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高压放电充气毛细管可产生等离子体通道, 用于激光尾波加速. 为探究尾波级联加速所使用毛细管内的气体流动及分布规律, 本文建立了基于标准k-ε模型的弯曲毛细管内气体流动计算模型. 以氦气为工质, 对弯曲毛细管内可压气体流动过程进行数值模拟, 分析了不同结构、充气背压、充气口位置对毛细管内气体密度分布及速度场的影响. 结果表明: 双侧对冲弯曲毛细管在充气口之间管段具有较为稳定的气体密度分布, 充气口附近气体密度波动随充气口与毛细管两端距离的增大而减小; 在“直+弯”结构的级联加速毛细管中, 负责电子注入的直通道口径会对弯管内气体密度分布造成影响, 当电子注入通道口径小于150 μm时, 弯曲毛细管内气体流动受到直通道的影响较小, 可作为级联结构中的电子束导引通道.
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纳米“热点”系统中的梯度变化热导率, 是纳米尺度热传导中的新现象. 背后的新机理, 为解决纳米器件散热等工程问题提供理论基础. 首先回顾了近期在纳米体系中发现的热传导新现象. 然后, 重点围绕“热点”梯度热导率, 阐述了不同维度体系的梯度热导率变化规律. 并根据原子振动模式与声子散射的变化, 阐释了梯度热导率的物理机制. 最后, 概述了纳米“热点”的梯度热导率特性给纳米器件散热带来的新挑战和新机遇, 并对未来在该方向研究进行展望.
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以钙钛矿为代表的共点配位多面体晶体(CSCPC)具有独特而丰富的光、电、磁性质, 在多铁材料、快离子导体、光电催化等方面具有广阔的应用前景. 在众多CSCPC中, 具有优异理化性质的相只是极少数. 因此, 如何通过结构调控获得这些相, 一直是相关领域的研究热点和“卡脖子”问题. 受此启发, 本文从相结构的角度评述了近年来高性能CSCPC的合成研究, 以期明确相转变的内在规律, 并揭示其中所蕴藏的相调控机制. 首先系统地总结了CSCPC中常见的多面体和晶格骨架的类型, 并将多面体畸变大致分为偏移、转动、变形三大类. 以此为基础, 对各类材料合成方案进行分析和归纳, 发现传统的合成方案多依赖于宏观尺度上对温度、压力、组分等外部物理条件的改变. 近年来, 新兴的合成方案聚焦于对多面体几何和拓扑结构的微观调控, 如利用容忍因子和基板趋近效应来构造相结构. 它们在本质上都遵循着共同的相调控机制, 即通过引发多面体的畸变来诱导晶体转变成具有目标属性的相结构. 不同的是, 后者具有更强的目标导向性, 但其适用面还局限在配位八面体的转动体系, 如何拓展其应用范围尚存挑战性. 此外, “明确引发畸变的根源及各畸变间相互作用” 以及“基于计算机科学的定制化指导”都是优化合成方案的未来方向. 本文所做的调研和评述以期为高性能CSCPC材料的设计和制备提供一些思路和启发.
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受激光强度制约, 单束激光驱动下质子束能量难以提升. 本文提出一种多束超短强激光掠入射微带靶两侧驱动质子加速新方法. 两束激光驱动设置下, 可获得能散度约3%、能量约165 MeV的质子束. 二维粒子模拟显示, 激光在固体靶两侧提取大量准直性高能电子电荷并注入靶后方, 在靶后方自行建立纵向聚束场驱动质子加速和聚束, 形成准单能高能质子束. 研究还表明, 利用四束超短强激光掠入射微带靶两侧, 可获得能散度约2%、能量约250 MeV的质子束. 多激光束驱动质子加速机制为质子束能量提升提供了新的思路, 准单能高能质子束有望在医学治疗领域得到应用.
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现有均匀场往往基于阵列天线的特殊排布, 通过平顶波束赋形在角远场区域或者通过点聚焦在近场区域生成的, 生成的均匀场直接受制于阵列排布形态且无法灵活调控. 提出了一种基于角谱域和改进时间反演方法相结合的均匀场生成方法, 该方法不受阵列排布的限制, 能够以同一阵列排布形态, 在包括近场区域在内的任意位置, 生成指定大小、形状以及偏转角度的多种均匀场. 首先理论解析了本方法不受阵列排布限制的原因; 其次数值验证了固定阵列排布形态灵活生成多种均匀场的能力; 最后引入时间反演方法, 并做出反演信号幅度倒数加权的改进, 解决了上述均匀场在生成过程中由幅度衰减和相位延迟带来均匀场平坦度恶化等问题. 研究结果表明, 合成场质量与其对应角谱域包络的主瓣和副瓣信息有关, 且生成任意均匀场必须包含至少1/2的角谱域主瓣信息和1/2的副瓣信息. 本方法能够灵活调控一维和二维均匀场的位置、大小、形状以及偏转角度, 为灵活生成均匀场提供了一条新思路.
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磁性拓扑绝缘体是过去十年里凝聚态物理学领域的一个重要研究方向, 其拓扑非平庸能带结构与自旋、轨道、电荷、维度等自由度之间的相互作用可以产生丰富的拓扑量子物态和拓扑相变现象. 对磁性拓扑绝缘体输运性质的研究是探索其新奇物性的重要手段, 对于深入理解拓扑量子物态以及开发新型低功耗电子学器件具有重要意义. 本文回顾了近年来磁性拓扑绝缘体输运实验方面的重要研究进展, 包括磁性掺杂拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应和拓扑量子相变现象、本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4中的量子反常霍尔相、轴子绝缘体相和陈绝缘体相, 以及在脉冲强磁场下陈绝缘体演化出的螺旋式拓扑物态. 最后, 本文对未来磁性拓扑绝缘体研究的方向和该体系中尚未充分理解的输运现象进行了分析和展望.
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现代防伪技术的发展可有效抑制和打击伪造仿冒行为, 在信息安全、国防和经济等领域具有重要意义. 然而, 实现多维度、集成化、难复制且便于检测的光学防伪器件仍是一个挑战. 本文设计了一种基于图案化液晶聚合物(LCP)薄膜与热致变色胆甾相(TLC)复合而成的多维偏振型防伪器件, 它具有偏振态显现-隐藏、颜色调谐范围广、操作便捷、集成度及安全性高等优点. 对于特定偏振态的入射光, 图案化向列相LCP层可对其进行区域化相位编辑产生偏振态调制, 而TLC层对该入射光进行选择性反射, 因此巧妙地实现了一种图案化结构色防伪标签. 该防伪器件可通过调整入射光偏振方向实现彩色图案的显现、隐藏、色彩调节及图底转换. 此外, 该器件中的TLC层不仅可通过灵活设计体系配比, 满足不同环境温度对该防伪器件的应用需求, 增强其环境适用性, 还可便捷地利用体温进行加热, 实现图案的动态实时宽谱域色彩调制及可逆的图案擦除, 进一步增强其防伪维度与安全性. 本文所述器件为防伪领域的发展提供了崭新的思路.
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电子传输层对于钙钛矿太阳电池的光电转换效率和稳定性十分重要, 二氧化锡是高效钙钛矿太阳电池中常见的电子传输层, 具有良好的载流子提取和传输能力, 但是基于溶液法制备二氧化锡在空气中高温退火时表面产生大量缺陷, 降低薄膜的电学性能, 而且溶液法不利于大面积制备. 本文采用反应等离子体沉积法制备二氧化锡薄膜, 通过调控辉光时间和工作电流优化薄膜性能, 将其应用于小面积正式钙钛矿太阳电池中, 实现了21.24%的效率. 另外, 通过引入异辛酸亚锡和二氧化锡结合作为双电子传输层改善器件的迟滞, 电池开路电压从1.11 V提高到1.15 V, 效率从21.27%提升至22.15%, 迟滞因子从24.04%降低到3.69%. 本工作开发了新的制备方法和有效的优化策略来制备二氧化锡电子传输层, 推动了平面异质结钙钛矿太阳电池的发展, 为制备高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了新的研究思路和方法.
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电荷转移(charge transfer, CT1和CT3)态的反向系间窜越(reverse inter-system crossing, RISC, CT1 ← CT3)过程是提高激子利用率的有效途径, 精准利用该过程对于制备高效率激基复合物型(exciplex-type)有机发光二极管(organic light-emitting diodes, OLEDs)具有重要科学价值和应用前景. 基于m-MTDATA:Bphen的典型激基复合物由于其内部高的RISC速率而受到广泛关注. 但到目前为止, 在实验上仅从瞬态光致发光谱中推测存在该RISC过程, 这不利于全面认识并运用该过程设计高性能的光电器件. 本文通过精确调控发光层(x m-MTDATA:y Bphen, x, y为质量分数)中给体与受体的共混比例和流过器件的载流子密度, 获得了载流子平衡与非平衡的激基复合物器件, 采用特征磁电导(magneto-conductance, MC)响应曲线可视化了平衡激基复合物器件中CT态间的RISC过程, 且相比于非平衡器件, 该器件具有更高的电致发光效率. 本工作不仅能加深对于激基复合物器件中给体/受体共混比例影响载流子平衡的理解, 还为最优利用RISC过程制备高效率光电器件提供理论依据和实验基础.
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全光信号处理中具有优异非线性光学特性的光子平台对于提升器件的集成度、调制速度以及工作带宽等性能参数至关重要. 成熟的硅、氧化硅以及氮化硅光子平台由于材料本身中心对称, 基于这些平台的集成光子器件可实现的非线性光学功能受限; 二维材料尽管有着优异的非线性光学特性, 但只有原子层厚, 其非线性潜能无法被充分利用. 将二维材料与成熟的光子平台集成, 在充分利用光子平台成熟加工工艺的基础上, 可以显著提高光与二维材料的相互作用, 提升光子平台的非线性光学性能. 基于以上背景, 本文总结了近年来在基于转移方法和直接生长法制备的多种异质集成二维材料光子器件中进行非线性光学特性研究的最新进展; 阐述了相较于传统转移方法, 基于直接生长方法进行集成二维材料非线性光学研究的优势以及未来需要解决的技术难点; 指明了该领域未来的研究发展趋势; 并指出直接在各种成熟的光子平台上生长二维材料进行集成非线性光学特性的研究会对未来光通信、信号处理、光传感以及量子技术等领域的发展产生深远影响.
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