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石墨烯等离激元在红外-太赫兹波段具有高度局域化和动态可调性, 但其精准调控机制仍需深入探索. 本研究基于国产第一性原理计算软件ABACUS, 采用线性响应含时密度泛函理论方法, 结合截断库仑势消除层间耦合效应, 系统研究了石墨烯狄拉克等离激元的三类调控机制. 研究结果表明, 无论采用何种调控手段, 石墨烯狄拉克等离激元的色散关系均呈现出典型的双区域特征: 在长波区域, 其色散关系遵循$\sqrt{q}$的形式; 而在短波区域, 则逐渐过渡为准线性行为. 此外, 随着载流子浓度的增加, 等离激元的激发能量呈现系统性增强, 并遵循$\omega \propto n^{1/4}$的标度律; 施加双轴应变时, 等离激元激发能量随晶格常数的增大而线性降低; 引入六方氮化硼(hBN)作为基底时, 对原始结果影响较小, 仅导致整体能量发生轻微红移. 进一步地, 研究深入揭示了上述三种调控机制的物理起源. 这些结果为基于石墨烯/hBN异质结构的高性能动态光电器件设计提供了坚实的理论支撑.
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针对传统超声透皮给药技术中声场聚焦模式单一、药物粒子穿透深度及分布范围受限等关键瓶颈问题, 本研究提出了一种基于超声换能器阵列的多阶动态移焦发射策略, 旨在实现声能量在皮肤深度方向的动态重分布, 从而提升纳米粒子的透皮效率与分布均匀性. 通过调控换能器阵元激励相位, 构建多阶移动的声聚焦作用路径, 并通过在体动物实验与有限元仿真联合验证其透皮给药效果. 结果显示, 与固定焦点模式相比, 动态聚焦显著提升了药物粒子的经皮渗透深度与空间分布均匀性, 其平均渗透深度可提高65.7%, 荧光积分强度提升69.3%, 并在皮肤组织中形成更均匀的沉积带结构. 有限元仿真结果进一步揭示了该模式下粒子扩散演化行为与焦点动态轨迹之间的强耦合机制, 证实动态移焦模式下的“多焦点接力式”驱动效应可在显著优化粒子的经皮渗透效率的同时, 有效降低局部能量沉积引发的潜在风险, 为构建高效、安全、可控的超声透皮递药技术提供了重要的理论基础与技术支撑.
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玻色-爱因斯坦凝聚体的涡旋研究是探索宏观量子现象的重要途径. 本文聚焦于旋转双势阱中势垒参数对隐藏涡旋形成和演化的影响, 旨在揭示势垒宽度和高度对涡旋动力学的调控机制. 通过数值求解带耗散的Gross-Pitaevskii方程, 分析了不同势垒宽度和高度下凝聚体的密度分布、相位分布、涡旋数量及平均角动量. 结果表明: 增大势垒宽度可以显著促进隐藏涡旋的生成, 且生成的可见涡旋和隐藏涡旋总数仍然满足费曼规则; 当势垒宽度较大时, 隐藏涡旋会沿势垒轴线呈现摆动分布, 反映隐藏涡旋间相互作用增强. 相比之下, 当势垒高度高于临界值(指能够将凝聚体完全分隔的势垒高度)时, 改变其值对生成涡旋数量影响很小; 当势垒高度低于临界值时, 隐藏涡旋核因势阱连通变得可见, 而且可见涡旋的生成阈值降低. 特别地, 在旋转谐振子势阱中临时引入中间势垒可有效引入相位奇点, 促进在较低旋转频率下生成稳定涡旋态, 优于纯谐振子势阱所需的频率. 本研究为实验调控涡旋提供了理论依据, 具有一定的学术价值和应用前景.
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有效的气体-表面相互作用参数对准确预测气体在稀薄环境中的流动特性至关重要。然而微观分子碰撞模型中不同分子动力学模拟方法得到的适应系数差异很大。为了准确描述非平衡环境中分子碰撞与动量、能量适应的关系,本文采用分子动力学模拟研究了氩与铂表面的相互作用。通过单个散射(SS)和连续散射(CS)方法系统地讨论了气-气碰撞对适应系数的影响。比较了两种方法在不同表面形态、表面温度、入射气体分子速度等影响因素下的气体-表面相互作用特性。得到了适应系数对表面温度、入射速度等参数的依赖关系。通过分析两种模拟方法的差异,揭示了多参数入射条件下适应系数变化的物理机制,为建立更精准的气体-表面相互作用模型提供了重要基础和依据。
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1.5 μm和1.7 μm双波长泵浦方案,可以在实现高效率2.8 μm激光产生的同时解决1.7 μm单波长泵浦由于基态吸收较弱需要较长掺铒氟化物光纤的问题。建立了基于双波长泵浦低掺铒氟化物光纤的2.8 μm光纤激光器仿真模型,系统分析了不同泵浦波长组合对2.8 μm激光输出功率和光光转换效率的影响。仿真结果表明选取1470 nm和1680 nm的双波长泵浦组合,可以高效地将粒子由基态能级4I15/2搬运至激光上能级4I9/2,实现粒子数反转,达到使用米级低掺铒氟化物光纤实现高效率2.8 μm波段激光输出的目标。
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大气压低温等离子体在生物医学、环境保护、纳米制造等领域有广泛的应用,而这些应用中的核心理化过程通常是等离子体与水溶液的相互作用。等离子体与水溶液的相互作用非常复杂,既包含种类繁多的气液两相反应,也包含相互耦合的粒子传质过程,使得现有的实验技术难以系统地阐释内在机制,仿真研究至关重要。近10余年来,国内外对等离子体与水溶液相互作用的仿真研究取得了重要进展,基本解决了传质与反应参数缺乏的问题,从无到有建立了多种类型的仿真模型,并积极探索基于人工智能的新型仿真方法,显著提升了对该领域的认知水平。本文将从参数获取、模型构建到智能算法3个方面综述近年来的仿真研究进展,以期为国内同行和研究生提供参考。
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作为新一代的纤锌矿铁电材料,Al1-xScxN具有高的剩余极化强度、理想的矩形电滞回线、与CMOS后道工艺兼容、稳定的铁电相等优点。作为近几年铁电领域的热点材料,国内外科研人员进行了深入研究。本文对Al1-xScxN铁电薄膜的研究进展进行了全面的综述。在Al1-xScxN铁电性的影响因素方面,讨论了Sc含量、衬底类型、沉积条件、薄膜厚度、测试频率及温度等因素对薄膜的作用。在极化翻转机制方面,详细阐述Al1-xScxN电畴特性、翻转动力学、形核位置等微观物理机制。在应用前景上,Al1-xScxN薄膜在铁电随机存储器、铁电场效应管和铁电隧道结等铁电存储器中表现出巨大潜力,为新一代高密度、低功耗铁电存储器及纳米电子器件的发展提供有力支持。
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原子核质量、β衰变半衰期以及中子俘获率是快中子俘获过程(r-过程)模拟中必不可少的核物理输入量,且核质量还影响着β衰变半衰期和中子俘获率的预测。然而,r-过程模拟涉及的许多丰中子核的质量仍然依靠理论模型的预言,并且不同模型预言结果存在显著差异。本文选取了十种原子核质量模型,其中涵盖了宏观、微观、宏观-微观模型以及结合机器学习方法的质量模型,系统研究核质量不确定性对β衰变半衰期和中子俘获率的影响。基于不同的质量表,分别采用β衰变半衰期半经验公式和TALYS程序,计算了相应原子核的β衰变半衰期和中子俘获率,为r-过程模拟提供了较为自洽的核物理输入。研究发现,丰中子区域不同质量模型的质量预言不确定性可达10 MeV。质量不确定性对丰中子核素β衰变半衰期的预言产生的差异基本在0.6个数量级以内。而对中子俘获率的影响更为显著,当天体环境温度为T=109 K时,近中子滴线核区的中子俘获率平均不确定性为2 ∼ 3个数量级,部分核素的最大与最小预言值差距甚至超过十个数量级。向丰中子区域外推时,原子核的中子俘获反应能Q(n,γ)直接影响着中子俘获率的变化趋势,并且在丰中子区域中子俘获率对Q(n,γ)的不确定性非常敏感。此外,天体环境温度升高可降低质量不确定性对远离稳定线的原子核中子俘获率预言的影响。本研究基于十种不同质量模型计算了β衰变半衰期和中子俘获率,为r-过程模拟提供了更多自洽的核物理输入。本文数据集可在科学数据银行https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00222中访问获取(审稿阶段请通过私有访问链接https://www.scidb.cn/s/iyIZFf查看本文数据集)。
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二维材料因其优异的光电性能在基础科学探索与光电子学、能源存储和转换器件等未来技术应用中展现出巨大的潜力, 成为凝聚态物理和材料科学领域的前沿热点. 二维材料独特的层状结构使其物理性能极易受外场的影响. 高压技术作为一种高效、连续且清洁的调控手段, 可以通过压缩原子间距、增强层间耦合, 甚至诱导结构相变, 进而实现对二维材料结构的精准调控以及光电性能的优化提升. 本文以石墨烯、过渡金属二硫族化合物、二维金属卤化物钙钛矿等为例, 结合金刚石对顶砧高压装置以及原位高压表征技术, 重点探讨了它们在高压下的结构演化规律与光电性能调控机制, 并指出了这一新兴研究领域所面临的挑战和机遇, 以期为新型高性能功能材料的开发和实际应用有所启发.
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采用聚类连通法, 提取高速槽道湍流中强流向速度脉动与强温度脉动对应的拟序结构. 依据空间位置, 结构被划分为壁面附着型与壁面分离型. 部分壁面附着结构在尺度上呈现自相似性, 符合Townsend附着涡假说, 据此进一步细分为矮结构、自相似结构和高结构. 条件平均结果表明, 流向雷诺正应力和温度脉动在对数区满足对数率, 这一现象同样与附着涡假设相符合; 同时, 附着结构内速度脉动与温度脉动间仍保持强雷诺比拟关系. 基于RD分解恒等式的分析显示, 低速高结构主导了壁面摩阻和热流的生成, 而高温高结构则在法向热流传输中起主要作用.
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层间激子是由范德瓦耳斯异质结构中相邻材料层内的电子与空穴通过库仑作用束缚形成的激子, 通常表现出空间间接性, 因而具有较大结合能、长寿命及主要沿垂直方向分布的电偶极矩, 在低维激子物理与新型光电器件研究中具有重要意义. 过渡金属二硫族化合物异质结构因其天然的能带对齐特性成为理想研究平台. 本文综述了层间激子的形成机制与判定方法, 总结了在典型能带结构下激子的能量分布、空间归属与态属性, 并归纳了光致发光光谱分析、瞬态吸收和电调制吸收等表征手段的识别特征. 在此基础上, 系统梳理了电场、磁场、光场、应力、扭转角等外部条件对激子能级、复合行为与光谱特征的调控规律, 并介绍了温度变化、多激子作用和多层堆叠结构等辅助策略, 揭示了层间激子的行为受能带结构、界面耦合影响及局域势场共同作用的复杂性, 对构建可控激子态与激子功能器件具有重要意义, 有望推动其在低功耗逻辑、量子光源与集成光电子芯片等领域的实际应用.
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低温感应耦合射频等离子体作为半导体制造中的关键等离子体源,其中性气体温度通过调控化学反应动力学、活性自由基分布以及等离子体-表面相互作用,对高质量芯片制造工艺具有重要影响. 本工作通过光谱法、布拉格光栅和光纤传感测温等三种测温手段,系统研究了氮气以及氮氩混合等离子体在不同射频功率、气体压力和气体组分条件下的中性气体温度(Tg)的变化规律. 另外,还结合 Langmuir 探针测量的电子密度、电子温度、电子能量概率函数以及整体模型模拟,分析了中性气体加热的物理机制. 结果表明,当射频功率增大时,耦合到等离子体的能量增多,电离反应增强,电子-中性粒子之间的碰撞过程和能量传递增多,使 Tg 呈单调递增趋势. 而当气压升高初期,电子密度和背景气体密度增加共同提升了加热效率,Tg 快速上升,但在气压超过 3 Pa后,电子平均自由程缩短,电子密度下降,而背景气体密度持续增加,因而导致 Tg 增加变缓. 在氮/氩混合体系放电中,氩气比例增加显著提高了 Tg 的上升速率,这是由于随着氩气比例增加,高能电子比例和电子密度上升,增强了电离和中性气体加热,同时氩亚稳态原子通过 Penning 过程提高了氮激发态粒子密度,并促使氮分子向高能级激发,进一步加热气体. 此外,研究发现纯氮等离子体的径向温度分布在轴向高度增加时呈现由抛物线形向马鞍形的转变,这是因为离线圈越近,受到电磁场的影响电子碰撞激发反应越强.研究还发现了径向边缘处的Tg随气压的升高几乎不发生变化,这是由于当气压不断升高时,线圈下方的电子很难运动到径向边缘处与中性粒子发生碰撞,从而限制了边缘中性粒子的加热.
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弛豫铁电体钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3,NBT)具有优异的铁电性能,被广泛认为是极具应用前景的无铅铁电材料。深入阐明其在高压下的结构演化规律与相变机理,对于推动这类环境友好型铁电材料的应用至关重要。本研究结合原位高压中子衍射实验与第一性原理计算,研究了NBT在高压下的结构演化规律。高压中子衍射实验结果表明,NBT的常压相R3c相和高压相Pnma相的共存压力区间为1.1-4.6 GPa,其体积模量分别为89.3 GPa和108.6 GPa。通过分析压力诱导的微观结构演变,本研究阐明了NBT高压相与常压相在微观结构特征上的差异及对体积模量的影响,建立了高压下NBT的微观结构响应与宏观物理性能的内在联系。获得的相关结论为无铅压电材料的高压性能调控提供了重要的实验依据与参考。
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本文通过朗之万动力学模拟,研究了具有非互易相互作用的布朗粒子对不对称齿轮的驱动。结果表明,即便在没有自推进活性的情况下,非互易相互作用所产生的净力仍可作为一种有效的非平衡驱动力,驱动不对称齿轮发生可控的定向旋转。该系统展现出丰富的非平衡动力学行为:齿轮的旋转方向不仅受其自身结构不对称性调控,还可通过改变粒子的填充分数实现反转。此外,齿轮的角速度随粒子非互易强度的增强而增大,并随温度及粒子填充分数呈现非单调变化关系,在一定参数区间内存在使齿轮角速度达到最大的最优条件。这些发现为微纳尺度下的定向输运与控制提供了新思路。
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磁控溅射沉积透明导电氧化物薄膜过程中,理解离子动力学过程是揭示“溅射损伤”机理并发展损伤抑制策略的关键。本研究在纯Ar气氛下,以氧化铟锡为阴极靶材,系统探讨辅助阳极正偏压对射频磁控放电中基底入射离子能量分布的影响。结果表明,入射正离子包括O+、Ar+、In+、Sn+及多种金属氧化物分子离子和双电荷离子,其能量由溅射原子的初始逸出能与等离子体电势共同决定,并随辅助阳极偏压的升高而增强。负离子源于阴极溅射,其中O-和O2-负离子能量分布宽广且呈多峰结构,与阴极电压、等离子体电势的射频振荡及离子输运的弛豫效应密切相关。金属氧化物负离子(InO-、InO2-、SnO-、SnO2-)对射频鞘响应滞后,其高能峰向阴极偏置电压收敛。高能负离子是导致“溅射损伤”的主要原因,施加辅助阳极正偏压能有效降低其能量,为透明导电氧化物薄膜损伤抑制提供潜在解决方案。
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