Vol. 63, No. 23 (2014)
2014年12月05日
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2014, 63 (23): 238501.
doi:10.7498/aps.63.238501
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基于kp微扰理论框架, 研究建立了单轴张/压应变Si, Si基双轴应变p型金属氧化物半导体(PMOS)反型层空穴量子化有效质量与空穴面内电导率有效质量模型. 结果表明: 对于单轴应力PMOS, 选择单轴压应力可有效增强器件的性能; 同等增强PMOS空穴迁移率, 需要施加的单轴力强度小于双轴力的强度; 在选择双轴应力增强器件性能时, 应优先选择应变Si1-xGex作为沟道材料. 所获得的量化理论结论可为Si基及其他应变器件的物理理解及设计提供重要理论参考.
2014, 63 (23): 238201.
doi:10.7498/aps.63.238201
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在Luo-Rudy相I心脏模型中考虑了细胞外钾离子浓度的频率依赖性, 并研究了细胞外钾离子浓度的延迟恢复对螺旋波动力学的影响. 数值模拟结果表明, 在螺旋波态下, 细胞外钾离子浓度的延迟恢复会导致细胞外钾离子浓度周期振荡, 其振荡周期和振幅随延迟恢复时间的增加而增加, 进而导致出现呼吸螺旋波、多螺旋波共存、螺旋波做Lévy飞行式漫游、螺旋波通过不同方式消失等现象, 这些结果与实验结果一致.
2014, 63 (23): 238202.
doi:10.7498/aps.63.238202
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通过数值模拟及振幅方程解析解方法, 从实空间和倒空间分析了受局域浓度扩散系数调控下次氯酸-碘离子-丙二酸反应扩散系统图灵斑图形成的扩散机理. 在零扩散系数调节下, 斑图形成为典型的菲克扩散; 而在负向正向扩散系数调节下, 斑图的形成依赖欠扩散和超扩散. 图灵系统的浓度稳态振幅对随机初始条件敏感性随局域浓度扩散调控系数k的增大而增加.
2014, 63 (23): 238401.
doi:10.7498/aps.63.238401
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为确定不同反馈系数k下DC-DC变换器系统的行为, 结合系统处于周期状态时的稳定性和系统处于混沌时不会重复经过每一点的特点, 提出了一种采用极限思想和信息熵来估计DC-DC变换器非线性行为的方法. 该方法能准确分析系统处于周期状态和混沌状态的熵值, 量化了DC-DC变换器倍周期分叉和混沌行为. 以一阶电压反馈DCM Boost变换器和DCM Buck变换器为例进行仿真. 研究结果表明, 所提出的信息熵可以准确反映分叉点、周期数及产生混沌的位置, 完善了该类变换器非线性动力学分析的理论和方法.
2014, 63 (23): 238402.
doi:10.7498/aps.63.238402
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研究了相对论速调管放大器中的脉冲缩短问题. 分析表明杂模振荡是引起脉冲缩短的重要原因. 利用粒子模拟对振荡的模式进行了分析, 研究了振荡的机理, 在粒子模拟中利用吸收介质对杂模实现了有效的抑制. 最后, 在实验中解决了相对论速调管放大器中的脉冲缩短问题, 在输出微波峰值功率约为920 MW时将脉宽由77 ns提高到137 ns.
2014, 63 (23): 238101.
doi:10.7498/aps.63.238101
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为解决掺杂引起的二氧化钒薄膜的红外调制幅度下降以及二氧化钒复合薄膜相变温度需要进一步降低等问题, 采用纳米结构、掺杂改性和复合结构等多种机理协同作用的方案, 利用共溅射氧化法, 先在石英玻璃上制备高(002)取向的ZnO薄膜, 再在ZnO层上室温共溅射沉积钒钨金属薄膜, 最后经热氧化处理获得双层钨掺杂W-VO2/ZnO纳米复合薄膜. 利用X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜和变温光谱分析等对薄膜的结构、组分、形貌和光学特性进行了分析. 结果显示, W-VO2/ZnO 纳米复合薄膜呈花状结构, 取向性提高, 在保持掺杂薄膜相变温度(约39 ℃)和热滞回线宽度(约6 ℃)较低的情况下, 其相变前后的红外透过率差量增加近2倍, 热致变色性能得到协同增强.
2014, 63 (23): 238301.
doi:10.7498/aps.63.238301
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超椭圆柱设计表面能够减小线圈与目标的距离, 提高空间利用率, 扩大成像区域的有效范围. 提出利用流函数法及柱面的可展性在超椭圆柱面上设计核磁共振成像系统中的梯度线圈. 根据Biot-Savart定律建立磁场强度与流函数的表达式, 采用最小二乘法和Tikhonov正则化方法构造了双目标设计函数. 利用柱面的可展性提高了基于分片离散流函数计算电磁场的数值精度, 通过L-曲线方法实现了正则参数的合理选取. 通过引入适当的流函数边界约束条件, 把梯度线圈的优化问题转化为适定线性方程组的直接求解问题. 通过数值算例验证了超椭圆柱面展开求解方法的正确性. 优化结果显示, 在满足线性度误差小于5 %的设计约束下, 该方法在设计超椭圆柱面线圈驱动电流分布的同时有效控制了梯度线圈的能耗.
2014, 63 (23): 238403.
doi:10.7498/aps.63.238403
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将周期性慢波结构中的单元结构等效为一个三端口网络, 利用高频结构模拟软件确定等效模型的参数, 由此建立了一种通用的慢波结构等效模型. 该方法不需要进行复杂的电路等效, 直接由高频软件得到通道内场分布, 因此较解析方法简单, 又不像等效线路模型那么烦琐. 基于该三端口网络模型, 建立了适用于折叠波导行波管的一维注波互作用非线性理论模型, 编写了数值计算程序, 对一支折叠波导行波管进行了模拟. 该理论模型模拟的结果与实验结果误差小于10%. 该理论模型可以用于指导新型折叠波导行波管的设计及非线性模拟研究.
2014, 63 (23): 238404.
doi:10.7498/aps.63.238404
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为解决THz行波管工作电流过小、输出功率低等问题, 提出了基模多注工作模式的折叠波导行波管. 首先, 获得了基模多注折叠波导色散特性的等效传输线计算模型, 并与数值模拟结果进行了比较; 然后, 对基模多注折叠波导的传输特性进行了模拟计算; 最后, 通过模拟和理论计算完成了0.14 THz基模多注折叠波导行波管的注波互作用特性分析. 电子注参数为12 mA, 15.75 kV时, 获得的3 dB带宽为25 GHz (128–153 GHz), 最大增益为33.61 dB, 最大峰值功率为23 W; 电子注参数为30 mA, 15.75 kV时, 在0.14 THz处获得了38 dB增益, 最大脉冲输出功率为63.1 W. 对比同条件下基模单注折叠波导行波管, 3 dB带宽提升了1倍, 0.14 THz处输出功率增大了9.66倍, 互作用效率增大了3.22倍; 当增益相同时, 多注方式的互作用长度较单注缩短了33%. 该方法能够有效增大THz行波管的工作电流, 提高互作用增益及效率、3 dB带宽、输出功率; 在增益相同时, 基模多注行波管可以做得更短更紧凑.
2014, 63 (23): 238405.
doi:10.7498/aps.63.238405
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为了克服强流高增益速调管放大器中的自激振荡和适应低阻抗脉冲功率源发展的需要, 利用高阻抗X波段五腔高增益速调管放大器进行了离轴八注八管高增益速调管功率合成技术研究, 在频率为9.47 GHz、模拟输出功率为284 MW、增益为51.6 dB和效率为35.5%条件下, 该器件整管微波输出稳定. 在三维模型中, 在离轴54 mm条件下该器件的微波输出特性稳定. 基于实验室现有4.5 T (长1.1 m, 室温孔径为150 mm)超导磁体, 进行了八注八管高增益速调管的整管模拟, 每个器件实现284 MW的微波输出. 最后, 为实现GW级功率输出, 利用HFSS软件设计了用于离轴八注八管高增益速调管功率合成的八合一功率合成器, 将该合成器同八注八管高增益速调管结合, 模拟得到功率为1.84 GW、增益为50.7 dB、效率为28.8%的微波输出.
2014, 63 (23): 238406.
doi:10.7498/aps.63.238406
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采用双基地逆合成孔径雷达距离-多普勒算法成像时, 目标尺寸较大或累积转角过大, 会引起越分辨单元徙动现象, 影响成像质量. 针对双基地角时变下逆合成孔径雷达成像的越分辨单元徙动问题, 提出了一种校正算法. 首先, 建立了双基地逆合成孔径雷达回波模型, 分析了越分辨单元徙动的产生机理, 并通过广义的Keystone变换实现了越距离单元徙动的校正, 同时消除了目标非匀速转动对成像的影响. 然后, 基于图像对比度最大准则估计了图像的等效旋转中心位置, 并对距离向绝对定标, 进而构造补偿相位项, 完成了越多普勒单元徙动的校正. 仿真实验结果表明, 此方法能够有效地校正双基地角时变下的越分辨单元徙动, 提高成像质量.
2014, 63 (23): 238407.
doi:10.7498/aps.63.238407
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静止无功补偿器(static var compensator, SVC)不仅可以为电力系统提供无功支撑、稳定电压, 其附加控制还可以有效提高系统暂态稳定性, 但SVC模型参数的不确定性以及广域测量信号时延等外部干扰给附加控制器的设计带来很大的难度. 提出了一种基于自适应滑模变结构理论的SVC鲁棒控制器设计方法, 所设计控制器能有效提高系统暂态稳定性, 并且其对于模型不确定性以及时延有较好的鲁棒性. 首先根据区域惯量中心的运动方程建立了包含SVC的电力系统模型; 然后将滑模变结构理论应用于电力系统模型中, 求得SVC附加控制律, 并通过自适应律优化控制器参数; 最后通过四机两区域系统以及IEEE9节点系统对SVC控制器效果进行了仿真验证. 结果表明, SVC自适应滑模控制器可以有效提升系统暂态稳定性, 并且其性能优于传统的线性控制方法.
2014, 63 (23): 238502.
doi:10.7498/aps.63.238502
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通过合金化改性技术, Ge可由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体. 改性后的Ge半导体可同时应用于光子器件和电子器件, 极具发展潜力. 基于直接带隙Ge1-xSnx半导体合金8带Kronig-Penny模型, 重点研究了其导带有效状态密度、价带有效状态密度及本征载流子浓度, 旨在为直接带隙改性Ge半导体物理的理解及相关器件的研究设计提供有价值的参考. 研究结果表明: 直接带隙Ge1-xSnx合金导带有效状态密度随着Sn组分x的增加而明显减小, 价带有效状态密度几乎不随Sn组分变化. 与体Ge半导体相比, 直接带隙Ge1-xSnx合金导带有效状态密度、价带有效状态密度分别低两个和一个数量级; 直接带隙Ge1-xSnx合金本征载流子浓度随着Sn组分的增加而增加, 比体Ge半导体高一个数量级以上.
2014, 63 (23): 238503.
doi:10.7498/aps.63.238503
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提出了一种基于Lambert辐射模型的发光二极管光源阵列发射天线光照度计算模型, 对室内可见光通信发射天线进行了优化设计. 分析了光源的空间分布形式、光源间距、光源中心光束与系统光轴夹角以及空间分布层间距等因素对光照度均匀性的影响. 通过仿真模拟和分析, 得到了圆形阵列天线在照度均匀性和通信传输信号稳定性方面都优于相同光源数目的矩形阵列天线, 并且提高了10 %左右; 同时得出了在满足室内照明情形下, 发光二极管阵列发射天线照度均匀度随光源间距及光源中心光束与系统光轴夹角的增加均呈现出先增加后减小的变化趋势, 因此, 光源间距和光源中心光束与系统光轴夹角均存在最优值; 照度均匀度随空间分布层间距的减小而增加, 并给出了5 m5 m3 m 普通房间内发射天线阵列设计参数的最优值, 使发射性能得到了优化, 同时节省光源数13%, 降低了成本. 这些研究为发射天线系统的设计提供了理论依据, 具有实用价值.
总论
2014, 63 (23): 230203.
doi:10.7498/aps.63.230203
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针对无人机地面遥操作中存在的通信延时、丢包等实际情况, 研究了一类具有随机时变通信时滞的遥操作系统的同步控制问题. 建立了这种具有通信时滞的主、从遥操作系统的控制模型; 采用基于Markov跳变模态参数的时变时滞函数来刻画遥控通信网络中的时滞, 在随机系统框架下, 通过均方意义下的稳定性分析, 求解系统的同步控制问题.利用一个微小型四旋翼无人飞行器半物理仿真平台对本文方法进行验证, 初步仿真结果表明, 通过反馈线性化分别设计控制器, 可以保证主、从端运动轨迹的有界性.
2014, 63 (23): 230204.
doi:10.7498/aps.63.230204
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基于中国西南地区(四川省、云南省、贵州省和重庆市)89个站点19612010年的逐月标准化降水指数序列, 利用游程理论和Copula函数分析了这一地区不同等级和不同历时干旱的出现概率及重现期特征. 结果表明: 西南地区的干旱事件多为历时小于4个月、强度小于3的干旱事件; 月内轻旱、月内中旱、季内特旱和跨季特旱的概率较大.干旱历时小于3个月和干旱强度为中旱以下的干旱类型多出现在西南地区的东部和西部, 而干旱历时大于3个月和干旱强度为重旱以上的干旱类型多出现在西南地区中部. 西南地区东部和西部的重现期大于中部地区, 且随着干旱历时和干旱强度的增大, 重现期空间差异越明显. 而且, 各气候态下相同干旱类型的概率差值不大, 概率波动范围为 0.05, 即随着时间推移, 各干旱类型出现的概率均未出现较大幅度的变化.
2014, 63 (23): 230502.
doi:10.7498/aps.63.230502
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建立了光伏微网逆变器严格的分段线性状态方程, 分析其非线性动力学行为, 然后以光伏微网逆变器为网络节点, 研究基于小世界网络模型的光伏微网系统同步方法, 并与基于邻近耦合规则的光伏微网同步进行比较. 研究发现, 基于小世界网络模型的光伏微网系统比传统的基于邻近耦合规则的光伏微网系统具有更短的同步时间, 在外加扰动的情况下也具有更快的恢复时间.
2014, 63 (23): 230205.
doi:10.7498/aps.63.230205
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信道空间衰落相关性(SFC)主要取决于波达信号的功率方位谱(PAS)和多天线阵列收发模式. 深入研究了移动通信系统中多天线阵列SFC近似计算法及其复杂性. 首先导出在典型PAS为均匀分布、高斯分布以及拉普拉斯分布下的SFC函数的闭合表达式. 再研究在波达信号PAS小角度扩展时的近似计算法, 建立多输入多输出(MIMO)多天线接收信道模型, 深入分析所选择的天线阵列和电波传播参数对MIMO 系统信道容量的影响. 通过理论计算和仿真实验得出近似计算法在特定条件下具有很好的拟合度, 定量分析了近似计算法在对MIMO多天线系统分析时的适用性和计算效率. 该算法能极大地减低理论计算复杂性, 提高分析和仿真MIMO多天线系统的效率.
2014, 63 (23): 230202.
doi:10.7498/aps.63.230202
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对(G'/G)展开法做了进一步的研究, 利用两次函数变换将二阶非线性辅助方程的求解问题转化为一元二次代数方程与Riccati方程的求解问题. 借助Riccati方程的Bcklund变换及解的非线性叠加公式获得了辅助方程的无穷序列解. 这样, 利用(G'/G)展开法可以获得非线性发展方程的无穷序列解, 这一方法是对已有方法的扩展, 与已有方法相比可获得更丰富的无穷序列解. 以(2+1)维改进的Zakharov-Kuznetsov方程为例得到了它的无穷序列新精确解. 这一方法可以用来构造其他非线性发展方程的无穷序列解.
2014, 63 (23): 230206.
doi:10.7498/aps.63.230206
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在气粒两相流动问题中, 颗粒间以及气体与颗粒间的传热问题不可忽略. 光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)模型作为一种新的求解气粒两相流动问题的方法, 已经成功应用于模拟风沙运动等问题. 在此基础上, 提出了SDPH方法的热传导模型, 模拟了气粒两相流动问题中的热传导过程以及颗粒蒸发过程. 首先引入各相的能量方程, 利用有限差分与光滑粒子流体动力学一阶导数相结合的方法, 处理各相内部热传导项中的二阶导数问题, 基于气粒两相间温度差及对流换热系数计算颗粒与气体间的热传导量, 推导得到了含热传导模型的气粒两相流SDPH计算方程组, 模拟计算了圆盘形颗粒团算例及鼓泡流化床内部热传导算例, 并与双流体模型计算结果进行对比, 结果基本符合; 其次利用离散液滴模型中的颗粒蒸发传质传热定律计算颗粒的蒸发过程, 数值模拟了颗粒射流蒸发过程, 并与离散颗粒模型结果进行对比, 两者符合得较好, 验证了该方法的准确性及实用性.
2014, 63 (23): 230501.
doi:10.7498/aps.63.230501
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为进一步增强通信系统中保密通信的安全性, 结合广义错位投影同步和延时投影同步, 提出了广义错位延时投影同步. 以分数阶Chen系统和L系统为例, 针对两系统参数都不确定, 基于分数阶稳定性理论与自适应控制方法, 设计了非线性控制器和参数自适应律, 实现了广义错位延时同步, 并辨识出驱动系统和响应系统中所有不确定参数. 理论分析和数值仿真验证了该方法的可行性与有效性.
2014, 63 (23): 230503.
doi:10.7498/aps.63.230503
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从阻尼对历史加速度记忆的角度出发, 对阶数p (0, 2)的分数阶阻尼物理意义给出了统一的合理解释, 具体分析了不同阶数下的阻尼记忆特性, 在此基础上研究了空间对称势中分数阶单分子马达在无偏置双频简谐激励下的输运问题, 通过数值方法分析了输运速度与模型各参数的关系以及分数阶阻尼对输运现象的影响机理. 研究表明, 在不同阶数下历史加速度对当前时刻阻尼力的贡献与距当前时刻的时间长度呈单增或单减关系; 在适当参数下输运速度随空间势深和外力频率的增大均会出现广义共振现象, 特别地, 在存在输运且阻尼阶数较大的情况下输运速度随势深增大出现阶梯状变化而与外力频率呈正比例关系; 输运速度及方向对外力波形十分敏感, 在不同外力下阻尼力的记忆性会分别促进或阻碍粒子跃迁, 甚至引发与整数阶方向相反的定向流.
2014, 63 (23): 230701.
doi:10.7498/aps.63.230701
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采用全波分析法对球面共形微带天线阵列进行了分析. 相比体-面积分方程, 采用球并矢格林函数的面积分方程法可以大幅减少未知量的数目, 进而缓解计算机内存压力. 微带天线阵列表面采用曲面三角形剖分, 可较精确地模拟球面特性. 首先, 引入边界电荷以及半Rao-Wilton-Glisson基函数, 成功实现了探针馈电, 并采用镜像法解决了馈电边处线积分奇异问题. 然后, 采用特征基函数法降低了阻抗矩阵的阶数, 并采取有效措施进一步节省内存和计算时间. 最后, 分析计算了不同尺寸的球面共形微带天线阵列的输入阻抗及远区场特性. 与文献和仿真软件结果进行比较, 证明了所提出的处理方法的正确性和有效性.
气体、等离子体和放电物理
2014, 63 (23): 235201.
doi:10.7498/aps.63.235201
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针对高速飞行器等离子鞘套碰撞频率的经验公式忽略电子-带电粒子碰撞以及电磁波对粒子碰撞的驱动效应对碰撞频率计算的影响问题, 提出了一种考虑电磁波驱动效应的碰撞频率分段计算方法. 该算法以等离子动力论为基础, 综合考虑了电子-中性粒子碰撞、电子-带电粒子碰撞以及电磁波驱动效应对碰撞频率计算的影响, 定义了一种新参数——电离热运动比来判断两类碰撞对碰撞频率计算的影响程度, 并根据这一参数值的大小分段计算碰撞频率. 理论分析和仿真结果表明: 所提出的算法在电离热运动比大于5时比经验公式更接近碰撞频率的真实情况, 有助于高速飞行器等离子鞘套碰撞频率的计算和诊断以及电波传播特性的计算.
2014, 63 (23): 235202.
doi:10.7498/aps.63.235202
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对长度为45 cm的短放电管螺旋波放电等离子体进行了Langmuir探针、原子发射光谱以及集成电荷耦合检测器(ICCD)检测诊断, 研究螺旋波等离子体的放电特性. Langmuir探针数据显示电子密度在射频功率增加过程中出现两次大幅增长, 由此确认了放电模式的转换及螺旋波放电模式的出现. 发射光谱测量结果与Langmuir探针测量的电子密度数据一致, 发现Ar原子和Ar离子的谱线强度与放电模式变化有着密切相关性. 而通过对不同放电模式的ICCD测量, 获得射频功率吸收因放电模式转变而变化的方式, 认为放电模式转换时电子行为和能量传递方式也发生着变化.
2014, 63 (23): 235203.
doi:10.7498/aps.63.235203
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在神光Ⅱ激光装置上进行了辐射驱动不同掺杂样品的单模Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性实验. 结果显示: 与纯碳氢(CH)样品相比, 掺Br的CH样品的扰动更早、更快地进入非线性区, 产生二次谐波, 并且掺Br比例越高, CH样品扰动进入非线性区的时间越早, 相同时刻扰动的二次谐波的幅度越高. 这是因为密度梯度效应抑制了二次谐波的产生, 掺Br比例越高, 密度梯度标长越小; 同时密度梯度效应还抑制三次谐波对基模增长的负反馈, 造成基模具有更大的线性增长, 导致线性饱和幅值大于经典值0.1λ.
2014, 63 (23): 235204.
doi:10.7498/aps.63.235204
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提出了一种新型的基于等离子体的多级虚阴极振荡器物理模型并展开了研究. 研究表明: 当电子束通过稠密等离子体背景时, 由于离子背景和焦点处虚阴极的共同作用, 得以形成多级虚阴极; 多级虚阴极对电子的作用, 使电子在各级之间振荡, 从而产生高功率微波辐射. 这是与离子通道横向的betatron振荡完全不同的一种辐射机理. 通过质点网格 (particle in cell)法模拟验证了多级虚阴极的形成, 模拟中发现, 所选参数TM024模被激发起来. 最后, 在所建模型的基础之上对辐射特性做了详细分析.
2014, 63 (23): 235205.
doi:10.7498/aps.63.235205
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基于脉冲半高全宽约为9 ns、波长为532 nm的Nd:YAG激光器, 采用条纹相机和商用数码相机两种记录设备, 建立了时间分辨和时间积分两种模式的激光阴影图像诊断系统, 在“强光一号”装置上对表面绝缘混合平面丝阵Z箍缩等离子体开展了实验研究. 实验结果表明: 在融蚀过程中表面绝缘金属丝冕等离子体发展较普通金属丝慢, 在t=44 ns 到t=56 ns之间, 其平均膨胀速度分别为1.1×104 m·s-1和1.7×104 m·s-1; 在等离子体滞止前10 ns的快速聚爆过程中, 表面绝缘金属丝和普通金属丝两侧的平均聚爆速度分别为5.5 ×105 m·s-1和9.3×105 m·s-1, 表面绝缘一侧等离子体滞止时间小于普通金属丝一侧, 分别为5.9 ns和9.5 ns; 等离子体碰撞分界线偏向于表面绝缘一侧, 滞止时形成的磁流体不稳定性结构类似.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (23): 237102.
doi:10.7498/aps.63.237102
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采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Zn偏析Cu晶界的原子构型和电子结构, 分析了Zn偏析对Cu晶界力学性能的影响. 结果表明, Zn以替换方式偏析到晶界处, Zn–Cu与Cu–Cu的成键方式类似, 均为含有共价成分的金属键. Zn偏析导致少量电荷集聚于Zn与近邻Cu之间, 有限地增强了晶界的结合. 拉伸过程中Zn的d轨道定域性增强, Zn与近邻Cu间的电荷密度下降, 削弱了Zn–Cu键, 导致晶界断裂发生在Zn–Cu间.
2014, 63 (23): 237101.
doi:10.7498/aps.63.237101
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采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 在相同环境条件下对不同浓度Ge掺杂的InI导电性能进行了研究. 建立了由不同浓度的Ge原子替代In原子的In1-xGexI (x=0, 0.125, 0.25)模型. 对低温下高掺杂Ge原子的In1-xGexI半导体的优化参数、总态密度、能带结构进行了计算. 结果表明: Ge的掺入使In1-xGexI材料的体积减小, 总能量升高, 稳定性降低; Ge原子浓度越大, 进入导带的相对电子数量越多, In1-xGexI电子迁移率减小, 电阻率增大, 同时最小光学带隙也增大, 有利于改善体系的核探测性能.
2014, 63 (23): 237103.
doi:10.7498/aps.63.237103
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Ⅱ-VI和Ⅲ-V族高失配合金半导体是新型高效中间带太阳电池的优选材料体系, 但中间带的形成及其能带调控等关键问题仍未得到有效解决. 采用氧离子注入方式,在非平衡条件下对碲化锌(ZnTe)单晶材料实现了等电子掺杂, 深入研究了离子注入对ZnTe:O材料的微观结构和光学特性的影响. 研究表明: 注入合适浓度的氧离子(2.5×1018 cm-3)将会形成晶格应变, 并诱导1.80 eV (导带下0.45 eV)中间带的产生; 而较高浓度(2.5×1020 cm-3)的氧离子会导致ZnTe注入层表面非晶化, 并增强与锌空位相关的深能级(～1.6 eV)发光. 时间分辨光致发光结果显示, 离子注入诱导形成的中间带主要是和氧等电子陷阱束缚的局域激子发光有关, 载流子衰减寿命较长 (129 ps). 因此, 需要降低晶格紊乱度和合金无序, 实现电子局域态向扩展态的转变, 从而有效调控中间带能带结构.
2014, 63 (23): 237301.
doi:10.7498/aps.63.237301
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研究MC与Mn+1ACn(M=Sc, Ti, V, Cr, Mn; A=Al, Si, P, S; n=1, 2, 3)结构的稳定性与电子特征有利于探究三元层状结构Mn+1ACn稳定性的内在原因和设计新型Mn+1ACn结构. 第一性原理计算研究表明, M-3d与C-2p轨道间的电子转移对MC与Mn+1ACn 的形成焓有较大影响. 供电子能力较强的前过渡金属可以形成稳定的MC结构. 计算结果显示, MC结构是缺电子体系, 其趋向于与具有一定供电子能力的MA结构结合形成Mn+1ACn. 与M2PC和M2SC 相比, M2AlC和M2SiC可以更为容易地被分离成二维 M2C结构.
2014, 63 (23): 237302.
doi:10.7498/aps.63.237302
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针对具有poly-Si1-xGex栅的应变SiGe p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET), 研究了其垂直电势与电场分布, 建立了考虑栅耗尽的poly-Si1-xGex栅情况下该器件的等效栅氧化层厚度模型, 并利用该模型分析了poly-Si1-xGex栅及应变SiGe层中Ge组分对等效氧化层厚度的影响. 研究了应变SiGe PMOSFET热载流子产生的机理及其对器件性能的影响, 以及引起应变SiGe PMOSFET阈值电压漂移的机理, 并建立了该器件阈值电压漂移模型, 揭示了器件阈值电压漂移随电应力施加时间、栅极电压、poly-Si1-xGex栅及应变SiGe层中Ge组分的变化关系. 并在此基础上进行了实验验证, 在电应力施加10000 s时, 阈值电压漂移0.032 V, 与模拟结果基本一致, 为应变SiGe PMOSFET及相关电路的设计与制造提供了重要的理论与实践基础.
2014, 63 (23): 237303.
doi:10.7498/aps.63.237303
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在有效质量近似和绝热近似下, 利用转移矩阵法研究了电子通过InAs/InP/InAs/InP/InAs柱形量子线共振隧穿二极管的输运问题, 分析和讨论了电子居留时间以及电子的逃逸过程. 详细研究了外加电场、结构尺寸效应对居留时间和电子逃逸的影响. 居留时间随电子纵向能量的演化呈现出共振现象; 同时, 结构的非对称性对电子居留时间有很大的影响, 随着结构非对称性的增加, 居留时间表现出不同的变化. 利用有限差分方法研究了非对称耦合量子盘中电子的相干隧穿逃逸过程.
2014, 63 (23): 237304.
doi:10.7498/aps.63.237304
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通过求解沟道的二维泊松方程得到沟道表面势和沟道反型层电荷, 建立了高k栅介质小尺寸绝缘体上锗(GeOI) p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)的漏源电流解析模型. 模型包括了速度饱和效应、迁移率调制效应和沟长调制效应, 同时考虑了栅氧化层和埋氧层与沟道界面处的界面陷阱电荷、氧化层固定电荷对漏源电流的影响. 在饱和区和非饱和区, 漏源电流模拟结果与实验数据符合得较好, 证实了模型的正确性和实用性. 利用建立的漏源电流模型模拟分析了器件主要结构和物理参数对跨导、漏导、截止频率和电压增益的影响, 对GeOI PMOSFET的设计具有一定的指导作用.
2014, 63 (23): 237305.
doi:10.7498/aps.63.237305
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为了提高小尺寸绝缘体上硅(SOI)器件的击穿电压, 同时降低器件比导通电阻, 提出了一种具有L型源极场板的双槽SOI高压器件新结构. 该结构具有如下特征: 首先, 采用了槽栅结构, 使电流纵向传导面积加宽, 降低了器件的比导通电阻; 其次, 在漂移区引入了SiO2槽型介质层, 该介质层的高电场使器件的击穿电压显著提高; 第三, 在槽型介质层中引入了L型源极场板, 该场板调制了漂移区电场, 使优化漂移区掺杂浓度大幅增加, 降低了器件的比导通电阻. 二维数值仿真结果表明: 与传统SOI结构相比, 在相同器件尺寸时, 新结构的击穿电压提高了151%, 比导通电阻降低了20%; 在相同击穿电压时, 比导通电阻降低了80%. 与相同器件尺寸的双槽SOI结构相比, 新结构保持了双槽SOI结构的高击穿电压特性, 同时, 比导通电阻降低了26%.
2014, 63 (23): 237306.
doi:10.7498/aps.63.237306
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针对传感器的敏感单元发展需求, 提出了一种 碳纳米管复合材料. 该材料是 以碳纳米管作为填充粒子, 结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)有机基体, 采用超声共混方法制备的一种新型传感器敏感元件. 详细分析研究了复合材料的制备工艺参数, 以及在不同工艺参数下该复合材料的力敏特性. 扫描电镜测试表明碳纳米管在PDMS中分散均匀且镶嵌良好. 通过对不同体积分数的碳纳米管与PDMS复合材料进行电学性能测试, 研究薄膜的“力-电阻”和“力-电容”耦合性能, 测试了薄膜结构的力敏效应. 计算得到复合薄膜材料的压阻灵敏度因子达到40, 压电容灵敏度因子达到70. 实验研究表明, 通过改变碳纳米管与PDMS的比例, 可以很好地调节其电子输运特性以及电阻和电容的应力敏感特性, 可以为该类型的力敏材料在不同的力敏传感技术领域提供新的研究思路.
2014, 63 (23): 237401.
doi:10.7498/aps.63.237401
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利用混合物理化学气相沉积法在石墨衬底上制备出了晶形为六角结构、厚度不同、径向尺寸不一的MgB2单晶纳米晶片. 利用纳米定向转移技术将此晶片转移到了碳支持膜铜网上, 以便对其精细结构等物性进行表征. 电输运测量和磁性测量结果都表明晶片具有超导电性: Tconset=38 K, Tc(0)=33 K. 扫描电子显微镜图像表明, 晶片表面平整、厚度分布在几个纳米到200 nm之间, 宽度从几微米到上百微米; 高分辨透射电镜图像显示出晶片具有周期性晶格条纹. 选区电子衍射数据与MgB2已有的单晶衍射数据相符. 这些测量结果证实了其确为高质量单晶MgB2超导纳米晶片. 本文不仅提出了一种全新的制备单晶MgB2的方法, 也观察到了纳米尺度MgB2单晶的零电阻现象, 为后续的磁通钉扎、纳米力学性能等领域的深入研究提供了合适的素材.
2014, 63 (23): 237501.
doi:10.7498/aps.63.237501
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采用传统固相反应法制备钙钛矿型锰氧化物 (La0.8Eu0.2)4/3Sr5/3Mn2O7多晶样品, X-射线衍射分析表明, 样品(La0.8Eu0.2)4/3Sr5/3Mn2O7结构呈现良好的单相. 通过磁化强度随温度的变化曲线(M-T)、不同温度下磁化强度随磁场的变化曲线(M-H)和电子自旋共振谱发现: 在300 K以下, 随着温度的降低, 样品先后经历了二维短程铁磁有序转变 (TC2D ≈ 282 K)、三维长程铁磁有序转变(TC3D ≈ 259 K)、奈尔转变(TN ≈ 208K)和电荷有序转变(TCO ≈ 35 K); 样品 (La0.8Eu0.2)4/3Sr5/3Mn2O7在TN以下, 主要处于反铁磁态; 在TC3D达到370 K时, 样品处于铁磁-顺磁共存态, 在370 K以上时样品进入顺磁态. 此外, 分析电阻率随温度的变化曲线(ρ-T)得到: 样品在金属-绝缘转变温度(TP ≈ 80 K)附近出现最大磁电阻值, 其位置远离TC3D, 表现出非本征磁电阻现象, 其磁电阻值约为61%. 在TCO以下, 电阻率出现明显增长, 这是由于温度下降使原本在高温部分巡游的eg电子开始自发局域化增强所致. 通过对 (La0.8Eu0.2)4/3Sr5/3Mn2O7的ρ-T 曲线拟合, 发现样品在高温部分的导电方式基本遵循小极化子的导电方式.
2014, 63 (23): 237502.
doi:10.7498/aps.63.237502
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研究了Fe和Cr掺杂对La0.4Ca0.6MnO3 中电荷有序反铁磁基态的调控作用. 磁性质的测量结果表明, 两种离子掺杂均能有效抑制原型样品中的长程电荷有序相, 但是Fe离子掺杂样品均具有反铁磁的基态, 而Cr掺杂样品中则出现了显著的铁磁性. 结合电输运测量结果显示, Cr掺杂引起的铁磁态同时具有金属性, 表明其中是电子双交换作用占主导. 对比两种掺杂离子的电子结构发现, Cr离子空的eg电子轨道促进了电子双交换作用, 而Fe掺杂则只是引入了不同的自旋交换作用, 导致自旋无序.
2014, 63 (23): 237801.
doi:10.7498/aps.63.237801
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柱矢量光束具有柱对称性的偏振分布, 其独特的光场分布和聚焦特性被广泛应用于光学微操纵及光学成像等领域, 并迅速向亚波长尺度拓展. 通常, 亚波长尺度聚焦采用等离激元透镜实现, 但存在光场调控的偏振态局限性. 而借助光子晶体的负折射效应, 不仅能够实现亚波长聚焦或成像, 而且应对正交偏振态同时有效. 采用对电磁波具有更强调控能力的一维金属光子晶体结构, 计算得到的能带结构和等频曲线表明其负折射效应在特定波段对正交偏振态同时有效. 在此基础上设计出一维金属光子晶体柱对称平凹镜结构, 通过有限元算法模拟显示了可见光波段的径向和旋向偏振光的同时亚波长聚焦行为. 进一步的结果表明, 改变柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地调节焦场空间分布及偏振分布特性. 所提出的平凹镜结构能够实现对任意偏振组分的柱矢量光束的亚波长尺度聚焦, 且该结构的设计对于各波段情况均有参考意义. 该研究结果对小尺度粒子的光学微操纵、超分辨率成像等相关领域具有潜在的应用价值.
综述
2014, 63 (23): 230201.
doi:10.7498/aps.63.230201
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本文综述了作者的研究成果. 近十年, 作者将现有静态统计信息理论拓展至动态过程, 建立了以表述动态信息演化规律的动态信息演化方程为核心的动态统计信息理论. 基于服从随机性规律的动力学系统(如随机动力学系统和非平衡态统计物理系统)与遵守确定性规律的动力学系统(如电动力学系统)的态变量概率密度演化方程都可看成是其信息符号演化方程, 推导出了动态信息(熵)演化方程. 它们表明: 对于服从随机性规律的动力学系统, 动态信息密度随时间的变化率是由其在系统内部的态变量空间和传递过程的坐标空间的漂移、扩散和耗损三者引起的, 而动态信息熵密度随时间的变化率则是由其在系统内部的态变量空间和传递过程的坐标空间的漂移、扩散和产生三者引起的. 对于遵守确定性规律的动力学系统, 动态信息(熵)演化方程与前者的相比, 除动态信息(熵)密度在系统内部的态变量空间仅有漂移外, 其余皆相同. 信息和熵已与系统的状态和变化规律结合在一起, 信息扩散和信息耗损同时存在. 当空间噪声可略去时, 将会出现信息波. 若仅研究系统内部的信息变化, 动态信息演化方程就约化为与表述上述动力学系统变化规律的动力学方程相对应的信息方程, 它既可看成是表述动力学系统动态信息的演化规律, 亦可看成是动力学系统的变化规律都可由信息方程表述. 进而给出了漂移和扩散信息流公式、信息耗散率公式和信息熵产生率公式及动力学系统退化和进化的统一信息表述公式. 得到了反映信息在传递过程中耗散特性的动态互信息公式和动态信道容量公式, 它们在信道长度和信号传递速度之比趋于零的极限情况下变为现有的静态互信息公式和静态信道容量公式. 所有这些新的理论公式和结果都是从动态信息演化方程统一推导出的.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (23): 234101.
doi:10.7498/aps.63.234101
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电磁脉冲武器能够通过“前、后门”耦合效应对箱体内部电子元器件及电路板造成损伤, 从而对电气电子设备的安全性构成严重威胁, 因此, 开展箱体电磁屏蔽效能的分析研究具有重要意义. 推导了任意入射波条件下电大开孔箱体屏蔽系数的解析解, 并在此基础上对箱体屏蔽效能进行了分析研究. 首先通过矢量分解, 得出任意入射平面波的坐标分量; 再基于Cohn模型, 获得了电大开孔的等效电偶、磁偶极子; 然后通过镜像原理, 计算出总的赫兹电矢量位、磁矢量位; 最终求得电大开孔箱体内部任意观测点的电场解析解, 用于箱体屏蔽系数计算. 设计了5组验证性实验, 仿真结果表明: 该解析算法相对CST的均方误差为11.565 dB, 绝对误差为8.015 dB, 相关系数为0.921, 从而验证了该算法的准确性; 解析算法仿真的平均耗时为0.183 s, 仅占CST耗时的1/7530, 从而验证了该算法的高效性.
2014, 63 (23): 234201.
doi:10.7498/aps.63.234201
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目前, 基于稀疏表示的目标跟踪通常为在目标模板集上重构候选样本的正向模型或者在候选样本集上描述目标模板的反向模型. 两个模型的共同点是均需计算候选样本与模板集合之间的稀疏相关系数矩阵. 基于此, 建立了一个双向联合稀疏表示的跟踪模型, 该模型通过L2范数约束正反向稀疏相关系数矩阵达到一致收敛. 与之前的单向稀疏表示模型相比, 双向稀疏表示跟踪模型在正反向联合求解框架下可以更加充分地挖掘所有候选样本与模板集之间的稀疏映射关系, 并将稀疏映射表上对正负模板区分度最好的候选样本作为目标. 基于加速逼近梯度(accelerated proximal gradient)快速算法, 以矩阵形式推导了双向稀疏表示模型的求解框架, 使得候选样本集和目标模板集均以矩阵方式并行求解, 在一定程度上提高了计算效率. 实验数据表明所提出的算法优于传统的单向稀疏表示目标跟踪算法.
2014, 63 (23): 234202.
doi:10.7498/aps.63.234202
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针对光纤激光器自混合干涉传感应用, 研究了光纤激光器自混合干涉特性, 运用四镜法布里-珀罗腔模型对掺铒线形腔光纤激光器自混合干涉效应进行了理论分析, 对不同反馈水平下的自混合干涉信号进行了数值模拟, 获得了光反馈条件下光纤激光器输出特性. 外腔长度的改变会调制激光器的输出强度, 外腔长度变化半个波长, 对应一个干涉条纹, 弱反馈条件下, 由反馈引起的激光器的频率变化可以忽略. 设计了基于光纤激光器的自混合干涉实验, 实验结果和理论分析相符合. 此研究结果为进一步开展光纤激光器的自混合干涉传感应用研究奠定了理论与实验基础.
编辑推荐
2014, 63 (23): 234203.
doi:10.7498/aps.63.234203
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软X射线平焦场光栅光谱仪是等离子体诊断的重要仪器, 其核心光学元件全息平焦场光栅通常采用非球面波记录光路制作, 因此光栅条纹存在弯曲的现象. 光栅条纹的弯曲会影响光谱成像质量, 从而影响系统的光谱分辨率. 记录光路的优化, 只保证光栅子午面的线密度分布, 因此优化的记录光路并不是惟一的, 所以在保证子午面的线密度分布的同时能制作具有不同弯曲程度条纹的光栅. 针对应用于0.86 nm的全息平焦场光栅, 利用光线追迹方法分析了不同弯曲程度条纹光栅的光谱成像, 发现采用柱面反射镜制作的接近于直条纹的光栅具有较好的光谱成像质量. 相对于弯曲条纹的光栅, 接近于直条纹的光栅理论光谱分辨率有明显的提高, 入射波长为3 nm时, 光谱分辨率从626提升到953, 入射波长为5 nm时, 光谱分辨率从635提高到1222.
编辑推荐
2014, 63 (23): 234601.
doi:10.7498/aps.63.234601
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采用大规模分子动力学方法研究了刚性球型探头与具有不同纳米沟槽基体表面的黏着接触过程, 探讨了表面沟槽结构对载荷-位移曲线、接触引力和拉离力以及材料转移的影响规律. 研究结果表明: 在相同的压入深度下, 与原子级光滑表面的黏着接触过程相比, 刚性探头与具有纳米沟槽结构基体表面的接触压力较小, 接触加载过程中的引力作用范围较大, 并伴随载荷的多次跳跃, 且接触引力和拉离力均有减小; 当沟槽深度相同时, 随着沟槽宽度的增大, 接触引力和拉离力逐渐减小, 当沟槽宽度逐渐接近探头与光滑表面的接触直径时, 接触引力和拉离力又逐渐增大, 趋于接近探头与光滑表面的接触过程; 当沟槽宽度相同时, 随着沟槽深度的增大, 接触引力相对减小, 拉离力变化不大.
原子和分子物理学
2014, 63 (23): 233301.
doi:10.7498/aps.63.233301
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在相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS)显微镜中, 共线传输的紧聚焦高斯光束激发具有不同形状和尺寸的待测样品所产生的CARS信号场的空间分布决定了整体系统的结构特点. 建立了紧聚焦条件下球形样品产生CARS信号场的理论模型. 利用矢量波动方程分析了紧聚焦条件下线偏振的高斯光束的光场强度和相位分布. 利用格林函数求解该模型中CARS信号场的矢量波动方程, 模拟计算得到了不同直径球形样品的远场CARS信号场的空间分布. 理论分析和模拟计算结果表明, 对于小体积的球形样品, 前向和背向传输的CARS信号场强度接近, 因此采用大数值孔径物镜背向探测方式即可获得高对比度图像. 对于大体积球形样品, CARS 信号场的强度大幅增强, 且发射方向主要集中在前向的一定立体角内. 因此, 采用小数值孔径物镜即可有效收集前向传输的CARS信号.
2014, 63 (23): 233104.
doi:10.7498/aps.63.233104
摘要 +
在B3LYP/6-311++G(d, p)水平上预测了Al2O3H3分子的较低能量构型. 其基态构型具有Cs对称性, 电子态为1A'. 通过研究Al2O3M3和M2 (M=H, D, T)的能量E、定容热容CV和熵S, 用电子振动近似讨论了Al2O3+3/2 M2→Al2O3M3反应的氢同位素效应,得到了Al2O3氢化的热力学函数△H0, △S0, △G0,及平衡压力与温度的关系. 研究表明, 氧化物Al2O3吸附氢(氘,氚)反应的同位素排代效应顺序为氚排代氘, 氘排代氢,与钛等金属的同位素排代顺序相反. 但排代效应都非常弱, 且随着温度的增加趋于消失.
2014, 63 (23): 233101.
doi:10.7498/aps.63.233101
摘要 +
采用从头算的单双取代的二次组态相互作用方法及耦合簇理论对SiF2自由基的基态进行结构优化, 发现用单双取代的二次组态相互作用方法配有基组6-311G(2df)计算得到的结构参数、谐振频率、离解能及力常数与实验值最接近并优于文献值. 借助多体项展式理论导出SiF2自由基的势能函数并绘制了等值势能图. SiF2自由基对称伸缩振动和旋转势能图显示: 在SiF+F →SiF2反应通道上有鞍点出现, F原子需要越过4.38 eV的能垒才能生成稳定的SiF2自由基; 只能通过SiF+F→SiF2两个等价的通道才能生成稳定的SiF2 自由基, 并且该反应是有阈能的吸热反应.
2014, 63 (23): 233102.
doi:10.7498/aps.63.233102
摘要 +
采用密度泛函理论中的B3LYP方法, 结合从头算的CCSD(T)方法对Ti2Bn(n=1–10)团簇的稳定性和电子性质进行了研究. 发现两个Ti原子的掺杂导致Bn团簇结构发生了根本性变化. 随着n的增大, Ti2Bn团簇结构生长非常规律. 所有的最稳定结构都可看成双锥结构, 并且两个Ti原子处在双锥结构的锥顶. 根据二阶差分能量分析, 得出Ti2Bn(n=1–10)团簇的幻数是6, 7和8. 进一步分析了团簇的Ti原子解离能、B原子解离能以及团簇的电子亲和势和电离势. 这些能量分析表明Ti2B6团簇既有良好的热力学稳定性, 又有良好的动力学稳定性. 应用前线轨道理论, 对Ti原子与B6之间的成键进行了分析, 了解其稳定性的根源.
2014, 63 (23): 233103.
doi:10.7498/aps.63.233103
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一定浓度的Pd掺杂能够有效地提高NiTi合金的相变温度, 并且降低热滞. 为了解其作用机理, 采用第一性原理计算方法, 对不同Pd掺杂浓度下NiTi合金(Ni24- nPdnTi24, n=2, 3, 4, 5, 6, 9, 12; 掺杂浓度分别为 4.2 at.%, 6.3 at.%, 8.4 at.%, 10.4 at.%, 12.5 at.%, 18.8 at.%, 25 at.%)的相稳定性和结构特性进行计算讨论. 马氏体相变温度可以通过奥氏体与马氏体两相能量差值进行分析, 且能量差越大相变温度越高; 相变过程中两相晶格常数之比越接近于1则热滞越接近于0. 计算结果表明: 当掺杂浓度小于10.4 at.% 时, B19'是最稳定的马氏体相, 体心四方(BCT)结构与B19'相的能量差随掺杂浓度的增加略有下降; 当掺杂浓度大于等于10.4 at.%时, B19相是最稳定的马氏体相, BCT与B19的能量差随着掺杂浓度增加显著升高. 这意味着在掺杂浓度大于等于10.4 at.%时相变温度随掺杂浓度的增加而显著增加. 用几何模型分析了马氏体相变的热滞, 结果表明掺杂浓度为10.4 at.% 时B2到B19相的相变过程热滞最小, 与实验结果一致.
2014, 63 (23): 233201.
doi:10.7498/aps.63.233201
摘要 +
利用镜像法结合半经典闭合轨道理论, 对氢负离子在电介质球面附近的光剥离进行了研究. 首先利用镜像法分析了剥离电子在电介质球内的镜像电荷分布情况, 然后给出了体系的哈密顿量. 通过求解哈密顿正则方程, 找到了剥离电子在电介质球面附近运动时的闭合轨道. 借助于半经典闭合轨道理论, 推导出了体系的光剥离截面, 并且对光剥离截面进行了计算和分析. 计算结果表明, 氢负离子在电介质球面附近的光剥离截面不仅与入射光子的能量有关, 而且还与电介质球面的介电常数有关. 对于给定的电介质球面, 随着入射光子的能量增加, 光剥离截面的振荡振幅减小、振荡频率增加. 当入射光子的能量增加到某一临界值时, 光剥离截面的振荡结构消失. 除此之外, 随着电介质球面介电常数的增大, 光剥离截面的振荡结构变得更加复杂. 当电介质常数增大到无穷大时, 体系的光剥离截面和氢负离子在金属球面附近的光剥离截面一致. 因此, 可以通过改变入射光子的能量及电介质球面的介电常数对氢负离子在电介质球面附近的光剥离截面进行调控研究. 研究结果对负离子体系在电介质球面附近的光剥离的实验研究可以提供一定的理论指导和参考价值.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2014, 63 (23): 236101.
doi:10.7498/aps.63.236101
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密排六方结构的Zr呈现弹塑性各向异性, 轧制工艺会使材料内部产生晶间应力. 准确地评估Zr合金内部的晶间应力分布并明确其微观形变机制, 对其服役能力和使用寿命的准确评判具有重要的科学意义和应用价值. 利用中子原位衍射技术结合弹塑性自洽(EPSC)模拟分析了Zr-4合金的压缩形变行为, 加载方式为沿轧板厚度方向压缩. 研究中辅以非原位的背散射电子衍射测试进行织构演化分析及透射电镜(TEM)测试分析缺陷形态. EPSC模拟可以定量地给出不同形变量下的形变机制, 并且计算结果可由TEM实验佐证. 研究表明: 当形变量较小(10}20> (a>型)滑移起主导作用; 随着塑性形变量的增加, 锥面滑移的作用增强, 且锥面{1011}23> (c+a>型)滑移的作用大于柱面{1010}20> (a>型)滑移, 少量的锥面{1011}20> (a>型)和{1012}20> (a>型)滑移也存在.
2014, 63 (23): 236102.
doi:10.7498/aps.63.236102
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分析了双轴应变Si p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)在γ射线辐照下载流子的微观输运过程, 揭示了γ射线的作用机理及器件电学特性随辐照总剂量的演化规律, 建立了总剂量辐照条件下的双轴应变Si PMOSFET 阈值电压与跨导等电学特性模型, 并对其进行了模拟仿真. 由仿真结果可知, 阈值电压的绝对值会随着辐照总剂量的积累而增加, 辐照总剂量较低时阈值电压的变化与总剂量基本呈线性关系, 高剂量时趋于饱和; 辐照产生的陷阱电荷增加了沟道区载流子之间的碰撞概率, 导致了沟道载流子迁移率的退化以及跨导的降低. 在此基础上, 进行实验验证, 测试结果表明实验数据与仿真结果基本相符, 为双轴应变Si PMOSFET辐照可靠性的研究和应变集成电路的应用与推广提供了理论依据和实践基础.
2014, 63 (23): 236601.
doi:10.7498/aps.63.236601
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提出了一基于Sierpinski分形结构的Si/Ge纳米复合材料结构, 以调控纳米复合材料的热导率. 采用非平衡分子动力学方法模拟研究了分形结构Si/Ge纳米复合材料的导热性能, 给出了硅原子百分比、轴向长度以及截面尺寸对分形结构纳米复合材料热导率的影响规律, 并与传统矩形结构进行了对比. 研究结果表明, 分形结构纳米复合材料增强了Si/Ge界面散射作用, 使得热导率低于传统矩形结构, 这为提高材料的热电效率提供了有效途径. Si原子百分比、截面尺寸、轴向长度皆对分形结构纳米复合材料热导率存在着重要影响. 纳米复合材料热导率随着Si原子百分比的增加呈先减小后增加的趋势, 随轴向长度的增加则呈单调增大趋势.
地球物理学、天文学和天体物理学
2014, 63 (23): 239201.
doi:10.7498/aps.63.239201
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利用湖南省2013年汛期(4–9月)的高密度区域自动站的雨量数据, 引入Cressman逐步订正法求取0.01° ×0.01°精细网格的区域降水量, 并与距离平方倒数法、距离指数法和距离平方指数法计算的区域降水量进行比较. 结果表明, Cressman逐步订正法计算的区域降水量与距离平方倒数法和距离指数法的结果相当, 但其空间结构更为精细和准确, 更好地反映了雨量站数据的分布特征. 交叉验证表明Cressman逐步订正法与原始区域自动站值最为接近, 误差绝对值小于0.5 mm 的雨量站占总站数的98.71%, 误差标准差为0.24mm. 对于0.01°×0.01°精细的空间分辨率而言, Cressman 逐步订正法利用高密度的区域自动站数据求得的区域降水量可以用于检验雷达定量估测降水.
2014, 63 (23): 239202.
doi:10.7498/aps.63.239202
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对东亚北部(40–50°N, 100–130°E)区域1953–2012年大气温度的冬季-夏季-次年冬季(简称冬季-冬季)的季节变化特征进行了初步研究. 结果表明: 2008年以来, 该区域的气温从低层至高层(1000–400 hPa)连续三年出现冬季偏冷-夏季偏暖-次年冬季偏冷的典型特征, 20世纪50–60年代亦有类似情况; 而20世纪90年代则出现了与此相反的冬季偏暖-夏季偏冷-次年冬季偏暖的变化特征. 将这种典型的气温季节变化特征定义为一种新的变化机理: 冬季-冬季再现(WWR). 根据1953–2012年的历年变化情况将这60年划分为四种不同的类型: 负(正)冬季-冬季再现(negative/positive WWR)型和负(正)冬季-冬季非再现(negative/positive non-WWR)型. 其中, 气温表现为WWR型的年份共计23年, 出现概率近40%, 并且该WWR特征是相对独立于El Niño-南方涛动指数的变化而存在的. 对不同类型年份的位势高度场、垂直速度场及其850 hPa风场进行的合成分析表明: 对于WWR型, 高层(500 hPa)至低层(1000 hPa)的大气内部动力过程具有与气温相匹配的冬季-冬季的再现特征; 而non-WWR型则没有出现类似的特征, 从而在一定程度验证了WWR 存在的可能性. WWR的提出为进一步开展当前全球增暖背景下冬季低温事件的频发提供了一个新的思路.
2014, 63 (23): 239501.
doi:10.7498/aps.63.239501
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利用隐式蒙特卡罗方法模拟热辐射光子在物质中的输运过程时, 物质辐射源粒子是需要细致处理的物理量. 传统的物质辐射源粒子抽样方法是体平均抽样方法, 对于大多数问题, 这样处理不会带来大的偏差. 但是对于一些辐射吸收截面大、单一网格内温差显著的问题, 体平均抽样方法的计算结果偏差较大. 分析了产生偏差原因, 提出一种基于辐射能量密度分布的辐射源粒子空间位置抽样方法, 并推导了相应的抽样公式以解决此类问题. 数值实验表明, 新方法计算结果明显优于原方法且与解析结果基本一致.
2014, 63 (23): 239801.
doi:10.7498/aps.63.239801
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理论研究指出随机振荡吸积盘可能引起活动天体的光变, 然而观测数据分析表明光变中除了含有随机噪声外还存在混沌因素. 将混沌因素引入到随机振荡吸积盘中, 构成“混沌+随机”振荡吸积盘模型. 通过分析扰动的相图, 直观再现了混沌吸引子的状态. 研究结果表明: 在随机因素占主导时, 光变混乱无序; 随机因素与混沌因素相当时, 光变上下起伏类似于心电图; 混沌因素占主导时, 光变具有一定有序性. 模拟光变曲线的关联维与观测数据的关联维一致, 表明模拟光变曲线与观测结果之间存在内在联系.