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超晶格插入层对InGaN/GaN多量子阱的应变调制作用
曹文彧, 张雅婷, 魏彦锋, 朱丽娟, 徐可, 颜家圣, 周书星, 胡晓东
摘要 +
在InGaN/GaN异质结构量子阱内存在巨大的压电极化场, 这严重地削弱了量子阱的发光效率. 为了减弱量子阱内的压电极化场, 通常引入应变调制插入层提升器件的发光性能. 为了研究InGaN/GaN超晶格的应变调制效果和机理, 实验设计制备了具有n型InGaN/GaN超晶格插入层的外延结构及其对照样品. 变温光致发光谱测试表明引入n型InGaN/GaN超晶格插入层的样品发光波长更短且内量子效率提升, 相应的电致发光谱积分强度也显著增加且半宽减小, 说明引入超晶格应变插入层可以在一定程度上抑制影响发光效率的量子限制Stark效应. 理论计算结果表明: 在生长有源区量子阱前引入超晶格应变层, 可以削弱有源区量子阱内极化内建电场, 减弱有源区量子阱能带倾斜, 增加电子空穴波函数交叠, 提高发射几率, 缩短辐射复合寿命, 有利于辐射复合与非辐射复合的竞争, 实现更高的复合效率, 从而提高发光强度. 本文从实验和理论两方面验证了超晶格应变调制插入层可以有效改善器件性能, 为器件的结构设计优化指明方向.
基于神经网络的粒子输运问题高效计算方法
马锐垚, 王鑫, 李树, 勇珩, 上官丹骅
摘要 +
蒙特卡罗方法是求解粒子输运问题的有力工具之一, 其局限性在于为达到精度要求需模拟大量粒子, 计算耗时长, 这阻碍了该方法的进一步应用, 尤其在需快速响应的情形. 本文结合神经网络和若干蒙特卡罗方法基本原理发展了一种计算方法, 能够实现源分布可变, 几何、材料和目标计数不变的中子输运问题的快速准确求解. 首先, 为高效生成用于神经网络训练的数据, 利用重要性原理实现在同样模拟次数基础上有效扩充训练数据集容量, 在一定程度上克服了使用蒙特卡罗计算获取训练数据耗时长的缺点. 进而, 基于目标计数是源分布与重要性函数乘积积分的事实, 设计了利用神经网络实现快速输运计算的策略. 该网络的输入是中子源项, 输出是目标计数, 在几何、材料和目标计数固定的情况下, 该神经网络可重复使用, 根据新的源项快速准确得到目标计数. 本文所提出方法的原理和框架同样适用于其他种类粒子的同类型输运问题. 基于若干基准模型的验证表明, 训练得到的神经网络能在不到1 s的时间内得到目标计数, 且与蒙特卡罗大样本模拟得到基准结果的平均相对偏差均低于5%.
随机两体耗散所诱导的非厄米多体局域化
刘敬鹄, 徐志浩
摘要 +
本文数值研究了在一维非厄米的硬核玻色模型中由随机两体耗散所诱导的非厄米多体局域化现象. 随着无序强度的增强, 系统的能谱统计分布从AI对称类向二维泊松系综过渡, 多体本征态的归一化参与率展示了从有限值到接近零的转变, 半链纠缠熵服从体积率到面积率的转变, 动力学半链纠缠熵表现为从线性增长到对数增长的转变. 数值结果表明了在该模型中由随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象的鲁棒性. 该研究结果为非厄米系统中多体局域化的研究提供了新的视角.
正电子湮没符合多普勒展宽技术的材料学研究进展
叶凤娇, 张鹏, 张红强, 况鹏, 于润升, 王宝义, 曹兴忠
摘要 +
正电子湮没技术是研究材料微观结构的一种原子尺度表征方法, 通过分析正电子湮没行为可以得到湮没位点处局域电子密度和原子结构信息. 近年来, 正电子湮没谱学技术已经发展成为优于常规手段的特色表征技术, 其中符合多普勒展宽技术在研究缺陷附近的电子和原子结构方面具有独特优势, 商谱曲线中高动量区域形状的变化反映了正电子湮没位点周围的元素信息. 在常规符合多普勒展宽技术发展基础上, 能量可调的慢正电子束流符合多普勒展宽技术在获取表面微观结构的深度分布信息上展示出独特的作用, 同时也弥补了常规符合多普勒展宽技术只能表征体材料中缺陷环境的不足. 本文结合国内外相关进展, 综述了符合多普勒展宽技术在各类材料中的研究进展: 1)合金中空位型缺陷和纳米沉淀的演化行为; 2) 半导体中晶格空位与杂质原子的相互作用; 3)氧化物中氧空位和金属阳离子浓度的变化. 除此之外, 在聚合物中自由体积孔洞的大小、数量及分布的估算表征领域中, 符合多普勒展宽技术也逐步得到应用.
二维旋转谐振子势中单粒子的跳频压缩及演化
王渝, 吴艺豪, 李易璞, 卢凯翔, 伊天成, 张云波
摘要 +
本文主要研究二维旋转谐振子势中单粒子的动力学行为, 通过跳频的方式分析该粒子的压缩演化过程, 并分析了相应的物理机制. 一方面, 研究跳频过程对回旋半径模式的压缩演化, 通过选择适当的跳频时刻, 分析跳频过程对压缩的影响. 研究表明, 回旋半径坐标的压缩程度并未在跳频时刻发生改变, 但可在后续的演化中出现更强的压缩现象. 另一方面, 主要研究跳频过程中心导向模式的压缩演化. 通过参数的选择, 分析了两种压缩模式, 即发散模式和振荡模式的压缩及演化. 有趣的是, 在中心导向模式压缩中, 外势存在一个由旋转角速度决定的临界势阱纵横比. 压缩模式在此处发生突变, 且在振荡模式中, 势阱纵横比趋于该临界值时, 将出现明显的压缩.
金属Sc修饰Ti2CO2吸附气体分子的第一性原理研究
吴宇阳, 李卫, 任青颖, 李金泽, 许巍, 许杰
摘要 +
基于第一性原理计算研究了Ti2CO2和金属Sc修饰的Ti2CO2的几何结构和电子性质, 分析了不同有害气体(CO, NH3, NO, SO2, CH4, H2S)在这两种材料表面的吸附过程, 讨论了金属修饰对Ti2CO2MXene电子性能和气体吸附性能的影响. 计算结果表明, Sc原子位于空心位C原子上方的结构具有较大的结合能, 但小于固体Sc的内聚能实验值(3.90 eV), Sc原子可以有效避免成簇. 表面Sc金属为气体吸附提供了活性位点. 通过分析不同气体的最佳吸附点位、吸附能等参数, 分析金属Sc修饰的Ti2CO2对这些气体的吸附效果. 其中对SO2的吸附效果更好, 吸附能从–0.314 eV提升到–2.043 eV, 其他气体的吸附效果均有改善. 通过电荷转移、态密度和功函数等参数解释了其吸附能增加的原因. 由于在表面引入了新的原子, 增大了材料的载流子密度和载流子迁移率, 从而提高了材料表面的电荷转移, 为金属Sc修饰的Ti2CO2材料的气敏性能提供理论参考.
分子体系自由能地貌图的变分分析及AI算法实现
杜泊船, 田圃
摘要 +
精确描述复杂分子体系的自由能地貌图是理解和操控其行为, 并进一步实现分子设计制造工业化的重要基础. 刻画高维空间自由能地貌图的主要挑战是其往往在不同时空间尺度上具有多个层次, 每个层次都可能有不止一个亚稳态被相应的自由能垒分开, 且跨越路径有可能不止一条. 另外很多体系涉及非线性行为, 这使得理论解析和直接使用分子模拟都有很大困难. 针对这些挑战, 多年来研究者们发展了多种多样的增强采样方法, 但往往需要很多经验选择和操作, 从而一方面使得研究进程较为缓慢, 另一方面也让误差控制成为困难. 变分虽然在物理、统计和工程中已经被广泛应用并取得巨大成功, 但在复杂分子体系中的应用却随着神经网络的发展刚刚开始. 本文将对这些探索性工作的主要方向、进展和局限进行简要总结, 也对将来的可能发展给出展望, 希望能够激发更多对基于变分的分子体系自由能地貌图人工智能算法的关注和努力, 促进大分子药物、分子生物机器等实践应用的发展.
溶液法原位大面积制备钙钛矿光电薄膜成膜的同步辐射可视化结晶过程研究
杨迎国, 冯尚蕾, 李丽娜
摘要 +
溶液法是新型光电器件制备的重要手段, 然而以钙钛矿半导体材料为代表的薄膜样品制备通常需要在手套箱环境下完成, 传统的实验表征大多在空气环境下进行, 这显然很难反映薄膜结构与器件性能间的真实关联, 因此急需对溶液成膜过程的微结构演变开展原位实时研究. 为了实现溶液法成膜中的结构与形貌的同步辐射掠入射广角散射实时观测, 本文结合上海同步辐射光源线站布局, 报道了一种基于手套箱的原位成膜观测装置, 可实现标准手套箱环境(H2O, O2 < 1×10–6)下远程控制薄膜旋涂、涂布及样品后处理, 并实时可视化监测微结构和形貌演变. 基于该装置进行的钙钛矿薄膜狭缝涂布大面积成膜结晶过程的原位GIWAXS/GISAXS(grazing incidence wide and small angle X-ray scattering)可视化测试揭示了薄膜微结构转变的内在驱动力: 钙钛矿薄膜沉积界面层的优化对提升钙钛矿成核速率、诱导结晶择优取向、形成晶粒有序堆叠等具有“共性作用”, 同时在成膜过程中的新生中间相显著提升软晶格薄膜质量和稳定性. 基于卷对卷全溶液狭缝涂布方法制备的大面积全柔性3D钙钛矿薄膜太阳能电池转换效率提升至5.23%(单个器件面积约15 cm2), 为迄今报道的这一尺寸的全溶液狭缝涂布柔性钙钛矿器件的最高器件效率. 因而, 基于该同步辐射原位GIWAXS/GISAXS装置可以获得控制薄膜生长界面特性和薄膜品质的关键工艺, 指导优化制备薄膜的最佳工艺条件.
半导体缺陷的电子结构计算方法研究进展
李晨慧, 张陈, 蔡雪芬, 张才鑫, 袁嘉怡, 邓惠雄
摘要 +
半导体材料的掺杂与缺陷调控是实现其应用的重要前提. 基于密度泛函理论的第一性原理缺陷计算为半导体的掺杂与缺陷调控提供了重要的理论指导. 本文介绍了第一性原理半导体缺陷计算的基本理论方法的相关发展. 首先, 介绍半导体缺陷计算的基本理论方法, 讨论带电缺陷计算中由周期性边界条件引入的有限超胞尺寸误差, 并展示相应的修正方法发展. 其次, 聚焦于低维半导体中的带电缺陷计算, 阐述凝胶模型下带电缺陷形成能随真空层厚度发散的问题, 并介绍为解决这一问题所引入的相关理论模型. 最后, 简单介绍了缺陷计算中的带隙修正方法及光照非平衡条件下掺杂与缺陷调控理论模型. 这些工作可以为半导体, 特别是低维半导体, 在平衡或非平衡条件下的缺陷计算提供指导, 有助于后续半导体中的掺杂和缺陷调控工作的进一步发展.
基于纳米金属阵列天线的石墨烯/硅近红外探测器
张逸飞, 刘媛, 梅家栋, 王军转, 王肖沐, 施毅
摘要 +
金属纳米颗粒低聚体不仅具有等离激元共振效应实现光场亚波长范围内的局域化和增强, 还可以通过泄漏光场相互干涉实现法诺共振和连续态中的束缚态, 从而使得电磁场更强的局域和增强. 本文采用金纳米金属低聚体超构表面作为石墨烯/硅近红外探测器的天线, 实现了光响应度2倍的增强; 通过调节纳米金属低聚体间夹角, 发现当该夹角为40°时, 光电流达到最大值, 对应法诺共振最大的透射率, 此时天线不仅汇聚光场能量还定向发射给探测器; 当该夹角为20°时, 光电流出现一个低谷, 此时能量局域于低聚体内, 金属损耗减弱了等离激元增强效果. 该工作通过时域有限差分法仿真和实验相结合研究了低聚体超构表面光电耦合效率的动态过程, 为提高光电探测效率提供了一种重要的途径.
氧化钪(Sc2O3)的热漫散射强度解析
王瑞刚, 刘泽朋, 香莲, 孙勇
摘要 +
热漫散射分析在凝聚态物理和材料科学研究中具有巨大潜力与实用性. 氧化钪(Sc2O3)独特的物理化学性质, 使其具有较高的研究和应用价值. 在室温26 ℃下对Sc2O3进行了X射线衍射实验. 其热漫散射强度呈明显的振动形状, 将Sc2O3的全衍射背底强度方程展开, 并计算热漫散射强度的理论值, 直至计算到第14近邻原子(r为0.3816 nm)全衍射背底强度图谱. 将理论值与实验值拟合, 得到了最近邻原子至第7近邻原子所对应的原子间热振动相关效应值μ, 最近邻原子到第7近邻原子距离r的值分别为0.2067, 0.2148, 0.2161, 0.2671, 0.2945, 0.3229和0.3265 nm, 所对应的原子间热振动相关效应值μ分别为0.64, 0.63, 0.62, 0.61, 0.60, 0.58和0.57. 研究发现Sc2O3热漫散射强度大小与原子的热振动密切相关, 对热漫散射强度振动形状影响最大的是第7近邻原子Sc1-Sc2间的热振动相关效应μ, 原子间热振动相关效应值μ对研究材料的力热性质提供很重要的参数, 为下一步计算比热和原子间力常数打下基础, 其对于材料的力热方面的用途与发展有着至关重要的作用.
强激光场对原子核α衰变的影响
张凯林, 韩胜贤, 岳生俊, 刘作业, 胡碧涛
摘要 +
为了探究强激光对原子核α衰变的影响, 根据Gamow模型、双折叠模型、团簇模型理论, 给出了一套求解原子核α衰变寿命的方法. 计算了部分原子核α衰变的半衰期, 与实验测量值符合较好, 并进一步获取强激光作用下原子核α衰变半衰期的改变量. 结果表明, 当强激光的功率密度达到1026 W/cm2时, 超强激光可以减少部分原子核的半衰期约0.1%, 有效地影响原子核的α衰变过程. 同时, 还理论计算了α衰变半衰期随着原子核自身参数与激光功率密度的变化关系, 讨论相关参数对于原子核α衰变的影响.
Kagome超导体AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs)的掺杂效应
李永恺, 刘锦锦, 张鑫, 朱鹏, 杨柳, 张钰琪, 吴黄宇, 王秩伟
摘要 +
Kagome材料为研究电子关联效应、拓扑物态、非常规超导电性和几何阻挫等新奇物理现象提供了良好的平台. 最近, kagome超导体AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs)在凝聚态物理领域引起了广泛关注和研究, 国内外多个课题组通过化学掺杂对其物性进行有效调控, 为进一步理解和认识该体系材料提供了巨大帮助. 本文综述了AV3Sb5掺杂研究的最新进展, 对这一快速发展材料体系的掺杂效应进行了总结, 以促进kagome超导体AV3Sb5的进一步探索和研究. 具体地说, 回顾了CsV3Sb5中Nb, Ta, Ti和Sn的原子掺杂, 以及Cs, O等元素表面掺杂对材料量子效应和电子能带结构的影响, 讨论了掺杂对物性调控的物理机制. 为进一步理解和研究该材料体系的电荷密度波、时间反演对称性破缺、超导电性等丰富量子效应提供相关基础.
量子多体系统中的拓扑序与分数化激发
顾昭龙, 李建新
摘要 +
朗道费米液体理论和金兹堡-朗道相变理论是传统凝聚态物理两座重要的基石, 在处理BCS超导体和液氦超流体的形成机制等重要物理问题中取得了巨大成功. 然而, 以上世纪八十年代量子霍尔效应和高温超导的发现为开端, 人们逐渐认识到, 对于一大类新的量子态, 比如分数量子霍尔态和量子自旋液体, 其性质超越了朗道费米液体理论和金兹堡-朗道相变理论. 拓扑序及其所具有的长程多体量子纠缠和分数化激发成为我们理解这些奇异量子态的关键概念, 并逐渐构成当代凝聚态物理新的基石. 在量子材料和量子模拟系统中设计并寻找具有拓扑序的物态、探测并操控其分数化激发是当代凝聚态物理重要的研究方向. 近期, 在里德伯原子体系、超导量子处理器和二维摩尔超晶格等具有高度可调控性的量子实验平台中, 拓扑序的量子模拟和操控得到了快速发展并取得了重要成果. 本文将简要论述拓扑序在传统凝聚态材料体系和量子模拟体系中最近的研究进展和挑战, 并对该领域未来可能的发展方向做出展望.
电场方向对一维断裂纳米通道连接处水桥的结构影响研究
孟现文
摘要 +
电场影响纳米通道内的水分子的电偶极矩的取向,进而影响纳米通道内的水分子的传输。为了有效发掘水分子在纳米通道内的特殊传输特点,必须研究更复杂的纳米通道结构。最新一种构造复杂纳米通道的方式是构造断裂纳米通道。在研究断裂纳米通道内的水分子动力学特点时,通常是在零电场或单一电场方向下进行的,电场方向对断裂纳米通道内的水分子的影响机理尚不明确,这制约了部分场控分子器件的设计。为了探究该问题,本文采用分子动力学模拟的方法,系统研究了电场方向从0度变化到180度的过程中,电场方向对完整纳米通道以及断裂长度分别为0.2 nm、0.4 nm的断裂纳米通道内的水分子的占据数、传输、水桥、电偶极矩偏向等性质的影响。结果表明,在1 V/nm的电场强度作用下,这三种纳米通道内的水分子的占据数、传输等差别主要集中在电场方向与管轴夹角为90度时,此时完整纳米通道内能形成稳定的水链,断裂长度为0.2 nm的纳米通道的连接处能形成不稳定的水桥,而断裂长度为0.4 nm的纳米通道的连接处不能形成水桥。此外,模拟发现当电场极化方向与管轴夹角为90度时,增大电场的强度,断裂纳米通道连接处的水桥越容易断裂。
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