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2019, 68 (12): 120701.
doi:10.7498/aps.68.20190281
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现代红外光电探测技术有着近八十年的历史. 从二战期间第一个可实用PbS红外探测器到第三代红外光电探测器概念的提出, 红外光电探测技术经历了翻天覆地的变化. 以碲镉汞、锑化铟、铟镓砷为代表的传统红外光电探测器已在军事、遥感、通信、生命科学和宇宙探索等领域发挥着至关重要的作用. 随着人类对光电探测不断增长的需求, 尤其近几年来在人工智能、大数据、智慧城市等方面对红外信息的探测和智能感知有着强烈的需求, 大幅降低红外光电探测器的尺寸(size)、重量(weight)、功耗(power)和价格(price), 以及提高探测器的性能(performance)迫在眉睫. 因此, 要满足上述需求, 必须要寻找具有变革性特征的红外光电探测器件. 当前红外探测器正处于新旧更迭的时代, 一大批新型红外光电探测器涌出. 本文系统地介绍了一些具有变革性特征的红外探测器前沿内容, 主要包括: 人工光子微结构调控的新型红外探测器、基于能带工程的红外探测器、新型低维材料红外探测器, 以及传统红外探测器的新方向. 最后, 展望了红外光电探测未来发展面临的机遇和挑战.
2019, 68 (7): 078501.
doi:10.7498/aps.68.20181845
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β-Ga2O3是一种新型的超宽禁带氧化物半导体, 禁带宽度约为4.9 eV, 对应日盲区, 对波长大于253 nm的深紫外—可见光具有高的透过率, 是天然的日盲紫外探测及深紫外透明电极材料. 本文介绍了Ga2O3材料的晶体结构、基本物性与器件应用, 并综述了β-Ga2O3在深紫外透明导电电极和日盲紫外探测器中的最新研究进展. Sn掺杂的Ga2O3薄膜电导率可达到32.3 S/cm, 透过率大于88%, 但离商业化的透明导电电极还存在较大差距. 在日盲紫外探测器应用方面, 基于异质结结构的器件展现出更高的光响应度和更快的响应速度, ZnO/Ga2O3核/壳微米线的探测器综合性能最佳, 在–6 V偏压下其对254 nm深紫外光的光响应度达1.3 × 103A/W, 响应时间为20
${\text{μ}}{\rm{s}}$
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2019, 68 (20): 200501.
doi:10.7498/aps.68.20190553
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随着计算机科学的快速发展, 信息的存储和传播常常在各类计算机硬件以及多种网络之间进行, 传统的信息加密方案已逐渐不再适用. 因此, 基于计算机的信息加密算法近年来逐步成为研究热点. 通过结合小波包变换、压缩感知、混沌系统等理论, 一种基于压缩感知和多维混沌系统的多过程图像加密方案被提出. 该加密方案实现了针对灰度图像的压缩和加密及对应的解压、解密过程. 小波包变换理论被应用到图像的预处理阶段对原始图像进行小波包分解, 同时结合阈值处理方法对分解后所得的图像信号分量进行分类, 并在之后的处理过程中根据图像信号分量的特性对其有区分地进行压缩、加密或者保留. 在图像压缩阶段, 引入压缩感知算法克服传统采样定理采样成本高及重构质量偏低等弊端. 在图像加密阶段, 结合多类、多维度混沌系统对相关图像信号分量进行置乱. 最后, 应用压缩、加密以及小波包变换的逆过程实现对原始图像的完整重构. 仿真结果表明, 该图像加密方案在抵抗外界干扰时凭借算法鲁棒性有效地保护了密文图像的基本信息, 且在应对明文攻击等破解手段时不泄露任何有用信息. 此外, 经该加密方案加密后的密文图像的信息熵及相关系数等指标相比于参考文献中加密算法更加接近于理想值, 其加密性能有明显的提升.
2019, 68 (19): 194301.
doi:10.7498/aps.68.20190850
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声学超构材料作为一种新型的人工结构材料, 拥有天然材料所不具备的超常物理特性, 进一步拓展了材料的声学属性. 同时, 声学超构材料可以实现对声波精准的、可设计的操控, 以及许多新颖奇特的物理现象, 如声准直、声聚焦、声场隐身、声单向传输、声学超分辨成像等, 具有重要的理论研究意义和应用价值. 另外, 拓扑材料的研究已延伸至声学领域, 声学超构材料的拓扑性质成为近年的研究热点, 受到人们的广泛关注. 其鲁棒性边界态具有缺陷免疫、背散射抑制的特性, 应用潜力巨大. 本文综述了近十几年来声学超构材料的研究概况, 介绍了相关的代表性工作, 包括奇异等效声学参数的超构材料、声学超构表面、吸声超构材料、声学超分辨成像、宇称时间对称性声学和拓扑声学等, 阐述了声学超构材料的设计理念和方法, 并对其技术挑战和应用前景进行了讨论和总结.
2019, 68 (14): 149101.
doi:10.7498/aps.68.20190337
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表面等离激元近年来受到了广泛的关注. 得益于表面等离激元的强局域约束作用, 光场和能量被限制在亚波长尺度上, 因而各种光和物质相互作用可得到显著的增强. 表面等离激元的特性与材料、形貌、结构密切相关, 相应的共振波长可覆盖紫外、可见光、近红外到远红外的光谱波段. 由于表面等离激元的强局域电场, 光与物质的相互作用, 如荧光、拉曼散射、非线性光学、光热转换、光-声效应、催化、光伏转换等, 都得以显著增强. 本文简要回顾了表面等离激元的物理特性, 具体讨论了各种基于表面等离激元增强的光和物质相互作用机理及相关应用, 并探讨了存在的问题和进一步发展的方向. 本文旨在为构造更高性能的表面等离激元器件, 发展相关技术, 进一步拓展表面等离激元的应用领域提供有益的参考.
2019, 68 (23): 238401.
doi:10.7498/aps.68.20191005
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经验模态分解一类的递归算法所产生的模态混淆和端点效应将导致所获物理信息失真, 变分模态分解可改善这些问题. 但因其需预设参数, 对信号分解精度影响显著, 为此, 提出采用目标信号功率谱峰值所对应的频率以初始化变分模态分解所需中心频率, 借鉴经验模态分解递归模型, 基于能量截止法将变分模态分解改进为递归模式算法, 并采用粒子群优化算法对具有带宽约束能力的惩罚因子进行最优取值, 构成优化递归变分模态分解. 通过对比分析经验模态分解, 集成经验模态分解及优化递归变分模态分解在分解信号时的计算精度; 研究传统变分模态分解与优化递归变分模态分解在处理实际振动信号时计算速率. 结果表明: 优化递归变分模态分解在处理目标信号时精度最高, 与原分量相关性达99.9%; 与集成经验模态分解对比, 可由低至高将信号分解至不同频段, 物理意义更加清晰且不产生虚假模态; 处理实际非线性信号时, 优化递归变分模态分解无需预设分解模态个数, 相比于传统变分模态分解, 计算速率高12.5%—18.5%.
2019, 68 (6): 064202.
doi:10.7498/aps.68.20181886
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为提升单像素成像速度, 提出了基于Hadamard矩阵优化排序的压缩采样解决方案. 利用数值仿真和室外实验对提出的5种排序方法进行了对比分析. 研究结果表明: 按Haar小波变换系数绝对值排序时单像素成像效果最优, 排序对应到Walsh序后可利用快速变换重建图像, 速度达300帧/秒@64 × 64像素; 最优排序下, 采样率25%仍可重建图像, 采样速度可提升4倍. 针对排序方法与成像信噪比关系, 从关联成像角度给出了其物理解释: 测量基矩阵元邻域数值相等的区域面积等效于光场二阶相干面积, 当光场二阶相干面积随测量基由大到小排序时成像效果最优. 本文研究成果可用于提升单像素成像速度, 具有实用价值.
2019, 68 (18): 188401.
doi:10.7498/aps.68.20190339
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在甚低频(3—30 kHz)及以下频段, 与波长相比, 传统天线属于电小辐射体, 因此辐射效率很低. 如果将永磁体进行机械旋转, 可以获得时变电磁场. 与传统天线相比, 旋转永磁体将机械能向电能转换, 不需要阻抗匹配网络, 提高了辐射效率. 为了计算旋转永磁体的电磁特性, 本文基于安培环路电流理论, 研究了空间正交磁偶极子与机械旋转永磁体的场等效关系. 在此基础上, 采用无限大空间并矢格林函数, 并引入旋转永磁体的初始旋转角参数, 推导了空间正交磁偶极子场分布的通用解析表达式, 作为分析旋转永磁体及其阵列的近场和远场分布的理论模型. 仿真表明, 当钕铁硼(NdFeB)永磁体剩余磁感应强度Br= 0.8 T、体积V= 270 cm3、转速为9600 r/min时, 对应频率为160 Hz, 在自由空间1 km的位置, 将产生15 fT的磁场; 在海水介质中, 当传输距离为250 m时, 磁场快速衰减到1 fT. 本文提出采用旋转永磁体阵列对近场分布特性进行调控, 仿真结果表明: 将两个相同的旋转永磁体组成二元阵, 将使近区磁感应强度提高3 dB; 改变阵元距离和初始旋转角, 可改变近区磁场分布方向图. 机械旋转永磁体为实现小型超低频发射天线提供了新的解决思路.
2019, 68 (24): 247301.
doi:10.7498/aps.68.20191369
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金属表面等离激元作为一种微纳米结构中自由电子在光场作用下的集体振荡效应, 由于其振荡电场被强烈地束缚在亚波长尺度范围内, 可以作为未来微纳米光子回路及器件的信息载体, 同时也可以在微纳米尺度上增强光与物质的相互作用. 本文首先系统地从理论上总结金属与入射电磁波相互作用时的光学行为及性质, 然后简述激发金属中不同等离激元模式的物理本质、金属表面等离激元振荡动力学过程及当前表面等离激元耦合理论的最新进展.
2019, 68 (15): 150501.
doi:10.7498/aps.68.20190191
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在谣言传播过程中加入真实信息的传播者, 考虑了人们对谣言的遗忘因素, 建立了SITR (susceptible-infective-true-removed)谣言传播模型. 利用下一代矩阵得到了谣言传播的阈值K0, 证明了K0< 1时无谣言传播者无真实信息传播者平衡点的稳定性, 给出了边界平衡点(即有谣言传播者但无真实信息传播者, 及无谣言传播者但有真实信息传播者平衡点)存在的条件, 以及它们的稳定性, 发现了两个边界平衡点出现双稳的区域, 获得了不同条件下正平衡点的存在性, 及其局部稳定性. 最后, 通过数值模拟验证了理论结果, 模拟分析了真实信息传播者的初始值对谣言传播者的峰值及谣言的持续时间等的影响.
2019, 68 (1): 017401.
doi:10.7498/aps.68.20181531
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作为一种稳定性好、抗辐射能力强、原材料丰富的宽禁带半导体，ZnO在光催化的研究领域中成为热点材料，但是其仅能吸收可见光中的紫光，因此如何扩大ZnO对可见光的响应范围是一个值得研究的问题.掺杂改性是解决这个问题的常用方法.基于以上考量，本文应用第一性原理计算方法研究了N与Pr掺杂对ZnO的电子结构和光学性质的影响.研究结果表明：共掺体系比单掺体系更容易形成，且共掺体系的稳定性随Pr浓度的增加先增强后变弱；同一体系的最短Zn–O键与最长Zn–O键的布居数比例随杂质浓度的增大先增大后减小，说明杂质的掺入对体系的晶格畸变有很大的影响，有利于光生空穴-电子对的分离，从而提高材料的光催化活性.N 2p态与Pr 4f态发生杂化对晶体的完整性产生了破坏，在杂质原子周围形成晶场，造成能级劈裂，带隙减小；介电函数虚部的主峰位均向低能区域移动，吸收光谱中各掺杂体系发生红移，各共掺体系随着杂质原子Pr浓度的增加，在可见光区的响应范围依次扩大，吸收能力也依次增加，说明N与Pr的共掺杂对提高ZnO的光催化性是有利的.
2019, 68 (24): 240504.
doi:10.7498/aps.68.20190707
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研究了行人在能见度受限情况下的疏散行为, 考虑行人对环境的熟悉程度, 将行人分为熟悉环境人群和不熟悉环境人群. 对于房间内熟悉环境的行人, 改进势函数元胞自动机模型来模拟其疏散行为. 对于不熟悉环境人群, 分析其在视野范围内的跟随行为, 并制定了不同跟随行为策略, 来研究其跟随行为特性. 仿真模拟了房间内熟悉环境人群的人数占比、房间内的视野半径大小以及行人密度等参数, 研究其对行人疏散的影响, 比较不熟悉环境人群采取的跟随策略的优劣. 发现疏散时间的大小与房间内视野半径的大小和房间内熟悉环境者密度的大小有关. 其次, 跟随策略的有效性与视野半径的大小和熟悉环境者密度有关. 而且在单一策略环境下, 有着同样的规律. 这些发现能对大型公共场所如超市、体育馆的应急疏散情况提供一些启示, 有助于在视野受限情况下制定一些有效的指导策略.
2019, 68 (22): 226101.
doi:10.7498/aps.68.20191101
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近期, 高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的概念激发了广泛关注和研究兴趣. 由于新的体-边对应关系, 在同一维度高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的边界态的维度要低于一阶(或称传统)拓扑绝缘体和拓扑超导体的边界态. 本文阐述了高阶拓扑物态和一阶拓扑物态的联系. 具体展示了在同一维度上如何利用对称性的破缺从一阶拓扑物态转变为高阶拓扑物态, 以及如何利用低维的一阶拓扑物态构造高维的高阶拓扑物态; 回顾了高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的研究进展. 通过对近期的研究进展的回顾, 可以看出这一新兴领域虽然研究进展迅速, 但对电子型的高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的性质的理论研究和实验研究均处在非常初级的阶段, 要对这一新兴领域有更深更全面的理解认识还有待更多的研究投入.
2019, 68 (1): 019201.
doi:10.7498/aps.68.20181357
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土壤是粮食安全、水安全和更广泛的生态系统安全的基础.我国水资源贫乏，且分布不均.传统农业采用的大水漫灌方式用水量大，还会破坏土壤团粒结构，造成土壤板结、土地盐碱化等土壤退化现象.地下滴灌技术节水效果明显，水的有效利用率超过95%；但也会在一定程度上破坏土壤结构.研究表明，使用加气水滴灌不但能增加作物产量，还能提高作物品质.本文综述了滴头埋深、加气滴灌频率、灌水量、植物生育期、加气方式与设备等几个因素对加气水滴灌效果的影响，总结了加气水滴灌对土壤水环境、气环境、微生物环境、营养环境和矿物环境的影响规律，并提出加气水滴灌对土壤环境的调节机理.加气水滴灌会改变土壤结构，其水、气、微生物、营养和矿物质等土壤环境的变化一方面是土壤结构变化的结果，另一方面又会促进土壤结构的变化.同步辐射X射线计算机断层扫描的原位实验结果也证实了加气水滴灌能改变土壤的结构.
2019, 68 (16): 168504.
doi:10.7498/aps.68.20191262
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忆阻器具有高密度、低功耗和阻值能够连续可调的特性, 被认为是模拟神经突触最具潜力的候选者. 而金属氧化物, 因其氧离子可迁移, 组分易于调控, 与传统CMOS兼容等优点, 是发展高性能忆阻器件的理想材料. 本文首先介绍了氧化物基忆阻器件阻变行为及其运行机制, 包括数字型和模拟型忆阻器. 主要综述了基于模拟型忆阻器实现的突触器件认知功能模拟, 包括非线性传输特性、时域突触可塑性、经验式学习和联合式学习等. 然后进一步介绍了忆阻型突触器件在模式识别、声音定位、柔性可穿戴和光电神经突触方面的潜在应用. 最后总结展望氧化物基忆阻神经突触在相关领域的可能发展方向.
2019, 68 (2): 028702.
doi:10.7498/aps.68.20181772
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根据高强度聚焦超声(HIFU)治疗中超声散射回波信号的特点, 本文利用变分模态分解(VMD)与多尺度排列熵(MPE)对生物组织变性识别进行了研究. 首先对生物组织中的超声散射回波信号进行变分模态分解, 根据各阶模态的功率谱信息熵值分离出噪声分量和有用分量; 对分离出的有用信号进行重构并提取其多尺度排列熵; 然后通过Gustafson-Kessel (GK)模糊聚类确定聚类中心, 采用欧氏贴近度与择近原则对生物组织进行变性识别. 将所提方法应用于HIFU治疗中超声散射回波信号实验数据, 用遗传算法对多尺度排列熵的参数优化后, 对293例未变性组织和变性组织的超声散射回波信号数据进行了多尺度排列熵分析, 发现变性组织的超声散射回波信号的多尺度排列熵值要高于未变性组织; 多尺度排列熵可以较好地识别生物组织是否变性. 相对于EMD-MPE-GK模糊聚类以及VMD-小波熵(WE)-GK模糊聚类变性识别方法, 本文所提方法中变性与未变性组织特征交叠区域数据点更少, 聚类效果和分类性能更好; 本实验环境下生物组织变性识别结果表明, 该方法的识别率更高, 高达93.81%.
2019, 68 (19): 190201.
doi:10.7498/aps.68.20190806
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随着全球变暖和能源危机的到来, 寻找减少碳排放的可再生能源成为人类文明面临的最紧迫挑战之一. 振动作为一种常见的机械运动形式, 在人们的日常生活中普遍存在. 利用多种原理收集振动能量将其转化为电能成为研究热点. 基于接触生电和静电感应原理的摩擦纳米发电机(TENG)为收集振动能量提供了一种可行的方法. 本文设计了一种接触分离式TENG. 推导了TENG的电极间电压-转移电荷量-板间距离(V-Q-x)之间的关系, 结合实验分析了负载电阻、振动频率等因素对其输出性能的影响关系, 当振动频率为1—6 Hz时, 每个工作循环内电荷的转移量几乎相同, 而电压和电流随着频率的增大而增大, 频率为5 Hz时, 最大输出功率达到0.5 mW. 运用COMSOL软件对TENG进行模拟仿真, 揭示了其在接触分离过程中电势以及聚合物表面电荷密度的分布和变化规律, 为高效收集振动能量的摩擦纳米发电机及自供能振动传感器设计提供理论与实践支撑.
2019, 68 (15): 158804.
doi:10.7498/aps.68.20190343
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有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已逾 24%, 效率的飞速提升加之可低成本溶液法制备的市场优势, 使人们越来越期待钙钛矿太阳能电池的商业化. 目前钙钛矿太阳能电池商业化所面临最大的障碍是材料乃至器件的长期不稳定性, 这使其无法在使用寿命上与已商品化的硅基等太阳能电池匹敌. 本文从化学不稳定性和相不稳定性两个层面剖析了有机-无机杂化钙钛矿材料本征不稳定性的问题, 并从组分设计及制备工艺等角度给出了提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的相关建议.
2019, 68 (21): 214302.
doi:10.7498/aps.68.20191131
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针对低频噪声的隔离问题, 设计了一种薄膜底面Helmholtz腔声学超材料, 该超材料由薄膜底面Helmholtz腔附加质量单元构成. 使用有限元法, 计算了超材料在20—1200 Hz频段内的传输损失曲线与各阶共振频率, 并在实验中验证了数值计算的真实性. 研究结果表明, 超材料在20—1200 Hz频段内隔声性能良好, 出现了6个隔声峰, 其中100 Hz以下的2个隔声峰传输损失分别高达44.29 dB与67.43 dB, 整个频段内的最高传递损失为90.18 dB. 相较于单一的Helmholtz腔、薄膜声学超材料或传统材料, 本超材料的隔声性能有了较大提升. 结合共振频率与隔声峰处的振动模式图, 进一步分析了超材料的隔声机理. 计算了超材料的透射系数与反射系数, 使用等效参数提取法, 得到了超材料的等效模量与等效密度, 在隔声峰处发现了负等效密度, 同时发现其等效模量接近于零, 并由能量角度进一步分析了异常等效参数的产生机理. 通过等效电路法, 得到了超材料的声阻抗, 较精确地计算了超材料的首阶共振频率, 并分析了产生误差的原因. 研究了附加偏心质量单元对超材料隔声性能的影响, 发现附加偏心质量单元可以抑制反对称共振模态的出现, 同时大大增加了超材料的隔声峰数量, 在实验中这一说法得以验证.
2019, 68 (1): 018901.
doi:10.7498/aps.68.20181388
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结构熵可以考察复杂网络的异构性.为了弥补传统结构熵在综合刻画网络全局以及局部特性能力上的不足，本文依据网络节点在K步内可达的节点总数定义了K-阶结构熵，可从结构熵随K值的变化规律、最大K值下的结构熵以及网络能够达到的最小结构熵三个方面来评价网络的异构性.利用K-阶结构熵对规则网络、随机网络、Watts-Strogatz小世界网络、Barabási-Albert无标度网络以及星型网络进行了理论研究与仿真实验，结果表明上述网络的异构性依次增强.其中K-阶结构熵能够较好地依据小世界属性来刻画小世界网络的异构性，且对星型网络异构性随其规模演化规律的解释也更为合理.此外，K-阶结构熵认为在规则结构外新增孤立节点的网络的异构性弱于未添加孤立节点的规则结构，但强于同节点数的规则网络.本文利用美国西部电网进一步论证了K-阶结构熵的有效性.
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