Vol. 65, No. 2 (2016)
2016年01月20日
总论
2016, 65 (2): 020201.
doi:10.7498/aps.65.020201
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Yangian代数是超出李代数更大的无穷维代数, 是研究非线性量子完全可积系统的新对称特性有力数学工具. 基于介子态中夸克-味su(3)对称性和Yangian代数生成元的跃迁特性, 本文研究了Yangian代数Y(su(3))生成元在三种正反介子态(, K, K0 和K0)各自组成的三种混合介子态(, K和Ki0) 衰变中的作用. 将Y(su(3)) 代数的八个生成元(Ī, Ŭ, V, Ī3和Ī8)作为跃迁算子, 作用在混合介子态上, 研究其可能的衰变道, 以及衰变前后纠缠度的变化. 结果表明: (i)在李代数范围内的生成元Ī3和Ī8作用下, 三种混合介子态衰变后组成成份没有发生变化, 其中混合介子态 在Ī8作用下衰变前后纠缠无变化, 其他衰变纠缠度发生了变化. (ii)在其他的六个(Ī, Ŭ和V)超出李代数的生成元的作用下, 三种混合介子态衰变前后组成成份发生了变化, 其中两个衰变后变成 单态, 纠缠度为零; 两个衰变不存在; 剩余两个衰变后纠缠度发生了变化. 此外在带电(K)和中性(Ki0)两类K型混合介子态的六种可能的衰变中, 两种类型的末态的纠缠度两两相同. (iii)三种混合介子态之间可以通过Ī, Ŭ和V算子循环转化, 具有明显的对称性. 本文从具有的对称性上提供了一种探索混合介子态可能衰变的方法, 并且可以用此方法去预测可能的未知衰变粒子和解释已测得的衰变问题.
2016, 65 (2): 020301.
doi:10.7498/aps.65.020301
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提出了一个包含非中心电耦极矩分量的环状非谐振子势模型, 在能够负载Dirac波动算子三对角化表示的完全平方可积L2空间讨论了这一势场的赝自旋对称性.利用三对角化矩阵方案,使得求解Dirac方程转换为寻求波函数展开系数满足的三项递推关系式.角向波函数和径向波函数分别以Jacobi多项式和Laguerre多项式表示. 由径向分量展开系数递推关系式的对角化条件得到束缚态的能量谱,显示出这一势模型具有严格的赝自旋对称性
2016, 65 (2): 020302.
doi:10.7498/aps.65.020302
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基于低Q腔中单光子的输入与输出关系, 提出了利用偏振光Faraday旋转分别遥远制备单原子态和两原子纠缠态的可行方案. 研究结果表明, 当初始原子态的系数为实数时, 通过选择合适的偏振光、腔场与原子相互作用系统的参数, 单原子态与两原子纠缠态的远程制备均可确定性地得以实现. 与以前的原子态远程制备方案相比, 本文方案采用光子作为飞行比特来传递量子信息, 故原则上可实现原子态的真正长距离制备. 由于原子态的信息编码在耗散单边腔囚禁的型三能级原子的两个基态能级, 且原子仅虚激发, 因此本文方案对腔衰减和原子自发辐射不敏感. 此外, 本文所提出的两种方案不需要两体或多体正交测量, 仅涉及单体直积态测量, 而且两种方案都工作在低Q腔, 不需要原子与光腔的强耦合, 从而有效降低了实验难度.
2016, 65 (2): 020303.
doi:10.7498/aps.65.020303
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为了应对降雨给采用诱骗态协议的量子通信系统带来的突发性干扰, 根据降雨分布模型和退极化信道的特性, 本文提出了基于变色龙算法的每脉冲最优平均光子数自适应策略; 建立了降雨强度、链路距离与最优平均光子数之间的自适应关系; 并对采用变色龙算法前后, 系统的性能参数进行了比较. 仿真结果表明, 当降雨强度J为30 mm/24 h、链路距离L为30 km时, 通过采用变色龙算法, 系统的安全密钥生成率由210-4提高到3.510-4; 当J为60 mm/24 h, L 为20 km时, 系统的信道生存函数值由0.52提高到0.63; 当要求生存函数不低于0.5时, 系统能够应对的最大雨强由62 mm/24 h提高到74 mm/24 h. 因此, 根据降雨强度和链路距离, 通过变色龙算法自适应地调整系统发送端信号脉冲所含的平均光子数, 可以提高量子通信系统在降雨背景下的有效性和可靠性.
2016, 65 (2): 020501.
doi:10.7498/aps.65.020501
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微博是基于用户关注关系建立的具有媒体特性的实时信息分享社交平台. 微博上的信息扩散具有快速性、爆发性和时效性. 理解信息的传播机理, 预测信息转发行为, 对研究微博上舆论的形成、产品的推广等具有重要意义. 本文通过解析微博转发记录来研究影响信息转发的因素或特征, 把微博信息转发预测问题抽象为链路预测问题, 并提出基于最大熵模型的链路预测算法. 实例验证的结果表明: 1)基于最大熵模型的算法在运行时间上具有明显的优势; 2)在预测结果方面, 最大熵模型比同类其他算法表现优异; 3) 当训练集大小和特征数量变化时, 基于最大熵模型的预测结果表现稳定. 该方法在预测链路时避免了特征之间相互独立的约束, 准确率优于其他同类方法, 对解决复杂网络中其他类型的预测问题具有借鉴意义.
2016, 65 (2): 020502.
doi:10.7498/aps.65.020502
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在小数据量计算最大Lyapunov指数的过程中, 为了减少人为因素识别线性区域带来的误差, 提出一种基于模糊C 均值聚类的新方法. 该方法根据发散程度指数曲线的变化特征, 利用分类算法进行识别. 首先, 利用小数据量算法对混沌时间序列进行计算得到发散程度指数集合; 其次, 利用模糊C均值聚类算法对发散程度指数集合进行分类, 得到不饱和数据; 然后, 对不饱和的二阶差分数据进行分类, 得到零附近波动数据并剔除粗大误差, 再对保留的有效数据利用统计方法识别出线性区域; 最后, 对线性区域进行最小二乘法拟合得到最大Lyapunov指数. 为了验证该算法的有效性, 对著名Logistic 和Hnon混沌系统进行了仿真, 所得结果接近理论值. 实验表明, 所提出的新方法与主观识别方法比较, 计算结果更加准确.
2016, 65 (2): 020601.
doi:10.7498/aps.65.020601
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本文提出一种基于光学频率梳的啁啾脉冲干涉绝对距离测量的方法. 通过一对衍射光栅啁啾参考脉冲, 分析参考脉冲和测量脉冲的干涉光谱, 得到脉冲的中心频率偏移量, 从而解算出被测距离. 文中详细分析脉冲啁啾原理和啁啾脉冲干涉测距原理, 以及影响测距范围的因素并给出仿真. 搭建了改进的Michelson干涉结构, 实验得出测距范围受啁啾参数的影响, 并与理论分析吻合; 在地下长导轨上, 进行大范围测距实验. 实验结果表明当在65 m范围内, 测量结果与参考测距仪相比, 测距精度为33 m, 相对精度达到5.110-7. 此外, 根据理论分析, 通过实验优化了实验装置的测量不确定度.
2016, 65 (2): 020701.
doi:10.7498/aps.65.020701
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利用定量相场模型研究了强各向异性、表面吸附率以及界面动力学作用条件下六方GaN螺旋结构的表面形貌与生长机理. 通过引入小面相各向异性的相场修正方程, 研究了不同各向异性的稳态螺旋形貌, 发现各向异性通过改变台阶尖端的曲率作用影响螺旋生长. 弱各向异性下稳态螺距及界面动力学特征相对稳定, 各向异性较强时尖端的过饱和度随着各向异性的增强而增大, 并使得界面平衡态向着有利于螺旋台阶推进的方向移动. 研究了表面吸附率对小面相螺旋生长的作用机理, 发现吸附率的增加导致了稳态螺旋间距的降低, 通过分析螺旋间距随台阶宽度的变化趋势, 发现增强的表面吸附和各向异性强度降低了螺旋间距的收敛性, 并且具体分析了收敛性误差; 通过探讨界面动力学作用条件下螺旋形貌特征以及螺旋间距变化趋势, 发现界面动力学系数通过改变稳态螺旋间距与特征指数因子调控螺旋生长的动力学机理, 与各向同性相比小面相螺旋生长表现出较低的界面动力学系数依赖性.
原子和分子物理学
2016, 65 (2): 023101.
doi:10.7498/aps.65.023101
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采用基于密度泛函理论的第一性原理模拟计算, 研究了在应变作用下两层半氢化氮化镓纳米薄膜的电学和磁学性质. 没有表面修饰的两层氮化镓纳米薄膜的原子结构为类石墨结构, 并具有间接能隙. 然而, 当两层氮化镓纳米薄膜的一侧表面镓原子被氢化时, 该纳米薄膜却依然保持纤锌矿结构, 并且展示出铁磁性半导体特性. 在应变作用下, 两层半氢化氮化镓纳米薄膜的能隙可进行有效调控, 并且它将会由半导体性质可转变为半金属性质或金属性质. 这主要是由于应变对表面氮原子的键间交互影响和p-p轨道直接交互影响之间协调作用的结果. 该研究成果为实现低维半导体纳米材料的多样化提供了有效的调控手段, 为其应用于新型电子纳米器件和自旋电子器件提供重要的理论指导.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2016, 65 (2): 024101.
doi:10.7498/aps.65.024101
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本文通过设计出一种反射型极化旋转超表面, 在8-12 GHz频域内实现高效的极化旋转, 并将其加载于微带缝隙天线下方构成新型的极化旋转超表面天线, 利用超表面的90极化旋转效应, 成功实现了天线的圆极化辐射调制. 仿真与实验结果表明: 圆极化天线的中心工作频率为f = 9.1 GHz, 阻抗带宽为8.3-10 GHz. 当微带缝隙天线与极化旋转超表面的间距H=4.5 mm时, 天线在8.3-8.8 GHz频带内实现了圆极化辐射; 当H=20 mm时, 天线在8.8-9.3 GHz频带内实现了圆极化辐射; 当H=8 mm时, 天线在9.3-10 GHz频带内实现了圆极化辐射. 实验结果与仿真结果相符, 证明了此种设计方法的有效性, 也为微带缝隙天线的圆极化设计提供了一种新的途径.
2016, 65 (2): 024102.
doi:10.7498/aps.65.024102
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针对复合材料的微观结构非均匀和各向异性特点带来的数值方法计算慢、内存消耗大的问题, 利用均匀化方法计算纤维增强复合材料的等效电磁参数. 采用了纤维低体积添加比至高体积添加比的迭代方法, 同时提出了一个描述材料微观结构的修正的特征长度, 将现有的均匀化方法推广至非准静态(微波频段)条件下高纤维浓度情况. 提出的修正的均匀化模型可直接用于反射系数、屏蔽效能等计算, 其屏蔽效能与实际微观结构复合材料的数值仿真结果进行了对比, 验证了提出的等效电磁参数计算公式的有效性和频率适用范围.
2016, 65 (2): 024201.
doi:10.7498/aps.65.024201
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本文报道了一种基于拉锥结构的全光纤型内窥光学相干层析成像探针. 基于大纤芯多模光纤的低光束发散特性, 使用大纤芯多模光纤代替透镜作为成像元件, 并在单模光纤与大纤芯多模光纤之间引入过渡拉锥段以减少插入损耗. 首先利用光学仿真软件(Rsoft)确定探针的最佳结构, 然后通过拉锥、切割以及熔接工艺实现探针制作, 并对探针的出射光束特性与插入损耗进行测量, 最后将该探针与扫频光学相干层析成像主系统联机, 对人体指尖皮肤及鸡气管壁组织进行成像. 该探针直径为250 m, 不锈钢保护管外径为325 m, 硬端长度1 cm, 插入损耗约为0.3 dB, 空气中有效成像范围达800 m. 该探针为内窥光学相干层析成像技术在心血管疾病的应用提供了高紧凑度、高传输效率与高灵活性的选择.
2016, 65 (2): 024202.
doi:10.7498/aps.65.024202
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针对激光间接驱动装置中的六端注入球形靶腔结构, 提出了新型光路排布方案, 即单端集束分两环注入(内环注入角度为35、外环注入角度为55). 为了对激光集束在球形腔壁上的辐照特性进行评价, 提出了利用光通量对比度和FOPAI来评价单集束在球腔壁上光斑的均匀性, 以及利用离散度和占空比来评价全部集束在球腔壁上光斑分布的均匀性. 结果表明, 新型光路排布方案与传统光路排布方案相比, 集束在腔壁上的辐照特性保持一致, 不仅可缓解在激光注入孔处的堵孔问题, 而且还可避免传统光路排布方案中集束以小角度入射时在腔内传输所导致的复杂交叉重叠问题. 新型光路排布方案可为球形腔结构在激光间接驱动装置中的方案设计提供有用参考.
2016, 65 (2): 024203.
doi:10.7498/aps.65.024203
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在惯性约束聚变研究中, 时标激光是对物理诊断数据进行分析的重要时间标尺, 而任意反射面速度干涉仪(VISAR)光源则是冲击波精密诊断必不可少的探针光源. 通过对物理需求的分析, 提出对时标激光与VISAR光源共用脉冲产生单元, 采用时分复用技术实现二者在同一台幅度调制器上的精密整形, 经12分束后再通过声光开关进行选择输出, 从而降低了系统造价, 便于集中控制. 采用了脉冲稳偏、高稳定空间放大、高精度温控谐波转换技术及可快速插拔精密复位的光纤耦合和传能技术, 实现了时标和VISAR光源脉冲的高稳定输出. 研制的时标激光系统可产生与主激光高精度同步的12路二倍频、4路三倍频时标信号, 为神光-III激光装置物理实验提供了重要的时间基准. 产生的VISAR光源脉冲在经过光纤系统和Nd: YAG棒状放大器后, 通过温控LBO晶体倍频, 然后经1 mm芯径的多模传能光纤传输至成像型VISAR系统, 为物理实验提供了单纵模、高亮度、可精密整形的脉冲激光. 系统已用于VISAR诊断物理实验, 获得了完整的冲击加载、减速的图像, 从而为冲击波调速及相关高压物理实验提供了可靠的技术手段.
2016, 65 (2): 024204.
doi:10.7498/aps.65.024204
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基于扩展的自旋反转模型, 对光反馈诱发下长波长垂直腔面发射激光器中的低功耗偏振开关进行了理论研究. 研究表明: 长波长垂直腔面发射激光器在自由运行下未能获得的偏振开关现象, 可以通过引入中等强度的偏振旋转光反馈来实现. 对比强弱两种不同的线性色散效应, 发现了一些有趣的现象: 弱线性色散条件下更易于在低注入电流下获得偏振开关, 并且产生偏振开关所需的反馈强度具有更大的调控范围; 强色散效应中未能始终获得偏振开关, 会出现两模共存区, 并且偏振开关出现的注入电流值较高. 同时, 观察到的偏振模跳变和多偏振开关现象类似于短波长垂直腔面发射激光器, 因而证实这两类激光器在偏振开关的本质规律上是相似的. 此外, 还对长波长垂直腔面发射激光器不易在低注入电流下获得偏振开关的原因进行了分析, 并给出了合理的解释.
编辑推荐
2016, 65 (2): 024205.
doi:10.7498/aps.65.024205
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系统研究了熔石英激光损伤修复后的形貌特征, 根据测量数据建立了典型的损伤修复坑三维模型, 利用标量衍射理论并结合快速傅里叶变换算法研究了修复坑在351 nm激光辐照下游光场调制的分布规律. 研究表明, 修复坑引起的光场调制会使得下游不同距离位置处出现环形光场增强区和轴上位置光场增强点; 环形光场增强区位置距离修复元件较近, 其环形调制极大值主要受修复坑深度影响, 且随修复坑深度的增大而逐渐增加; 轴上位置光场增强点位置距离修复元件较远, 其轴上调制极大值主要受修复坑边缘凸起高度的影响, 且随凸起高度的增大而快速增加; 环形调制极大值或轴上调制极大值增大的同时, 其分布位置与修复元件之间的距离均会逐渐减小. 实验验证表明, 利用三维修复坑模型得到的下游光场调制数值模拟结果与实验测量结果具有较好的一致性. 本研究结果对控制熔石英元件损伤修复形貌特征以抑制调制增强效应给出了具体的控制方向, 对修复工艺的改进与完善提供了非常有意义的参考.
2016, 65 (2): 024206.
doi:10.7498/aps.65.024206
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多芯光纤的输出光束只能在远场和焦点附近实现良好的同相位超模合束, 这种超模传输特性大大影响了多芯光纤的应用范围. 一种新型中空Kagome光纤为解决这一难题提供了可行的方案, 利用中空Kagome光纤可以实现七芯光纤输出模式的整形合束. 本文利用中心波长800 nm的钛宝石飞秒激光作为激光源, 耦合入七芯非线性光子晶体光纤, 得到700 nm至1050 nm的展宽光谱, 并实现同相位超模输出. 随后, 将非线性展宽之后的宽谱七芯光束耦合至Kagome光子晶体光纤中, 从Kagome 光纤输出光斑呈高斯分布的模式传输, 不再演变回七芯模式, 耦合效率71%. 实验还进一步验证此方法适用于不同结构的多芯光纤, 为多芯光纤在高功率激光等领域的应用提供了参考.
2016, 65 (2): 024207.
doi:10.7498/aps.65.024207
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本文以30 ps的脉冲激光为激发光源, 用Z扫描技术研究了偶氮苯类材料4-羟基-4'-羧基偶氮苯(BN)和N-(3, 4, 5-辛氧基苯基)-N'-4-[(4-羟基苯)偶氮苯]1, 3, 4-恶二唑(AOB-t8) 及金属复合物(Au/AOB-t8)的三阶非线性光学性质, 并从理论上进行了分析和计算. 结果表明, AOB-t8的三阶非线性极化率是BN的1.38倍, 其非线性光学效应的增大是由共轭链增长、大 键增多引起的. 结果同时给出, AOB-t8的三阶非线性极化率是其与金纳米颗粒复合物的4.7倍, 这种与金属复合产生的非线性光学效应的减弱是金属引入的局域场效应与有机分子大键作用之间相互抵消导致的.
2016, 65 (2): 024208.
doi:10.7498/aps.65.024208
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本文采用分步傅里叶法, 研究了在反常色散区孤子和艾里脉冲相互作用的规律, 并且对相互作用后的孤子和艾里脉冲他们各自的强度、时域和时移进行了MATLAB仿真. 通过仿真发现光孤子和艾里脉冲在光纤中相互重叠时, 交叉相位调制(XPM)就会建立并且这种调制会影响孤子和艾里脉冲的性质. 在相互作用过程中, 孤子的形状保持不变但是受到艾里脉冲自加速特性的影响孤子会发生偏移. 艾里脉冲受XPM的影响会转化为孤子, 传播方向也会发生偏移. 可见, XPM使得艾里脉冲和孤子各自的性质都相互影响着对方. 艾里脉冲和孤子他们的时域也会受到XPM的影响, 使得原本不相同的脉冲形状都转变为含有一个主峰和一个次峰的相似结构并且主峰和次峰的位置和脉冲宽度也大致相同, 这也是艾里脉冲能够转换为孤子的一个依据. 另外本文还模拟了不同输入强度r下的孤子和艾里脉冲的变化情况, 模拟发现不管是艾里脉冲还是孤子时移都随着输入强度r的增大而增大并且他们的变化趋势都是一样的, 同时模拟还发现在相同的的r值下, 时移也会随着a值的增大而增大.
2016, 65 (2): 024209.
doi:10.7498/aps.65.024209
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提出了一种抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振的方法从而提高系统校正带宽和跟瞄精度. 通过分析双二阶滤波器参数对频率特性的影响, 提出了一种双二阶滤波器的设计方法, 并把这种设计方法结合PI控制算法用于抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振. 最后, 对经典PI控制算法和增加了双二阶滤波器的PI控制算法进行了实验比较, 在相同的条件下, 增加了双二阶滤波器的PI控制带宽比经典PI控制带宽提高了近1倍, 对平台抖动控制精度提高了5倍以上. 实验结果表明: 增加了双二阶滤波器的PI控制算法对抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振简单有效, 可以提高系统校正带宽和跟瞄精度.
2016, 65 (2): 024210.
doi:10.7498/aps.65.024210
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本文提出一种采用石榴石型铁氧体磁性材料的太赫兹滤波器, 利用波导线缺陷和腔内点缺陷的耦合特性, 通过改变腔内介质柱半径及分布, 实现对某个波长的耦合, 达到了高效率滤波的功能; 改变外磁场的大小, 影响铁氧体材料的磁导率变化, 使谐振频率发生改变, 从而对THz波进行滤波. 应用平面波展开法(PWM)和时域差分有限法(FDTD)进行仿真分析, 研究结果表明, 该滤波器其插入损耗为0.0997 dB, 3 dB带宽为8.22 GHz, 实现了低损耗窄带滤波.
2016, 65 (2): 024211.
doi:10.7498/aps.65.024211
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提出了一种基于包层模谐振的光纤温度传感器. 它是通过将三包层石英特种光纤(TCQSF)两端分别与普通单模光纤(SMF)电弧熔接构成的SMF-TCQSF-SMF结构. 根据耦合模理论, 首先将TCQSF等效为三个同轴波导, 按各波导模场的分布特点标量计算其传输模式的色散曲线, 并深入研究其耦合长度与传输谱线之间的关系; 其次根据光纤的热光效应及热膨胀效应, 分析计算该传感器的温度灵敏度; 最后选取耦合长度为一个拍长时的传感器进行温度传感实验. 实验结果表明, 在35-95 ℃的温度变化范围内, 其温度灵敏度为73.74 pm/℃, 与理论计算结果一致. 因此, 该传感器具有结构简单、制备容易、灵敏度高、包层模激发可控等优点, 可用于工业生产、生物医学等温度传感领域.
2016, 65 (2): 024212.
doi:10.7498/aps.65.024212
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对基于4晶体管像素结构互补金属氧化物半导体图像传感器的电离总剂量效应进行了研究, 着重分析了器件的满阱容量和暗电流随总剂量退化的物理机理. 实验的总剂量为200 krad(Si), 测试点分别为30 krad(Si), 100 krad(Si), 150 krad(Si)和200 krad(Si), 剂量率为50 rad(Si)/s. 实验结果发现随着辐照总剂量的增加, 器件的满阱容量下降并且暗电流显著增加. 其中辐照使得传输门沟道掺杂分布发生改变是满阱容量下降的主要原因, 而暗电流退化则主要来自于浅槽隔离界面缺陷产生电流和传输门-光电二极管交叠区产生电流. 实验还表明样品器件的转换增益在辐照前后未发生明显变化, 并且与3晶体管像素结构不同, 4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器没有显著的总剂量辐照偏置效应.
2016, 65 (2): 024301.
doi:10.7498/aps.65.024301
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针对传统Helmholtz水声换能器设计中刚性壁假设的局限性, 将Helmholtz腔体的弹性计入到液腔谐振频率计算中, 实现低频弹性Helmholtz水声换能器液腔谐振频率精确设计. 基于细长圆柱壳腔体的低频集中参数模型, 导出了腔体弹性引入的附加声阻抗表达式, 得到了弹性壁条件下Helmholtz水声换能器等效电路图, 给出了考虑了末端修正的弹性壁Helmholtz共振腔液腔谐振频率计算公式. 利用ANSYS软件建立了算例模型, 仿真分析了不同材质、半径、长度时的Helmholtz共振腔液腔谐振频率. 结果对比表明弹性理论值与仿真值符合得很好, 相比起传统的刚性壁理论计算结果, 本文的弹性壁理论得出的液腔谐振频率值有所降低, 与真实情况更加接近. 本文的结论可以为精确设计低频弹性Helmholtz水声换能器提供理论支持.
2016, 65 (2): 024302.
doi:10.7498/aps.65.024302
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本文针对噪声源近场定位识别问题, 利用声源分布在空间域具有稀疏性, 在压缩感知理论框架下建立了新体系下的矢量阵聚焦波束形成方法, 用于解决同频相干声源的定位识别问题. 新方法可在小快拍下准确获得噪声源的空间位置, 且不损失对噪声源贡献相对大小的评价能力. 通过详细的理论推导、仿真分析和试验验证, 证明了基于压缩感知的矢量阵聚焦定位新方法本质上实现了l1 范数正则化求解下的波形恢复和空间谱估计, 因此具有较高的定位精度, 较强的相干声源分辨能力、准确的声源贡献相对大小评价能力以及较高的背景压制能力, 可应用于水下复杂噪声源的定位识别.
2016, 65 (2): 024401.
doi:10.7498/aps.65.024401
摘要 +
基于构形理论和(火积)理论, 对+形高导热通道的方形构造体开展导热实验研究, 并对不同优化目标和不同高导热通道布置形式下的构造体导热性能进行比较. 结果表明: 对于+形高导热通道的方形构造体, 实验和数值计算所得到的构造体最高温度点均位于+形高导热通道两分支之间, 实验和数值计算所得到的构造体平均温差和(火积)耗散率的误差均在可接受范围内, 这从定性和定量的角度证明了导热构形优化结果的正确性. 与H形高导热通道的方形构造体相比, 构造体内高导热通道采用一级+形布置使得其导热(火积)耗散率得到降低. (火积)耗散率最小的一级+形高导热通道构造体最优构形与最大温差最小的构造体最优构形相比, 前者的导热(火积)耗散率降低了5.98%, 但最大温差提高了3.57%. 最大温差最小目标有助于提高构造体的热安全性, (火积)耗散率最小目标有助于提高构造体的整体导热性能. 在保证热安全性能的前提下, 实际微电子器件设计中可采用(火积)耗散率最小的构造体最优构形以提高其整体导热性能.
2016, 65 (2): 024501.
doi:10.7498/aps.65.024501
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对于玻璃珠组成的颗粒介质样品, 本文测量了横波和纵波声速, 同时分析了剪切模量(G)与体积模量(B)的比值(G/B)随压强的变化规律. 结果表明, 在低压强下, 颗粒体系的纵波声速(cL )明显大于横波声速(cT ), 且体系的cL, cT 及G/B均随压强p变化呈幂律标度, 即cL p0.3817, cT p0.2809, G/B p-0.4539, 幂指数与文献[1]中预言的-1/2非常接近, 暗示在我们实验压强范围内的颗粒样品处于L玻璃状态. 此外, 本文还利用快速傅里叶变换法测量了玻璃珠样品中的声学衰减特性及二阶谐波随压强的变化, 发现: 纵波声衰减系数()、 接收端二倍频振幅(2 )与基频振幅(1 ) 平方的比值(2/12 ) 均随压强的增大而幂率减小, 分别为 p-0.1879和 2/12 p-0.866.
2016, 65 (2): 024502.
doi:10.7498/aps.65.024502
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堵塞行为是颗粒体系中一种常见的现象, 其力学性质与堆积结构的关联非常复杂. 本文采用离散元法研究了由两种不同半径颗粒组成的二维双分散无摩擦球形颗粒体系在临界堵塞态所呈现的结构特征, 讨论了大小颗粒粒径比与大颗粒百分比对临界堵塞态的影响. 数值模拟结果表明, 当粒径比 小于1.4时, 临界平均接触数与大颗粒百分比关系不大, 当粒径比 大于1.4时随着大颗粒百分比的增大临界平均接触数先减小再增大. 而临界体积分数在粒径比 小于1.8时随着大颗粒百分比的增加先减小后增大, 大于1.8时又基本不随大颗粒百分比而变化. 大颗粒百分比在接近0或1 时, 系统近似为单分散体系, 临界平均接触数与体积分数基本不随半径比的增大而变化; 在接近0.5时, 临界平均接触数随着半径比的增大逐渐减小, 而临界体积分数则是先减小后增大. 文中对大-小颗粒这一接触类型的百分比也进行了探讨, 其值随着大颗粒百分比的增大呈二次函数的变化趋势, 粒径比对这一变化趋势只有较小的影响.
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2016, 65 (2): 024701.
doi:10.7498/aps.65.024701
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强冲击下的物质变形、破坏及诱发的轻重介质混合问题, 是内爆压缩科学和工程应用领域的研究重点. 本文针对爆轰波对碰条件下的复杂加载动力学过程及其动载破坏形态特征, 开展数值模拟研究与极曲线理论分析. 设计了爆轰波对碰驱动平面锡飞层的计算模型, 获得了爆轰加载动力学过程及波系相互作用物理图像, 分析了锡飞层对碰区自由表面速度历史的典型特征. 给出了锡飞层中折射激波对碰发生马赫反射的临界条件, 解读了三波结构的传播行为, 阐明了对碰区内存在一维正冲击区域, 一维区外存在单次斜冲击向两次斜冲击过渡的复杂加载动力学过程, 提出了对碰区冲击动力学模型, 揭示了影响对碰区动载行为特征的机理. 数值模拟结果与极曲线理论分析结果相互印证, 符合较好. 本文的研究成果, 将为深入理解和解读对碰区特殊的物质破坏及混合现象提供重要的理论支撑.
2016, 65 (2): 024702.
doi:10.7498/aps.65.024702
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凝聚炸药爆轰在边界高声速材料约束下传播时, 爆轰波会在约束材料界面上产生复杂的折射现象. 本文针对凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射现象展开理论和数值模拟分析. 首先通过建立在爆轰ZND模型上的改进爆轰波极曲线理论给出爆轰波折射类型, 然后发展一种求解爆轰反应流动方程的基于特征理论的二阶单元中心型Lagrange计算方法来数值模拟典型的爆轰波折射过程. 从改进爆轰波极曲线理论和二阶Lagrange方法数值模拟给出的结果看出, 凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射类型有四种: 反射冲击波的正规折射、带束缚前驱波的非正规折射、带双Mach反射的非正规折射、带 波结构的非正规折射.
2016, 65 (2): 024703.
doi:10.7498/aps.65.024703
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气体放电的发展过程非常复杂, 实验观测结果表明非均匀场短空气隙放电过程中经常产生随机并伴有分岔现象的放电通道. 由于这些放电现象的整体结构表现出一定的自相似性, 因此, 结合经典流注放电与分形理论而建立的介质击穿模型成为描述气体中放电通道分岔现象的一种有效的分析方法, 而放电通道的复杂程度可以用分形维数表征. 为了明确此模型参数中发展概率指数的取值, 本文对直流高压作用下的10 mm针板电极空气隙放电通道图像进行了分析、处理和分形计算, 并与理论模型的仿真结果对比. 由于空气隙主放电通道的亮度明显高于其他弱分支, 导致各放电通道的宽度各异, 需要对所拍摄图像进行灰度变换和边界识别处理, 最后运用盒维数法计算出分形维数. 研究结果表明在其他参数与实验条件相同条件下, 调整理论模型中的发展概率指数, 使得仿真结果与实验结果相吻合, 依据本文实验条件下和理论模型分析, 发展概率指数 在0.04-0.05范围. 本文的研究印证了尖-板电极短空气隙放电复杂现象的可测性并提供了一种分析方法.
气体、等离子体和放电物理
2016, 65 (2): 025201.
doi:10.7498/aps.65.025201
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介质深层充电对航天器安全运行构成了重大威胁. 以聚酰亚胺为代表的此类聚合物绝缘介质的电导率受温度影响显著, 又因为充电过程中局部产生强电场(107 V/m量级), 因此, 其电导率模型需要综合考虑温度和强电场的影响, 这对介质深层充电的仿真评估意义重大. 已有的两类模型, 不是低温区间不适用, 就是没有充分考虑强电场的影响. 基于跳跃电导理论, 本文分析对比了现有电导率模型, 提出了适用于较宽温度范围且合理考虑强电场增强效应的电导率新模型, 并采用某型聚酰亚胺电导率测试数据做出验证. 此外, 为了提高新模型在强电场下的低温适用范围, 尝试对强电场因子中的温度做变换, 取得了满意的效果. 参数敏感度分析表明新模型在电导率拟合与外推方面具有参数少、适用性强的优势.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2016, 65 (2): 026101.
doi:10.7498/aps.65.026101
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采用密度泛函理论(DFT)中的杂化密度泛函(B3LYP)方法, 在6-31 G基组水平上对C20四聚体进行了几何参数全优化, 得到了基态构型, 并对其稳定性、电子结构、极化率和芳香性进行了计算研究. 结果表明: C20碳笼以[2+2]加成方式结合形成C20四聚体, 具有良好的热力学稳定性; C原子内部以sp2的方式杂化, C原子之间有少量电荷转移; C20 四聚体的IR和Raman光谱都有较多的振动峰; 随碳笼数的增加, C20聚合物中原子间的成键相互作用随之增强; C20四聚体具有芳香性.
2016, 65 (2): 026102.
doi:10.7498/aps.65.026102
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利用离子加速器在室温下对纯铝注入氘离子或氢离子, 然后在透射电镜中对注氘铝或注氢铝中的气泡进行电子束辐照, 发现在电子束辐照下气泡会长大、破裂. 随着气泡的变化, 选区电子衍射花样中出现了表示多晶存在的衍射环. 这表明电子束辐照气泡时, 发生某种放热现象, 从而使附近的铝先熔化后再凝固, 由单晶变为多晶.
2016, 65 (2): 026201.
doi:10.7498/aps.65.026201
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熔化状态下金属样品表面微喷物质的时空演化规律是目前国内外研究关注的热点问题, 不过, 由于压电石英计等传统诊断技术能力的限制, 导致目前对该问题的认识仍存在明显不足. 本文采用作者前期发展的大量程Asay-F窗技术, 结合传统压电石英计, 通过将其布置在距受载Sn样品自由面不同高度位置处的方法, 系统研究了熔化Sn样品表面微喷物质的运动演化规律, 给出了特定时刻微喷物质的密度-空间分布图像. 本文研究结果从实验上确认了微喷物质时空演化过程中的自相似膨胀规律, 成功避免了传统压电石英计由于测量量程偏低导致其获取物理认识不够全面的问题, 为认识动载下金属材料的微喷运动演化规律提供了重要实验支撑.
2016, 65 (2): 026202.
doi:10.7498/aps.65.026202
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层状三元化合物Ti3SiC2兼具陶瓷与金属的优良性能而得到诸多研究领域的关注. 本工作采用第一性原理密度泛函理论研究了氢、氦对该材料解理断裂行为的影响, 以期探讨Ti3SiC2作为核应用材料的可行性. 结果表明Si-Ti相对较弱的化学键使之相应的原子层间成为解理断裂面. 氢与氦都易在此原子层间聚集. 氦的聚集严重降低材料的解理断裂临界应力促使材料的断裂, 而氢则对该临界应力影响不大. 两者的差异源于这两类原子与材料中晶体原子相异的电子杂化行为.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2016, 65 (2): 027101.
doi:10.7498/aps.65.027101
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根据密度泛函理论, 采用平面波赝势和广义梯度方法, 计算了CaS的晶体结构和电子结构. 通过准谐徳拜模型预测了硫化钙的体积变化率、体弹模量、热膨胀系数分别与温度和压强的变化关系, 以及热容和温度的变化关系.
2016, 65 (2): 027102.
doi:10.7498/aps.65.027102
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磁星是一类由磁场供能、强磁化的中子星, 其内部磁场远高于电子的量子临界磁场. 本文通过引入电子朗道能级的稳定性系数gn , 讨论了在磁星环境下电子的朗道能级的稳定性及其对电子费米能EF (e) 的影响; 研究发现, 磁场越强, 电子的朗道能级越不稳定, 最大的朗道能级级数nmax 越小; 朗道能级数n越大, 能级稳定性系数gn 越小. 根据朗道能级的稳定性系数gn 随磁场的增加而减小的要求, 电子费米能表达式的磁场指数 必须是正数. 通过引入Dirac- 函数, 推导出超强磁场下的简并的、相对论电子费米能的一般表达式, 修正了EF (e) 的特解. 新的特解给出磁场指数 = 1/6; 特解的适用范围 107 gcm-3, Bcr B 1017 G. 本文结果将有助于中子星内部弱相互作用过程(包括修正的URCA反应和电子俘获)和磁星磁热演化机理的研究.
2016, 65 (2): 027501.
doi:10.7498/aps.65.027501
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对于磁性氧化物的磁有序, 传统的观点用超交换相互作用(SE)和双交换相互作用(DE) 模型进行解释, 其出发点都建立在全部氧离子是-2价的基础上. 例如, 对于LaMnO3, 认为其中的La和Mn都处于+3价, 用SE模型解释相邻Mn3+离子间的反铁磁序; 当以二价的Sr离子替代一部分La离子后, 认为等量的Mn3+离子变为Mn4+离子, 用DE模型解释相邻Mn3+和Mn4+离子间的铁磁序. 然而, 事实上在氧化物中存在一部分负一价氧离子. Cohen [Nature 358 136]利用密度泛函理论计算了BaTiO3的价电子态密度, 结果得到只有Ba离子的化合价与传统观点相同, 为+2 价; 而Ti和O分别为+2.89价和-1.63价, 不是传统观点的+4价和-2价, 但是与多年来关于氧化物电离度的研究[Rev. Mod. Phys. 42 317] 和X 射线光电子谱(XPS)的研究结果相符合. 本文经过不同热处理条件制备了名义成分为La0.95Sr0.05MnO3 的三个样品, 通过对样品的XPS分析, 发现样品中不存在Mn4+离子, 只存在Mn2+ 和Mn3+离子, 平均价态随热处理程序的增加而升高. 尽管三个样品有相同的晶体结构, 但磁矩明显不同. 对于这样的性能, 不能用SE和DE模型解释其磁结构. 利用本课题组最近在研究尖晶石结构铁氧体磁有序过程中提出的O 2p巡游电子模型解释了这种现象, 利用样品在10 K的磁矩估算出的Mn离子平均价态变化趋势与XPS分析结果一致. O 2p巡游电子模型的出发点建立在氧化物中存在一部分负一价氧离子的基础上, 这是其与SE和DE模型的根本区别.
2016, 65 (2): 027502.
doi:10.7498/aps.65.027502
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我们研究了包含自旋轨道耦合与杂质散射在内的石墨烯量子磁振荡对外加电磁场的响应. 我们发现, 石墨烯中自旋轨道耦合、电磁场以及边界共同修正了朗道能谱, 且当电场与磁场比值超过某一临界值时, 量子磁振荡会突然消失, 这与非相对论二维电子气的情况显著不同. 这种现象可以通过朗道量子化轨道由封闭转化为开放的半经典理论来解释. 此外, 我们还发现杂质散射和温度的共同作用会使得磁振荡振幅衰减. 我们的结果可用于分析石墨烯及其类似结构(硅烯、锗烯、锡烯等)的费米能级与朗道能谱的相互作用, 进而探测自旋轨道耦合引起的能隙.
2016, 65 (2): 027701.
doi:10.7498/aps.65.027701
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针对相位梯度超表面在灵活操控电磁波与提高天线增益中的潜在应用, 提出一种新型的宽带超表面单元, 实现了在较宽频带范围内操控电磁波波前与提高天线增益. 本文首先设计了一种圆环十字形对称单元来控制反射波的相移量, 单元厚度为1 mm, 尺寸为0.3 0( 0=20 mm), 工作频段15-18 GHz, 而后验证了由该单元组成的相位梯度超表面在15-18 GHz范围内对电磁波的奇异反射与聚焦特性. 最后将设计的反射聚焦超表面应用于提高天线增益中, 仿真与测试结果均表明, 天线最高增益在15-18 GHz内平均增加了11 dB且-1 dB 增益带宽为15-18 GHz(相对带宽为18.2%). 由于厚度薄、重量轻、频带宽, 设计的该单元拓展了相位梯度超表面在微波领域的应用, 有望为高增益天线的实现提供新的方法.
2016, 65 (2): 027801.
doi:10.7498/aps.65.027801
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本文使用密度泛函理论研究了熔石英中peroxy linkage(POL)缺陷和中性氧空位(NOV)缺陷的几何结构, 电子结构以及光学性质. 采用自洽的准粒子GW计算结合求解Bathe-Salpeter方程的多体理论, 研究了缺陷引起的电子结构和光学吸收谱的变化. 首先研究了无缺陷非晶结构的电子结构与吸收谱, 得到的结果与实验值非常接近. 对POL的计算表明, 其在基态下的局部结构与过氧化氢分子类似. 采用多体理论计算得到的吸收谱表明其最低吸收峰位于6.3 eV处. 这一结果不支持实验认为的位于3.8 eV处的吸收峰是由POL缺陷导致的说法. 对于NOV缺陷, 计算表明其基态的SI-SI键长为2.51 而三重态下的值则为3.56 . 相应的GW+BSE计算表明中性氧空位缺陷导致了位于7.4 eV处的吸收峰, 与实验测量结果一致.
2016, 65 (2): 027901.
doi:10.7498/aps.65.027901
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测量了2.4-6.0 MeV Xe20+离子轰击V靶表面过程中辐射的X射线. 计算了V的K壳层X射线发射截面, 并将实验结果与平面波恩近似、ECPSSR、两体碰撞近似的理论计算进行了对比. 讨论了近玻尔速度非对称碰撞过程中, BEA模型估算高电荷态重离子激发内壳层电离的修正因素. 结果表明, 综合考虑库仑偏转和有效电荷态修正后, BEA 理论与实验结果符合较好.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2016, 65 (2): 028401.
doi:10.7498/aps.65.028401
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在实际的应用中, 无线传感器网络常常由大量电池资源有限的传感器节点组成. 如何降低网络功耗, 最大化网络生存时间, 是传感器网络拓扑控制技术的重要研究目标. 随着传感节点的运行, 节点的能量分布可能越来越不均衡, 需要在考虑该因素的情况下, 动态地调整节点的网络负载以均衡节点的能耗, 达到延长网络生存时间的目的. 该文引入博弈理论和势博弈的概念, 综合考虑节点的剩余能量和节点发射功率等因素, 设计了一种基于势博弈的拓扑控制模型, 并证明了该模型纳什均衡的存在性. 通过构造兼顾节点连通性和能耗均衡性的收益函数, 以确保降低节点功耗的同时维持网络的连通性. 通过提高邻居节点的平均剩余能量值以实现将剩余能量多的节点选择作为自身的邻居节点, 提高节点能耗的均衡性. 在此基础上, 提出了一种分布式的能耗均衡拓扑控制算法. 理论分析证明了该算法能保持网络的连通性. 与现有基于博弈理论的DIA算法和MLPT算法相比, 本算法形成的拓扑负载较重、剩余能量较小的瓶颈节点数量较少, 节点剩余能量的方差较小, 网络生存时间更长.
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2016, 65 (2): 028501.
doi:10.7498/aps.65.028501
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本文提出了一种基于非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的高速行集成驱动电路, 该电路采用输入级复用的驱动结构, 一级输入级驱动三级输出级, 不仅减少电路输入级2/3晶体管的数量, 实现AMOLED或AMLCD显示屏的窄边框显示, 而且输入级的工作频率是输出级的1/3, 该结构适用于高速驱动电路. 电路内部产生了三次电容耦合效应, 每一次电容耦合效应都可以提高相应节点的电压, 保证了信号完整传输. 输出级采用了一个二极管接法的薄膜晶体管, 该薄膜晶体管连接了输出级的控制信号和上拉薄膜晶体管的栅极, 利用的每一级输出级输出时所产生的电容耦合效应, 增加上拉薄膜晶体管的栅极电压, 有效地提高电路输出能力和工作速度. 仿真表明电路能够输出脉宽达到4 s速度. 最后成功的制作了10级行集成驱动电路, 包括10级输入级电路和30级输出级电路, 负载为10 k和110 pF, 实验结果验证, 该电路满足4 k8 k 显示屏在120 Hz刷新频率下的驱动需求.
2016, 65 (2): 028701.
doi:10.7498/aps.65.028701
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肿瘤抑制蛋白p53的动力学在一定程度上可以决定DNA损伤后的细胞命运. p53 的动力学行为 与p53信号通路中p53-Mdm2振子模块密切相关. 然而, p53的负调控子Mdm2 的生成速率的增加使其在一些癌细胞中过表达. 因此探讨Mdm2生成速率对p53动力学的影响有重要意义. 同时, PDCD5作为p53的激活子也调控p53的表达. 因此, 本文针对PDCD5调控的p53-Mdm2 振子模型, 通过分岔分析获得了Mdm2生成速率所调控的p53的单稳态、振荡以及单稳态与振荡共存的动力学行为, 且稳定性通过能量面进行了分析. 此外, 噪声强度对p53动力学的稳定性有重要的影响. 因此, 针对p53的振荡行为, 探讨了噪声强度对势垒高度和周期的影响. 本文所获得的结果对理解DNA损伤后的p53信号通路调控起到一定的指导作用.
2016, 65 (2): 028801.
doi:10.7498/aps.65.028801
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我们将Bis-PC70BM作为第二种电子受体混入基于PTB7:PC70BM的聚合物太阳能电池中, 制备了三元混合聚合物太阳能电池. 相比于PC70BM, Bis-PC70BM的最低未占分子轨道(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)能级更高, 所以掺入Bis-PC70BM后器件的开路电压(VOC)得到了提升. Bis-PC70BM在PTB7和PC70BM之间起到桥梁的作用, 因此在给体/受体界面创造了更多的电荷传递通道. 而且从原子力显微镜中得到的结果来看, 当混入质量比为3% 的Bis-PC70BM后薄膜的表面形貌更为平整, 平均粗糙度从原来的1.87 nm降到了1.80 nm. 能量转换效率(power conversion efficiency, PCE)达到7.00%, 其中器件的VOC为0.77 V, 短路电流(JSC) 为13.92 mAcm-2, 比PTB7:PC70BM 的器件效率6.07%提高了15%.
2016, 65 (2): 028901.
doi:10.7498/aps.65.028901
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节点中心性指标是从特定角度对网络某一方面的结构特点进行刻画的度量指标, 因此网络拓扑结构的改变会对节点中心性指标的准确性产生重要影响. 本文利用Holme-Kim模型构建可变集聚系数的无标度网络, 然后采用Susceptible-Infective-Removal模型进行传播影响力的仿真实验, 接着分析了节点中心性指标在不同集聚系数的无标度网络中的准确性. 结果表明, 度中心性和介数中心性的准确性在低集聚系数的网络中表现更好, 特征向量中心性则在高集聚类网络中更准确, 而紧密度中心性的准确性受网络集聚系数的变化影响较小. 因此当网络的集聚系数较低时, 可选择度或者介数作为中心性指标进行网络节点影响力评价; 反之则选择紧密度指标或特征向量指标较好, 尤其当网络的集聚系数接近0.6时特征向量的准确性可以高达到0.85, 是度量小规模网络的较优选择. 另一方面, 传播过程的感染率越高, 度指标和介数指标越可靠, 紧密度和特征向量则相反. 最后Autonomous System实证网络的断边重连实验, 进一步验证了网络集聚性的改变会对节点中心性指标的准确性产生重要影响.
2016, 65 (2): 028902.
doi:10.7498/aps.65.028902
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多层网络是当今网络科学研究的一个前沿方向. 本文深入研究了两层星形网络的特征值谱及其同步能力的问题. 通过严格导出的两层星形网络特征值的解析表达式, 分析了网络的同步能力与节点数、层间耦合强度和层内耦合强度的关系. 当同步域无界时, 网络的同步能力只与叶子节点之间的层间耦合强度和网络的层内耦合强度有关. 当叶子节点之间的层间耦合强度比较弱时, 同步能力仅依赖于叶子节点之间的层间耦合强度; 而当层内耦合强度比较弱时, 同步能力依赖于层内耦合强度. 当同步域有界时, 节点数、层间耦合强度和层内耦合强度对网络的同步能力都有影响. 当叶子节点之间的层间耦合强度比较弱时, 增大叶子节点之间的层间耦合强度会增强网络的同步能力, 而节点数、中心节点之间的层间耦合强度和层内耦合强度的增大反而会减弱网络的同步能力; 而当层内耦合强度比较弱时, 增大层内耦合强度会增强网络的同步能力, 而节点数、层间耦合强度的增大会减弱网络的同步能力. 进一步, 在层间和层内耦合强度都相同的基础上, 讨论了如何改变耦合强度更有利于同步. 最后, 对两层BA无标度网络进行数值仿真, 得到了与两层星形网络非常类似的结论.