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二维磁性材料是近年来发展起来的新兴材料, 在单层或者少层的原子厚度中以其独特的磁性特性和结构特征而备受关注. 其中铁磁性材料在信息存储和处理等方面有着广泛的应用, 所以当前研究主要集中在丰富二维铁磁数据库以及开发磁调制的修饰策略上. 本文通过常压化学气相沉积法在云母片衬底上成功生长出了二维钒掺杂Cr2S3纳米片, 获得了钒源温度765 ℃和质量0.010 g为纳米片生长情况最适中条件, 并通过光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、X射线能谱、X射线光电子能谱对纳米片进行表征. 同时掺杂样品的磁性表征表明钒掺杂后样品居里转变温度变为105 K, 由亚铁磁性变为铁磁性, 矫顽力也显著增大, 证明钒掺杂可以有效地调控Cr2S3纳米片的磁性. 这些研究结果将有望推动钒掺杂Cr2S3材料向着实际应用的的可能性, 成为下一代自旋电子应用的理想候选材料之一.
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受温度及密度等环境效应影响, 温稠密物质的电子结构显著变化, 其理论描述非常复杂, 精密实验测量亦非常困难. 本文发展了基于X射线荧光光谱研究温稠密物质离化分布的实验方法, 结合理论研究有助于深入理解温稠密物质的电子结构变化. 在万焦耳激光装置上, 设计特殊构型黑腔复合加载产生数十eV、近固体密度的稠密Ti物质, 利用激光辐照V产生的热发射线泵浦Ti的荧光并采用晶体谱仪诊断样品的X射线荧光光谱. 实验中获得冷样品和加载样品的荧光光谱, 观测到加载样品$K_\alpha$ 及$K_\beta$ 荧光谱线相对于冷样品光谱在高能侧的显著变化, 结合理论计算解释了加载样品荧光谱线的变化主要来源于其温度上升后离化分布的改变, 建立了基于X射线荧光光谱的温稠密物质离化分布实验研究能力.
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半导体-超导体杂化纳米线是用于研究马约拉纳零能模和拓扑量子计算的主要平台之一, 而基于III-V族半导体InAs, InSb的纳米线则是当前此方向研究的主流材料体系. 尽管经过多年制备技术的改进和优化, 样品中过多的缺陷和杂质仍是阻碍此方向进一步发展的核心问题. 近年来, 一个新的马约拉纳纳米线候选体系——IV-VI族半导体PbTe-超导杂化纳米线吸引了广泛关注并获得了快速的研究进展. PbTe的介电常数巨大, 且具有晶格匹配的衬底, 这些优势使其有潜力突破纳米线样品质量提升的瓶颈, 成为马约拉纳零能模的研究和拓扑量子计算实现的理想平台. 本文将简单介绍最近几年在PbTe纳米线和PbTe-超导杂化纳米线器件的选区分子束外延生长、输运性质研究方面取得的重要进展, 并对这种新的马约拉纳纳米线候选体系的优势、问题及基于其实现拓扑量子计算的前景进行讨论.
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高分子的塌缩和临界吸附是高分子科学中的两个重要相变现象, 两者均伴随着高分子构象的显著变化 . 本文利用朗之万动力学方法和动力学Monte Carlo方法分别模拟了高分子的塌缩和临界吸附, 同时获得了不同温度下大量的高分子构象数据. 机器学习方法利用模拟得到的大量伸展无规线团态和塌缩液滴态、脱附态和吸附态构象数据训练神经网络, 学习高分子不同状态的特征, 快速准确地分析不同温度的高分子构象信息, 得到对应的塌缩相变温度和临界吸附温度. 结果表明机器学习能正确给出高分子体系的相变温度, 这为机器学习技术研究高分子的相变提供了新的思路和方法.
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红外隐身与可见光隐身对光谱响应的诉求不同, 导致两者功能耦合材料设计难以调和, 因此发展光学特征选择性调控技术至关重要. 基于FTO/Ag/FTO堆叠膜层结构提出一种可见光与红外兼容隐身超构薄膜, 建立可见光高透射与红外低辐射一体化协同设计方法, 诠释微结构特征对可见光透射光谱与红外反射光谱的影响机制, 进而优化设计高透明红外隐身薄膜, 并对其兼容性隐身性能测试表征. 研究表明, 可见光透射取决于半导体介质层与金属层耦合匹配作用, 而红外辐射抑制主要取决于金属层. 经优化设计的FTO/Ag/FTO膜层结构厚度为40/12/40 nm时, 具备高水平的背景透视复现与高温红外辐射抑制能力. 该研究可为可见光与红外兼容隐身材料设计及应用提供新途径.
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量子数字签名(quantum digital signature, QDS)能够以信息论安全保证签名消息的不可伪造性、不可否认性和可转移性, 近年来备受关注与研究. 其中, 利用正交编码方式提出的信息论安全的实用化QDS协议, 成为目前QDS研究的主流范式. 然而, 现有QDS理论和实验都忽视了态制备过程中由于调制器件的不完美性可能引入调制误差. 本文针对此问题提出态制备误差容忍的QDS协议. 仿真结果表明, 相比原来的QDS协议, 本协议对态制备误差具有较好的容忍度, 能实现更高的签名率和签名距离. 另外, 本协议在密钥产生阶段只需要制备3个量子态, 降低了实验要求和难度. 因此, 本协议将对未来QDS的实际应用提供重要的参考价值.
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多数投票模型是观点动力学研究中的常用模型, 本文在多数投票模型的基础上引入了具有层级结构的集体影响力, 以节点周边层级结构上的节点的度衡量中心节点的观点权重, 即为集体影响力参数. 通过蒙特卡罗模拟, 研究了具有集体影响力的多数投票模型在ER(Erdos and Rényi)随机网络与无标度网络上观点的演化, 发现系统观点均出现了有序-无序相变, 且相比原始多数投票模型更容易趋于无序, 即相变临界点更小. 原因是考虑具有层级结构的集体影响力时, 系统的集体影响力参数值整体减小, 且分布数目随着参数值的增大而减少, 呈“长尾”趋势, 占少数的高影响力个体使周围节点的观点产生跟随现象, 随着噪声参数的增大, 当少数的高影响力个体趋于无序时整个系统也会趋于无序, 即系统更容易达到无序状态. 最后通过有限尺寸标度法, 发现无论在ER随机网络或在无标度网络中, 具有集体影响力的多数投票模型的相变均为Ising模型普适类.
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采用热丝化学气相沉积法制备了含有钽原子的石墨烯竖立片层, 并将其置于含氧环境中进行退火处理, 在常压环境中发生相变得到纳米金刚石, 并研究退火环境中氧含量变化对纳米金刚石形成的影响. 结果表明, 当退火环境气压为10 Pa和50 Pa (对应氧原子百分比为1.96%和2.04%) 时, 退火后样品形貌与结构和未处理的石墨烯片层无异; 样品100 Pa和500 Pa气压下退火后(对应氧原子百分比为2.77%和3.11%), 在其中观察到了尺寸为2—4 nm的纳米金刚石, 这些金刚石晶粒多分布于非晶碳中; 继续升高退火环境气压则发现退火后样品被大面积氧化, 石墨结构遭到严重破坏. 该研究结果为纳米金刚石的制备提供了新方法.
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铯基全无机钙钛矿CsPbBr3具有良好的热稳定性, 在应用中表现出优越的发光特性, 是近年来光电领域的明星材料. CsPbBr3界面的光生载流子过程与其光电性能密切相关. 本文采用非绝热分子动力学方法结合含时密度泛函理论, 对CsPbBr3及其合金化结构的激发态动力学过程进行了系统的研究. 研究结果表明, Sn/Ge合金化能够有效缩短退相干时间, 减缓电子-空穴复合. CsPb0.75Ge0.25Br3体系的载流子寿命延长至1.6倍, 而CsPb0.5Ge0.25Sn0.25Br3体系的载流子寿命延长为原始体系的4.2倍. 证明了B位(钙钛矿结构ABX3中的B位)金属阳离子的双原子合金化对CsPbBr3的非辐射电子-空穴复合具有很强的影响. 本研究提供了一种能够有效延长钙钛矿载流子寿命, 合理优化太阳能电池性能的合金化方案, 为未来钙钛矿太阳能电池材料的设计提供了思路.
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作为非对称多原子分子制冷的一个重要目标分子, CaSH的冷却有望打破双原子分子及线性三原子分子在激光冷却中的技术局限. 本文使用高精度的EA-EOM-CCSD (electron attachment equation-of-motion coupled cluster singles and doubles)方法, 通过cc-pVXZ/cc-pCVXZ(X=T, Q)系列基组外推至基组极限, 得到了CaSH基态和3个最低激发态精确的几何结构及基态到激发态的跃迁能. 其中, 基态$ {\tilde{{\mathrm{X}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}' $ 几何结构参数分别为RCaS= 2.564 Å; RSH= 1.357Å; ∠CaSH= 91.0°; 从$ {\tilde{{\mathrm{X}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}{'} $ 到$ {\tilde{{\mathrm{A}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}{'} $ , $ {\tilde{{\mathrm{B}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}{{'}{'}} $ 和$ {\tilde{{\mathrm{C}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}{'} $ 的垂直激发能分别为1.898, 1.945和1.966 eV, 与已有实验吻合得很好. 进一步, 在3ζ级别基组上, 计算了该分子4个最低电子态的势能面, 并通过求解核运动方程给出CaS键伸缩、CaSH弯曲两个振动模的频率. 最后, 理论计算给出的$ {\tilde{{\mathrm{X}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}{'}({\mathrm{0, 0}}, 0) $ 态到激发态$ {\tilde{{\mathrm{A}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}{'}({\mathrm{0, 0}}, 0) $ , $ {\tilde{{\mathrm{B}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}{{'}{'}}({\mathrm{0, 0}}, 0) $ 和$ {\tilde{{\mathrm{C}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}{'}({\mathrm{0, 0}}, 0) $ 跃迁的Frank-Condon因子分别为0.9268, 0.9958和0.9248. 结合Frank-Condon因子和激发态寿命分析, 本文给出了可能用于CaSH冷却的光学循环, 为CaSH的激光冷却提供了理论参考.
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RNA分子三级结构模建是分子生物物理学研究的基本问题之一, 对理解RNA的功能和设计新的结构有重要意义. RNA三级结构主要由主链和侧链上的7个扭转角确定, 准确预测这些扭转角是RNA分子三级结构模建的基础. 目前只有个别采用深度学习模型预测RNA分子扭转角的方法, 而且要用于模建RNA分子的三级结构其预测精度还有待进一步提高. 本文提出了一种预测RNA分子扭转角的深度学习方法1dRNA, 采用了考虑相邻核苷酸的卷积模型(DRCNN)和考虑全链核苷酸的超长短期记忆模型(DHLSTM)两种不同的深度学习模型. 结果显示, 与现有方法相比, 这两种模型都能提高RNA分子大部分扭转角的预测精度, DRCNN预测精度提高在5%到28%之间, DHLSTM预测精度提高在6%到15%之间. 结果还显示, α和γ角是最难预测的, 环区扭转角比螺旋区的扭转角难预测, 模型对预测序列长度的变化不敏感, 模型预测角度与decoys的角度偏差可用于模型质量评估.
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石墨烯的层间键合是一种石墨烯的改性方式, 能够改变石墨烯的机械和导电等性能, 同时也会对其热学性质产生影响. 本文采用非平衡分子动力学方法, 以层间局部碳原子sp3杂化(层间形成共价键)的双层石墨烯纳米带为研究对象, 研究了层间共价键呈链状分布时, 其浓度、角度以及拉伸应变对双层石墨烯纳米带热导率的调控, 并通过声子态密度对具有层间共价键的双层石墨烯纳米带热导率变化的原因进行机理分析. 研究发现: 双层石墨烯纳米带的热导率随层间共价键浓度的增加而减小, 且依赖于共价键链的分布角度. 随着层间共价键浓度的增加, 层间共价键链与热流方向平行时, 双层石墨烯纳米带热导率下降的速率最慢, 层间共价键链与热流方向呈现一定角度时, 热导率下降的速率变快, 且角度越大, 热导率下降的速率越快. 此外研究还发现, 拉伸应变会导致具有层间共价键的双层石墨烯纳米带的热导率进一步降低. 研究结果表明, 可以通过层间键合和拉伸应变共同对双层石墨烯纳米带的热导率进行调控. 这些结论对石墨烯基纳米器件的设计及热管控具有重要的意义.
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螺旋波是一种快磁声波, 在托卡马克等离子体中通过电子朗道阻尼和渡越期磁泵效应能够高效地离轴驱动等离子体电流. 依托HL-2M装置, 根据快波等离子体色散关系, 分析获得了螺旋波强阻尼条件下对应的波参数范围; 然后, 通过联合GENRAY/CQL3D计算程序, 针对HL-2M装置稳态运行模式下的螺旋波和低杂波协同电流驱动开展了模拟研究. 研究结果表明: 高比压等离子体参数下的螺旋波和低杂波都可呈现波射线能量强吸收的现象; 双波协同使得波驱动的等离子体电流分布在较大的径向位置范围($\rho = $ 0.2—0.9)内; 同时, 螺旋波在平行磁场方向加速电子, 导致了更多的电子进入低杂波共振区, 从而有效地增大了两支波的总驱动电流. 此外, 在强阻尼条件下, 系统地研究了螺旋波平行折射率对双波协同电流驱动的影响, 结果表明双波总是呈现正协同效应, 协同因子高达1.18.
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碘化铯(CsI)光阴极响应灵敏度是软X射线条纹相机用于X射线能谱定量诊断的重要参数, 其理论计算具有重要指导意义. 目前的理论解析模型基于薄膜光阴极产生次级电子的一维随机行走模型发展而来, 具体包括X射线正入射、能量大于1 keV条件下的Henke模型, 以及变角度入射、光阴极厚度大于100 nm条件下的Fraser模型, 都存在一定局限性. 本文进一步引入次级电子输运概率的基础表达式, 推导了CsI光阴极在更大参数范围内(X射线能量0.1—10 keV、光阴极厚度10—200 nm)响应灵敏度随X射线能量E、光阴极厚度t、X射线与阴极表面夹角θ变化的一般表达式. 最后, 将本文的理论计算结果与Henke模型、Fraser模型、文献及北京同步辐射的实验数据分别进行了比较和讨论分析, 验证了计算模型的准确性和普适性, 并且为高时间分辨光谱定量测量实验中CsI光阴极的优化设计提供了理论参考.
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基于密度泛函理论的第一性原理计算, 对单层1T-CoI2的原子、电子结构和磁性进行理论研究. 本文使用广义布洛赫条件结合自旋螺旋方法计算了单层1T-CoI2自旋螺旋的能量色散关系$ E\left(\boldsymbol{q}\right) $ , 计算结果表明单层1T-CoI2的基态呈现反铁磁, 这证明了体系中含有键相关的各向异性作用, 即Kitaev作用. 计算了含有自旋-轨道耦合作用(spin orbital coupling, SOC)和不含有SOC的色散关系, 分别将色散关系映射到Heisenberg-Kitaev模型, 成功分解了多近邻海森伯作用参数J、Kitaev作用的K和非对角项Γ. 单层1T-CoI2是以Heisenberg作用为主导, 同时存在着较强的Kitaev相互作用, 其中Γ1达到了1.09 meV. 可预测Kitaev作用在具有1T结构过渡金属三角格子中具有普遍适用性, 表明单层1T-CoI2是Kitaev的备选材料, 并且为探索其他二维磁性材料的Kitaev作用奠定了理论基础.
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