越来越多的关注. 大量研究表明, 反铁电从块体到薄膜显现出与块体不同的新奇物性, 同时也面临更多挑战, 如尺寸效应使得其反铁电特性在临界厚度下减弱甚至消失等. 在此基础上, 回顾了锆酸铅基反铁电研究的发展历史, 从反铁电的起源、结构、相变到应用等方面进行了讨论. 希望能够吸引更多的研究者关注反铁电薄膜的发展, 探索未知的奥秘, 共同开发更多的新材料和新应用.
2023, 72 (9): 098502.
doi: 10.7498/aps.72.20222382
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随着柔性电子的迅猛发展, 越来越多的新型智能可穿戴电子设备, 逐渐改变人们的生活方式. 同时, 可穿戴器件小型化、柔性化、集成化、低功耗等需求不断提高, 对柔性功能材料的要求越来越高, 特别是亟需具有丰富功能特性的氧化物薄膜材料. 近年来, 随着薄膜生长与剥离技术的进步, 自支撑单晶氧化物薄膜被开发出来. 由于其脱离衬底束缚展现出优异柔性特征的同时, 保持了丰富的磁、电、光、热、力等功能, 在信息存储、智能传感、生物医疗、能源等领域具有广泛的应用前景. 本文从自支撑氧化物薄膜的制备技术出发, 展开介绍了基于铁电、压电、铁磁、金属-绝缘体转变等物理效应的晶体管存储器、能量收集、纳米发电机、应变传感器、储能器件及超导等方面的应用.
2023, 72 (9): 096802.
doi: 10.7498/aps.72.20221854
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使用激光分子束外延在SrTiO3(001)衬底上生长SrRuO3薄膜, 并研究激光能量密度、生长温度和靶材表面烧蚀度等生长参数对于SrRuO3表面形貌、基本磁电性质以及拓扑霍尔效应的影响. 当在最优条件下生长SrRuO3薄膜时, 样品表面平整、台阶清晰, 具有最低的金属-绝缘体转变温度, 电阻率最低, 且具有最显著的拓扑霍尔效应; 而改变生长参数生长的SrRuO3薄膜由于存在更多的缺陷, 其表面较粗糙, 金属-绝缘体转变温度增大, 或表现出绝缘体行为, 而拓扑霍尔效应会变弱甚至消失.
2023, 72 (9): 096803.
doi: 10.7498/aps.72.20222301
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高性能热电材料的发展有望帮助解决未来能源危机, 且随着可穿戴器件的发展与应用, 热电材料和器件除了要具备更高的热-电转化性能以外, 还必须具有良好的柔性. 将热电材料制成薄膜既可以为微型器件供电, 也有潜力应用于柔性器件. 本文使用脉冲激光沉积方法, 在商用SrTiO3 (STO)和La0.3Sr0.7Al0.65Ta0.35O3 (LSAT)衬底上制备得到了不同厚度的高质量铌掺杂钛酸锶薄膜(Nb:STO), 并对薄膜的表面形貌、结构以及热电性能进行表征与测试. 结果显示, 使用LSAT作为衬底可以对薄膜施加面内压应变, 随着薄膜厚度的增大, 应变逐渐释放并接近于块体Nb:STO. 随着厚度的增大, 薄膜的热电性能逐渐提升, 在STO衬底上生长的208 nm厚样品的室温功率因子相比于52 nm样品提升了187%. 此外, 144 nm厚度的Nb:STO/LSAT薄膜室温塞贝克系数达到了265.95 μV/K, 这是由于衬底应变导致薄膜样品的能带变化. 本工作表明通过应变工程调控铌掺杂钛酸锶薄膜热电性能的可行性, 为后续提高此类薄膜材料的热电性能提供了一种新思路.
封面文章
2023, 72 (9): 097301.
doi: 10.7498/aps.72.20221934
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SrFeOx (SFO)是一种能在SrFeO2.5钙铁石(BM)相和SrFeO3钙钛矿(PV)相之间发生可逆拓扑相变的材料. 这种相变能显著改变电导却维持晶格框架不变, 使SFO成为一种可靠的阻变材料. 目前大部分SFO基忆阻器使用单层BM-SFO作为阻变功能层, 这种器件一般表现出突变型阻变行为, 因而其应用被局限于两态存储. 对于神经形态计算等应用, 单层BM-SFO忆阻器存在阻态数少、阻值波动大等问题. 为解决这些问题, 本研究设计出BM-SFO/PV-SFO双层忆阻器, 其中PV-SFO层为富氧界面插层, 可在导电细丝形成过程中提供大量氧离子并在断裂过程中回收氧离子, 使导电细丝的几何尺寸(如直径)在更大范围内可调, 从而获得更多、更连续且稳定的阻态, 可用于模拟长时程增强和抑制等突触行为. 基于该器件仿真构建了全连接神经网络(ANN), 在手写体数字光学识别(ORHD)数据集进行在线训练后获得了86.3%的识别准确率, 相比于单层忆阻器基ANN的准确率提升69.3%. 本研究为SFO基忆阻器性能调控提供了一种新方法, 并展示了它们作为人工突触器件在神经形态计算方面的应用潜力.
2023, 72 (9): 097302.
doi: 10.7498/aps.72.20222222
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作为一种新兴的超宽带隙半导体, Ga2O3在开发高性能的日盲紫外光电探测器方面具有独特的优势. 金属-半导体-金属结构因其制备方法简单、集光面积大等优点在Ga2O3日盲紫外光电探测器中得到了广泛的应用. 本文在传统的金属-半导体-金属结构Ga2O3日盲紫外光电探测器的基础上, 利用原子层沉积技术引入高介电性和绝缘性的氧化铪(HfO2)作为绝缘层和钝化层, 制备出带有HfO2插层的金属-绝缘体-半导体结构的Ga2O3日盲紫外光电探测器, 显著降低了暗电流, 提升了光暗电流比, 同时提高了器件的比探测率和响应速度, 为未来Ga2O3在高性能弱光探测器件制备提供了一种新通用策略.
2023, 72 (9): 097503.
doi: 10.7498/aps.72.20221852
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非磁/铁磁异质结构中存在很多有趣的演生现象, 特别是, 铂/铁磁异质结构中的反常霍尔效应是一个研究热点. 采用脉冲激光沉积技术和射频磁控溅射技术制备出具有原子级接触界面的铂/锰酸锶镧异质结, 并对异质结的电输运性能进行了系统的研究. 实验发现, 铂/锰酸锶镧异质结中存在由铂贡献的反常霍尔效应, 这是由磁近邻效应诱导铂表现出铁磁性造成的. 反常霍尔电阻随着温度的降低而急剧增加, 并且在低于 40 K时改变符号. 反常霍尔电阻随铂厚度的增加而急剧降低, 证实了铂的铁磁性起源于异质结界面. 此外, 异质结在低外加磁场下可能产生了拓扑霍尔效应, 这是由异质结界面处的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用诱导产生手性磁畴壁结构引起的. 上述研究结果为进一步理解非磁/铁磁异质结构中的电子自旋和电荷输运之间的相互作用提供了实验基础.
2023, 72 (9): 097701.
doi: 10.7498/aps.72.20230154
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BaxSr1–xTiO3 (BST)铁电薄膜因为拥有高介电常数、强电场调谐性和较低的微波频段介电损耗可应用于微波可调谐器件. 然而铁电材料中普遍存在的介电常数-温度依赖性使得常规单组分铁电薄膜的高可调率温区受制于相变温度, 难以满足宽温域适用性的需求. 为研究可用于宽温域功能器件的铁电薄膜, 采用脉冲激光沉积(PLD)技术制备了单组分Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜、Ba0.2Sr0.8TiO3薄膜以及Ba0.2Sr0.8TiO3/Ba0.5Sr0.5TiO3异质结构薄膜. 通过对比其介电性能, 发现垂直方向上Ba/Sr组分分布可有效改善BST薄膜的温度依赖性, 然而异质结构的构建可能带来界面问题, 同时也使其品质因子难以提升. 本文提出采用独特的水平方向连续组分薄膜制备技术制备BST组合薄膜, 有望在拓宽BST薄膜相变温区的同时避免界面控制的难题.
原子和分子物理学
2023, 72 (9): 093201.
doi: 10.7498/aps.72.20230261
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激光外差辐射计具备成本低、体积小、光谱分辨率高等优势, 可扩展现有的地面碳测量网络, 验证卫星观测结果, 并能在卫星观测区域外提供数据覆盖. 本文在现有的激光外差辐射计的基础上, 报道了基于掺铒光纤放大器的可实现本振光功率锁定的近红外激光外差辐射计原型机. 该激光外差辐射计利用一个中心波长为1.603 μm的分布反馈式半导体激光器作为本振光源, 采用掺铒光纤放大器放大本振光功率, 并利用自动功率控制电路实现掺铒光纤放大器输出端光功率的锁定, 消除了由本振光功率变化引起的基线斜率, 从而实现免基线拟合的整层大气透过率谱的测量. 详细评估了基于掺铒光纤放大器的高度集成化的激光外差辐射计的仪器性能, 并在合肥市科学岛(31.9°N, 117.2°E)地区进行了整层大气CO2透过率谱的测量. 在一天的测量时间内得到6组大气CO2透过率谱, 与大气辐射模型模拟结果进行比对, 测量结果一致. 实验结果表明, 掺铒光纤放大器的应用可以提高激光外差辐射计的性能, 优化其结构, 进而为实现无人值守的长期大气CO2浓度观测和构建全面的碳观测网络提供仪器设备的补充.
2023, 72 (9): 093401.
doi: 10.7498/aps.72.20222273
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离子-原子混合阱是研究带电粒子-中性粒子低温反应的理想平台, 直接甄别反应产物最准确的方法是带电粒子飞行时间谱, 飞行时间谱峰的强度、位置(飞行时间)和宽度给出了相应带电粒子的强度和动能(温度)等信息. 本文通过分析和模拟铷离子-原子混合阱中的飞行时间谱, 获得了不同荷质比的离子绝对强度和温度等信息. 具体说, 首先使用Gumbel型极值分布函数飞行时间谱的谱峰, 获得谱峰强度、位置和宽度等信息. 然后对实验建模得到耦合的原子数和总带点离子的速率方程, 用这些速率方程拟合实验数据, 并结合实验测量到的绝对原子数, 获得绝对的离子数强度. 由此提供了一种标定探测器(本文使用的是微通道板)的方法. 改变电离激光的波长和强度得到的标定因子是一致的, 表明了这种方法的可靠性. 此外, 利用COMSOL Multiphysics模拟实验的飞行时间谱, 仿真模拟结果表明离子动能大, 谱峰宽度窄. 本文对飞行时间谱的强度和宽度分析为冷原子光电离过程的离子-原子反应碰撞和带电粒子温度弛豫奠定了基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (9): 094201.
doi: 10.7498/aps.72.20221560
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电磁感应透明效应是基于原子不同跃迁通道之间的量子相干效应, 可以使得原子系综对于光场的吸收率降低, 甚至接近于0, 同时在原子共振频率附近伴随着强烈的色散, 因而被广泛应用于群速度调控、光脉冲存储和光场的相干调控等领域. 本文基于电磁感应透明效应, 通过信号光场、耦合光场和读取光场操控复现光场, 在4$f$ 系统的像面上实现了光学图像的加减操作. 相较于通常在频谱面上利用余弦光栅进行滤波的方案, 基于电磁感应透明效应的方案无需制备频谱面滤波掩膜版, 并且只产生正一级和负一级衍射图像, 无0级衍射图像干扰, 可广泛应用于光学图像的动态实时处理.
2023, 72 (9): 094202.
doi: 10.7498/aps.72.20230049
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随着巨原子研究的展开, 量子干涉效应的应用逐步广泛. 基于量子干涉效应, 利用海森伯-郎之万方程, 研究了巨腔与波导耦合系统的相位调控, 打破了传统小原子与波导耦合体系中偶极近似的限制. 研究表明, 通过给系统外加一对相位差为$\phi$ 的驱动, 在三腔系统中, 当系统达到稳态时, 腔阵列波导的中间腔与单模巨腔内的光子数可以实现双向屏蔽. 将研究拓展至多腔系统中时, 可在不同条件下分别实现巨腔与耦合腔阵列波导的单向和双向屏蔽. 基于量子干涉效应的光子调控, 该系统可以实现腔的光子数为0, 希望在量子器件设计和量子信息处理等领域实现新应用.
2023, 72 (9): 094203.
doi: 10.7498/aps.72.20222264
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光力诱导透明是典型的量子相消干涉效应, 在量子光学和量子信息处理当中具有广泛的应用. 本文在里德伯原子系综镶嵌的复合光力学系统中考察了光力诱导透明现象以及由此产生的慢光效应. 当考虑非旋转波近似的情况下, 可以获得完美的光力诱导透明, 即非常狭窄的理想透明窗口. 在可分辨边带条件下, 微腔品质越高, 完美透明窗口中的慢光效应越明显. 特别地, 与其他原子相比, 在实现超慢光方面里德伯原子的长寿命体现了其优越性.
2023, 72 (9): 094204.
doi: 10.7498/aps.72.20222387
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光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)数值模拟平台研发涉及到光脉冲的展宽压缩、参量放大和聚焦输出等物理模型, 针对其中的超短脉冲聚焦算法, 本文推导给出了输出光场范围可调、并具备快速傅里叶算法的数学表达式, 解决了传统菲涅尔远场衍射聚焦算法面临如何提高光场分辨率和保持各波长分量计算网格大小一致的难题, 为后续直接进行时频逆变换、高效分析超短脉冲聚焦后的时空耦合特性提供了便利. 数值仿真结果揭示出, 超短脉冲聚焦场暗环区域表现出强烈的时空耦合特征. 本算法已成功应用于OPCPA数值仿真平台研发中, 可望在超短激光脉冲装置的优化设计工作中发挥重要作用.
2023, 72 (9): 094205.
doi: 10.7498/aps.72.20230088
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自相位调制光谱滤波技术能够产生波长可调谐的飞秒脉冲, 有望取代传统复杂的光参量振荡器而受到关注. 然而, 光纤中的正色散会导致光谱旁瓣调制深度减小, 同时光波分裂现象阻碍了光谱的展宽. 为了解决这两个问题, 本文提出了一种基于色散管理的双通光谱滤波技术, 在脉冲演化过程中通过引入负色散来优化脉冲的前后沿形状, 并压缩脉冲宽度以提升脉冲的峰值功率, 所产生的光谱不仅旁瓣更加清晰, 而且调制深度更深. 使用2 cm LMA-8光纤, 利用该技术获得了脉冲能量为6 nJ、中心波长在920 nm的113 fs脉冲.
2023, 72 (9): 094301.
doi: 10.7498/aps.72.20230195
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大尺寸压电超声换能器的耦合振动会导致其辐射面纵向位移振幅的平均值较小, 振幅分布不均匀, 严重影响系统的性能和可靠性. 为了改善大尺寸超声振动系统性能, 可利用二维孔/槽型近周期声子晶体结构对横向振动进行抑制, 但在对横向振动抑制的同时, 该结构会对换能器机械强度和工作带宽等性能参数造成不利的影响. 针对这一问题, 本文提出利用管柱型近周期声子晶体点缺陷结构对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器进行优化的新思路. 该方法不仅可以利用构造的固/气二维近周期声子晶体结构的点缺陷模式, 获得极低的能量损耗, 有效提高系统辐射面的纵向位移振幅和振幅分布均匀度; 也可以利用管柱结构中的双环形孔增强声波的多重散射, 使得换能器在管柱柱高较低的条件下产生禁带, 在有效抑制横向振动的同时, 大幅拓宽换能器系统的工作带宽, 增强系统的稳定性和机械强度, 降低加工成本. 仿真结果证明了优化的有效性.
气体、等离子体和放电物理
2023, 72 (9): 095201.
doi: 10.7498/aps.72.20222005
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基于神光II升级装置激光条件, 利用流体程序、粒子模拟程序和Fokker-Placnck程序, 模拟研究质子快点火中所需质子束的品质以及产生所需质子束的激光条件. 首先根据快点火靶的条件, 利用Fokker-Planck方程模拟快点火所需的质子束的能量范围, 模拟表明当背景等离子密度为300 g/cm3时, 能量为7—12 MeV的质子束适合点火; 当背景等离子体密度为400 g/cm3时, 能量为8—18 MeV的质子束适合点火. 再根据神光II升级装置实验条件研究质子束所需的激光参数, 通过利用粒子模拟程序, 结合流体程序给出的预等离子体, 分别模拟研究了加预等离子体和不加预等离子体两种情况下的质子加速, 在有预等离子体时得到的质子束最大能量约为22 MeV, 没有预等离子体时得到的质子束最大能量为17.5 MeV, 具体分析了两种情况下质子加速的物理机制, 其结果跟等离子体自由膨胀模型结果符合得很好.
2023, 72 (9): 095202.
doi: 10.7498/aps.72.20222235
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在输出窗内表面上, 次级电子倍增是限制高功率微波功率容量的主要因素之一, 因而开展相关研究具有重要的意义. 在微波频率为110 GHz下, 本文通过一维空间分布和三维速度分布的电磁粒子模型对次级电子倍增过程及其引起的损失功率进行了数值模拟. 重点研究了介质表面处的微波电场和介质材料种类对损失功率的影响. 模拟结果表明, 在次级电子倍增达到稳态之后, 尽管电子数密度高于临界的截止数密度, 但是微波电场没有发生明显的改变. 这是因为在很高的静电场下, 电子主要聚集在介质表面附近若干微米的区域, 远小于相应的趋肤深度. 倍增稳态时的电子数密度随着微波电场升高而增加, 然而损失功率与表面处的微波功率之比增加得较为缓慢. 在倍增达到稳态之后, 由于蓝宝石表面附近的电子数密度最高, 石英晶体表面附近的次之, 熔融石英表面附近的数密度最低, 所以相应的损失功率依次减小. 为验证模型的准确性, 将倍增阈值的模拟值与实验数据进行了对比, 并讨论了两者之间的差异.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2023, 72 (9): 096201.
doi: 10.7498/aps.72.20221615
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含能材料的弹性性质微观上体现了分子间的结合力, 且与含能材料的化学分解和爆炸相关. 因此, 弹性性质-晶体结构的关联为设计具有特定性质的新材料和理解含能材料点火起爆提供了理论基础. 本文提出超分子结构单元作为最小化学单元来定量表征黑索金(RDX)不同晶面的弹性模量. 基于超分子结构单元的弹性模量模型表明, 与弹性模量相关的微观因素有: 超分子结构单元的分子对数量、分子对的平衡距离、分子间力常数以及分子间非键能与晶面法线的夹角; 而弹性模量的各向异性来源于分子间非键能与晶面法线的夹角不同. 研究结果表明, RDX的超分子结构单元包含15个RDX分子, 以该超分子结构单元计算得到RDX(100), (010), (001), (210)和(021)晶面的弹性模量分别为21.7, 17.1, 20.1, 19.1和15.3 GPa. 除RDX(001)晶面外, 以上晶面的理论计算值与超声共振谱、脉冲激热散射、布里渊散射和纳米压痕实验值基本吻合. RDX(001)晶面的计算值(20.1 GPa)远高于实验值 (15.9—16.6 GPa), 原因可能是计算过程中将RDX分子看作刚性体, 忽略了RDX(001)晶面在外界载荷作用下发生的分子内六元环和NO2基团的移动和变形.
2023, 72 (9): 096301.
doi: 10.7498/aps.72.20230116
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在二维材料中, 平面六方氮化铝(AlN)对开发电子器件至关重要. 但宽带隙限制了其应用, 为进一步突破性能瓶颈, 本文采用结构搜索的方法找到一种新型孔状皱面的AlN构型, 由于其特殊的孔状构型, 可在孔中引入C, Si原子与碳三角环(TC)形成新型二维X-AlN (X = C, Si, TC)结构, 从而提升其光学与热学性能. 结果表明: 1) 在电子结构方面, 由于X-pz电子的局域性, 费米面附近产生的孤立能带将带隙值从4.12 eV (AlN)分别降至0.65 (C-AlN)和1.85 eV (Si-AlN), 显著改善了AlN的宽带隙. TC-AlN由于碳三角环间C-pz杂化形成离域π键, 使能量降低, 实现了间接带隙到直接带隙的转变. 2) 热输运方面, 与AlN, C/Si-AlN相比, TC-AlN由于碳三角环间强共价键抑制了垂直面内的声子振动, 极大地增强了热导率. 此外, 在X-AlN中施加双轴应变, 热导率出现先上升后下降的异常变化趋势, 这是源于随应变增强的N—N键带来的低非谐性与声子模软化降低群速度之间的竞争. 本工作给出了调控二维AlN性能的新路径, 为提高半导体电子、光学与热学性能提供有力指导.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
编辑推荐
2023, 72 (9): 097101.
doi: 10.7498/aps.72.20230231
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晶粒细化是提高Bi2Te3基热电材料力学性能的重要方法, 但晶粒细化过程中伴随的类施主效应严重劣化了材料的热电性能, 并且一旦产生类施主效应, 就很难通过简单的热处理等工艺消除. 本文系统研究n型Bi2Te3基化合物烧结前粉体颗粒尺寸对材料类施主效应和热电性能的影响规律. 随着颗粒尺寸减小, 氧诱导的类施主效应明显增强, 载流子浓度从10 M烧结样品的3.36×1019 cm–3急剧增加到120 M烧结样品的7.33×1019 cm–3, 严重偏离最佳载流子浓度2.51×1019 cm–3, 热电性能严重劣化. 当粉体颗粒尺寸为1—2 mm时, 烧结样品的Seebeck系数为–195 μV/K, 载流子浓度为3.36×1019 cm–3, 与区熔样品沿着ab面方向的Seebeck系数为–203 μV/K和载流子浓度为2.51×1019 cm–3相近, 未表现出明显的类施主效应, 可作为粉末冶金工艺的优质原料. 18 M烧结样品获得最大ZT值为0.75, 进一步增强织构有望获得优异的热电性能. 本研究为调控和有效抑制类施主效应的产生提供了新方法和途径, 为采用粉末冶金工艺制备具有优异热电性能和力学性能材料提供了重要指导.
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2023, 72 (9): 097501.
doi: 10.7498/aps.72.20230197
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喷流的触发机制、准直传输和稳定性一直是天体物理学的研究热点. 近年通过观测和实验室研究发现磁场在喷流准直传输和加速中起着关键作用. 本文利用开源的辐射磁流体模拟程序FLASH对强激光驱动聚苯乙烯(CH)平面靶产生的靶前喷流进行了二维的数值模拟, 系统地考察和比较了Biermann自生磁场以及不同方向、不同初始强度的外加磁场对喷流演化的动力学. 模拟结果表明Biermann自生磁场不会影响喷流的界面动力学, 而外加磁场对等离子体出流具有重定向作用, 平行于靶前等离子体出流中心流向的外加磁场有助于喷流的产生和准直传输. 其形成和演化过程是等离子体热压、磁压以及冲压三者相互竞争的结果. 在受力方面, 在喷流演化过程中等离子体热压梯度力和磁压力起决定性作用. 研究结果为后续开展和喷流相关的实验研究提供借鉴, 也有助于加深对天体喷流演化的理解.
2023, 72 (9): 097801.
doi: 10.7498/aps.72.20230066
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通过配体后处理法向CsPbBr3 钙钛矿纳米晶中加入油胺-十四烷基膦酸(OLA-TDPA)的混合配体获得了CsPbBr3-Cs4PbBr6混合材料. 在最佳比例下(CsPbBr3, TDPA与OLA的物质的量的比为1∶1∶15)制备的CsPbBr3-Cs4PbBr6钙钛矿纳米晶混合相的光致发光量子产率可达78%, 荧光寿命长达476 ns, 且其在室温环境下保持稳定性至少25 d, 在293 K和328 K之间的5个加热-冷却循环中具有良好的热稳定性. 混合纳米晶的形成经历了表面钝化/溶解和重结晶两个阶段: 在第1阶段(t ≤ 1 h), OLA-TDPA混合配体形成了(RNH3)2PO3 X型配体与纳米晶表面发生配体交换, 交换后的新配体能与纳米晶表面的Pb2+紧密的结合且含量较高, 降低了纳米晶表面的缺陷态密度, 提高了CsPbBr3类球形钙钛矿纳米晶的量子产率和荧光寿命; 在第2阶段, 由于部分PbBr2脱离CsPbBr3 NCs而使其发生了重结晶, 生成了少量六方相Cs4PbBr6纳米晶, 最终获得CsPbBr3和Cs4PbBr6双相共存的纳米晶, 从而提高了纳米晶的稳定性. 本工作对推动高效稳定的钙钛矿纳米晶的应用具有一定参考价值.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (9): 098101.
doi: 10.7498/aps.72.20222321
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提出了一种基于二氧化钒且工作频段可切换的太赫兹编码超表面. 该编码超表面由金属-二氧化钒复合层、聚酰亚胺介质层、金属反射层构成, 主要通过对顶层双裂环谐振器和十字结构的参数进行设计, 获得其所需的性能; 而二氧化钒材料的引入, 巧妙地使其可工作于双频点, 进而实现不同功能的切换. 仿真结果表明: 当二氧化钒处于绝缘态时, 在f1 = 0.34 THz的圆极化波垂直入射下, 设计的编码超表面可以视为3-bit Pancharatnam-Berry相位编码超表面, 通过对单元中双裂环谐振器设计卷积编码序列, 使该编码超表面具有以特定角度出射拓扑荷数l = ±1涡旋波束的功能; 当二氧化钒处于金属态时, 在f2 = 0.74 THz的正交线极化波垂直入射下, 设计的编码超表面可以视为2-bit各向异性编码超表面, 通过对单元中十字结构分别设计随机编码序列和棋盘格编码序列, 使该编码超表面具有雷达散射截面缩减和波束分束的功能. 其可为太赫兹电磁超材料多功能器件的设计提供一定的参考.
2023, 72 (9): 098103.
doi: 10.7498/aps.72.20222021
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三元合金CdSxSe1–x兼具CdS和CdSe的物理性质, 其带隙可以通过改变元素的组分来调节. 该合金具有优异的光电性能, 在光电器件方面具有潜在的应用价值. 本文首先通过热蒸发法制备了单晶CdS0.42Se0.58纳米带器件, 在550 nm光照及1 V偏压下, 器件的光电流与暗电流之比为1.24×103, 光响应度达60.1 A/W, 外量子效率达1.36×104%, 探测率达2.16×1011 Jones, 其上升/下降时间约为41.1/41.5 ms. 其次, 通过Au纳米岛修饰该CdS0.42Se0.58纳米带后, 器件的光电性能显著提升, 在550 nm光照及1 V偏压下, 器件的光开关比、响应度、外量子效率及探测率分别提高了5.4倍、11.8倍、11.8倍和10.6倍, 并且上升/下降时间均缩短了近一半. 最后基于Au纳米岛的局域表面等离子共振解释了器件光电性能增强的微观物理机制, 为在不增大器件面积的前提下, 制备高性能光电探测器提供了一种有效策略.
2023, 72 (9): 098104.
doi: 10.7498/aps.72.20221942
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氮化镓(GaN)器件的自热问题是目前限制其性能的关键因素, 在GaN材料上直接生长多晶金刚石改善器件的自热问题成为研究的热点, 多晶金刚石距离GaN器件工作有源区近, 散热效率高, 但多晶金刚石和GaN材料热失配可能会导致GaN电特性衰退. 本文采用微波等离子体化学气相沉积法, 在2 in (1 in = 2.54 cm)Si基GaN材料上生长多晶金刚石. 测试结果显示, 多晶金刚石整体均匀一致, 生长金刚石厚度为9—81 μm, 随着多晶金刚石厚度的增大, GaN (002)衍射峰半高宽增量和电性能衰退逐渐增大. 通过激光切割和酸法腐蚀, 将Si基GaN材料从多晶金刚石上完整地剥离下来. 测试结果表明: 金刚石高温生长过程中, 氢原子对氮化硅外延层缺陷位置有刻蚀作用形成孔洞区域, 刻蚀深度可达本征GaN层; 在降温过程, 孔洞周围形成裂纹区域. 剥离下来的Si基GaN材料拉曼特征峰峰位, XRD的(002)衍射峰半高宽以及电性能均恢复到本征状态, 说明多晶金刚石与Si基GaN热失配产生应力, 引起GaN晶格畸变, 导致GaN材料电特性衰退, 这种变化具有可恢复性, 而非破坏性.
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2023, 72 (9): 098501.
doi: 10.7498/aps.72.20230248
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面对宽幅地形测绘和空基大气测量等应用的需求, 迫切需要发展能够适应机载平台的低功耗的小型化单光子探测系统. 超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因性能优异, 已被应用到量子信息、深空通信和远程激光雷达等领域. 然而, 常规SNSPD所需低温系统的体积和重量均较大, 不易于应用到机载平台. 截至目前, 国际上还未出现应用于机载平台的SNSPD的相关报道. 本文设计并制备了工作温度为4.2 K的SNSPD. 超导探测器芯片是光敏面积为60 μm × 60 μm的四通道光子数可分辨器件, 通过光束压缩系统耦合到直径200 μm的光纤, 在温度为4.2 K时量子效率大于50%@1064 nm. 最后, 测试了单个通道的时间特性, 在不同光子数响应的情况下得到了不同的时间抖动, 其中四光子响应时的时间抖动最小, 半高宽为110 ps. 该工作不仅可支撑机载应用, 而且对于推动发展通用的小型化SNSPD系统及其应用具有积极意义.
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2023, 72 (9): 098801.
doi: 10.7498/aps.72.20222435
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由于新冠病毒不断变异, 在很长的时期内疫情会多次爆发, 每次有不同的特点. 对局部地区爆发的每一波疫情进行预测, 成为人们制定应对策略的关键. 在宏观层面对疫情防控措施优化, 意味着疫情演化数据的缺乏, 这给基于实证数据的疫情预测带来了特殊的困难. 考虑疫情与出行行为的相互影响, 本文提出了一个改进的虫口模型, 用以描述新冠疫情传播动力学过程, 试图利用少量疫情相关数据对局部地区爆发的某一特定疫情进行预测. 实证分析表明, 该模型可以很好地复现上海市2022年3月1日到6月28日发布的新冠病毒阳性感染者数据. 采用这一模型对上海市2022年12月以来的疫情趋势和关键节点进行了预测. 建议决策部门按照统计学抽样原则, 建立和完善疫情监测系统, 为疫情预测提供可靠的数据.
地球物理学、天文学和天体物理学
2023, 72 (9): 099501.
doi: 10.7498/aps.72.20222251
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微透镜辅助显微镜实现超分辨成像观测, 具有免标记、无损伤、实时、定域和环境兼容性好等优势. 液体微透镜阵列具有均一、易操控的特性, 可实现无复杂机械扫描与驱动的超分辨成像. 然而, 简单高效地精确控制成像距离是微透镜实现超分辨成像的关键技术挑战. 本文利用紫外曝光技术, 实现了光盘上光刻胶微孔深度的均一性. 结合液体自组装技术, 在微孔中填充甘油液滴, 保证微透镜辅助超分辨的成像距离. 在光学显微镜下实现了对226 nm光栅栅线的可重构超分辨观测与1.59倍成像放大. 本文从液体微透镜的阿贝显微成像原理出发, 通过理论与模拟解释了液体微透镜的成像放大与超分辨特性. 由此可见, 光盘上集成的液体微透镜阵列在光学纳米测量与传感等器件中展现了巨大的应用潜力.
