Vol. 65, No. 9 (2016)
2016年05月05日
总论
2016, 65 (9): 090501.
doi:10.7498/aps.65.090501
摘要 +
以周期激励下受控Lorenz模型为例, 考察了多平衡态共存下激励频率与系统固有频率之间存在量级差距也即存在频域上的不同尺度时的耦合效应. 由于激励频率远小于系统的固有频率, 因此将整个激励项视为慢变参数, 分析随慢变参数变化下的各种分岔模式及其相应的分岔行为, 指出在一定条件下, 不同平衡点会产生Hopf分岔和fold分岔. 根据分岔条件的不同, 给出了两种典型情况下的簇发振荡, 并通过引入转换相图, 揭示了不同簇发的产生机理, 指出多平衡态和多种分岔共存不仅会导致沉寂态和激发态的多样性, 而且会使得不同沉寂态和激发态之间存在着不同的转换形式.
2016, 65 (9): 090502.
doi:10.7498/aps.65.090502
摘要 +
多重分形去趋势波动分析是研究非平稳时间序列非均匀性和奇异性的有效工具, 针对该方法中趋势项难以确定的问题, 提出一种基于双树复小波变换的方法, 实现了非平稳信号的多重分形自适应去趋势波动分析. 利用双树复小波变换提取信号的多尺度趋势和波动信息, 通过小波系数的希尔伯特变换确定每个时间尺度不重叠子区间的长度, 使多重分形分析具有信号自适应性及较高的计算效率. 以具有解析形式分形特征的倍增级联信号和分数布朗运动时间序列为例验证本文方法的有效性, 所得结果与解析解相吻合. 与传统的多项式去趋势多重分形方法相比, 本文方法根据信号自身特点自适应地确定信号的趋势和不重叠等长度子区间长度, 所得结果更加精确. 对倍增级联信号时间序列取不同的长度, 验证了算法的稳定性. 分别与基于极大重叠离散小波变换和离散小波变换多重分形方法进行比较, 表明本文方法具有更精确的结果和更快的运算速度.
2016, 65 (9): 090701.
doi:10.7498/aps.65.090701
摘要 +
采用纳米球光刻和金属辅助刻蚀法以p型单晶硅片制备了硅纳米线阵列, 并以此作为基底, 通过溅射不同时长的金属钒薄膜并进行热退火氧化处理, 制备出硅纳米线/氧化钒纳米棒复合材料. 采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪表征了该复合材料的微观特性, 结果表明该结构增大了材料的比表面积, 有利于气体传感, 并且镀膜时间对后续生长的氧化钒纳米棒形貌有明显影响. 采用静态配气法在室温下测试了该复合材料对NO2的气敏性能, 气敏测试结果表明沉积钒膜的时间对复合材料的气敏性能影响较大. 当选择合适的镀膜时间时, 适量氧化钒纳米棒增加了材料表面积并形成大量pn结结构, 相比纯硅纳米线对NO2气体的灵敏度有明显提升, 且在室温下表现出优良的选择性. 同时, 对气敏机理做了定性解释, 认为硅纳米线与氧化钒纳米棒之间形成的pn结及能带结构在接触NO2 时的动态变化是其气敏响应提升的主要机制.
核物理学
2016, 65 (9): 092101.
doi:10.7498/aps.65.092101
摘要 +
在考虑容许跃迁和禁戒跃迁的基础上, 对远离稳定线附近原子核的-衰变寿命进行了系统的研究, 发现对于远离稳定线的原子核的-衰变寿命, 其容许跃迁和禁戒跃迁寿命(T1/2)与母核的质子数和中子数之间存在指数规律. 利用这个规律, 计算了-衰变中的容许跃迁和禁戒跃迁(包括一级禁戒跃迁和二级禁戒跃迁)的衰变寿命, 理论计算结果与实验值符合得很好. 在此基础上, 对于一些核素的-衰变寿命进行预言, 这对于核物理和天体物理中-衰变研究具有重要意义.
2016, 65 (9): 092501.
doi:10.7498/aps.65.092501
摘要 +
在核反应堆堆芯物理分析中, 考虑燃料核素的多普勒效应对反应性的影响是必要的. 基于最小二乘拟合法, 在自主蒙特卡罗粒子输运程序JMCT中开发了在线多普勒展宽功能. 在300-3000 K的温度范围内, 利用核数据处理程序(NJOY)制作了系列温度点下的连续能量核数据. 在统一的能量网格上, 进行最小二乘拟合, 得到拟合参数. JMCT利用这些拟合参数, 快速计算得到任意温度的核数据, 用于输运计算. 计算结果表明, 拟合得到的核数据与NJOY制作的核数据符合很好, 满足精度要求. JMCT临界模型计算结果表明, 拟合参数计算有效增殖因数keff与直接采用NJOY加工得到核数据的计算结果吻合.
2016, 65 (9): 092801.
doi:10.7498/aps.65.092801
摘要 +
目前反应堆物理热工耦合程序通常采用固定点迭代思路, 这可能导致部分工况收敛速度慢, 甚至出现不收敛的现象, 严重影响了计算效率. 基于此, 本文将高效的粗网节块展开法(NEM)与Jacobian-Free Newton-Krylov (JFNK)方法结合, 成功地开发出了一套新方法NEM_JFNK, 实现了联立求解物理热工耦合问题. 首先将NEM推广到热工问题的求解, 之后使用NEM来离散物理-热工耦合问题的所有控制方程, 使得所有变量都能在粗网格下进行离散, 从而大大减小求解问题的规模; 其次将NEM离散后的方程经过某些特殊的处理, 成功地嵌入JFNK的计算框架, 最终开发出了基于线性预处理的NEM_JFNK, 即LP_NEM_JFNK. 此外, 为了充分利用原有的迭代程序, 避免JFNK残差方程的重新建立, 本文还开发了无需重构残差方程的NEM_JFNK, 即NRC_NEM_JFNK, 并实现黑箱耦合. 文中以一维中子-热工模型为例, 给出LP_NEM_JFNK和NRC_NEM_JFNK数学模型, 并对计算结果进行分析. 结果表明:新方法无论是收敛速度还是计算效率都具有明显优势.
原子和分子物理学
2016, 65 (9): 093201.
doi:10.7498/aps.65.093201
摘要 +
研究了磁光阱中异核超冷钠铯原子的碰撞机理, 测量了超冷钠原子的碰撞损失率, 得到了钠-铯原子的碰撞损失系数Na-Cs与钠原子俘获光强度之间的关系. 利用多普勒模型计算了不同俘获光强度下的钠原子磁光阱的阱深, 得到了临界光强的理论值, 与实验结果符合得较好.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2016, 65 (9): 094101.
doi:10.7498/aps.65.094101
摘要 +
设计了一种结构简单、可在电路板单面上印刷的新型左手材料. 该结构由周期性排列的Ⅱ组成, 具有频带宽、损耗低、尺寸小等优点. 该材料在一定频段内具有介电常数和磁导率同时为负的特性. 仿真结果表明: 在8.79-15.57 GHz频率范围内, 折射率实部为负, 而虚部接近于零; 同时在该频段内的波阻抗实部大于零. 从而说明该材料具有左手特性, 在此基础上对该结构进行了制作、加工、并通过矩形波导法进行了验证. 同时, 该左手材料的相对带宽达到55.74%, 而最大单元损耗仅是0.27 dB, 远远优于传统的左手材料.
2016, 65 (9): 094201.
doi:10.7498/aps.65.094201
摘要 +
由于探测器响应的特性, 造成光电偏振成像中直接利用图像灰度重构的偏振信息与真实目标场景偏振信息的严重偏离, 基于重构偏振信息的后续定量化处理将完全失去意义. 为此, 提出了一种考虑探测器特性的光电偏振成像系统偏振信息重构方法, 分别针对分时和同时偏振成像模式分析了实现方法, 并设计进行了实际偏振成像实验. 实验数据表明: 探测器特性直接影响偏振成像系统重构的斯托克斯矢量和偏振度, 值偏离1越大, 直接利用图像灰度重构的偏振度的重构误差也越大; 该偏振信息重构方法能够准确地重构出目标场景的斯托克斯矢量和偏振度信息, 为后续偏振成像的研究和定量应用奠定了理论基础.
2016, 65 (9): 094202.
doi:10.7498/aps.65.094202
摘要 +
利用产生函数方法对BaF分子在激光场与射频场作用下发射光子的累积量及等待时间分布进行了研究. 累积量1 和2 表明在固有偶极和射频场的作用下, 系统表现出外场辅助吸收的现象, 即当1=nrf时, 系统存在吸收峰. 二阶、三阶等待时间分布呈现出明显的振荡现象.
2016, 65 (9): 094203.
doi:10.7498/aps.65.094203
摘要 +
单次通过周期极化KTiOPO4晶体和频单块非平面环形腔1064 nm与1319 nm激光产生连续单频589 nm黄光. 通过琼斯矩阵模拟计算对单块非平面Nd:YAG晶体参数进行了优化设计, 实验获得1080 mW和580 mW的连续单频1064 nm和1319 nm激光输出. 两束激光单次通过周期极化KTiOPO4晶体和频产生14.8 mW, M2=1.14的589 nm黄光, 相应的和频效率为0.9%. 研究了周期极化KTiOPO4温度对和频效率的影响, 得到其温度接收带宽为1.5℃. 通过改变1064 nm Nd:YAG晶体的温度可实现589 nm黄光波长精确对应钠原子D2a吸收谱线, 调谐精度达到0.164 pm.
2016, 65 (9): 094204.
doi:10.7498/aps.65.094204
摘要 +
利用微扰法对负性向列相液晶中的1+1维空间光孤子进行了系统性的研究, 得到了近似解析孤子解.通过数值迭代, 发现只有当非局域程度大于某一临界值时孤子才能存在.近似解析解即使在一般非局域程度下和数值解也符合得较好. 为讨论孤子的稳定性, 进行了线性稳定性分析, 发现孤子均是稳定的, 数值模拟进一步证实了线性稳定性分析的结果.
2016, 65 (9): 094205.
doi:10.7498/aps.65.094205
摘要 +
为了使干旱沙漠地区的电子系统能够全天候的工作, 必须开展沙尘大气的电磁波多重散射及衰减特性研究. 根据Mie理论、沙尘大气粒子尺寸分布和能见度的关系得到了电磁波沙尘大气传播衰减的计算方法, 计算了不同沙尘大气能见度的37 GHz电磁波的衰减, 与其他经验公式及文献中的实验结果进行比较, 文中方法得到的结果更接近于测量结果. 为了研究较低能见度沙尘暴中电磁波的传播特性, 需研究沙尘大气的多重散射效应. 应用Monte Carlo模拟方法, 在沙尘粒子为干燥和5%水含量时, 模拟了37 GHz和93 GHz电磁波在沙尘大气中传播时考虑多重散射效应的衰减, 并与基于Mie理论的计算结果进行比较, 结果显示, 在37 GHz时, 沙尘大气的多重散射对衰减的影响小, 在93 GHz时多重散射显著, 沙尘大气能见度越低, 多重散射的影响越显著. 粒子水含量增加使电磁波的衰减显著增大, 对多重散射的影响不明显. 因此, 在相同大气能见度下, 沙尘天气越干燥, 多重散射影响越大, 电磁波衰减减小越显著.
2016, 65 (9): 094206.
doi:10.7498/aps.65.094206
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通过棱镜耦合激发非对称金属包覆介质波导结构中的TE0导波模式, 利用两束TE0模的干涉从理论上实现了周期可调的亚波长光栅刻写. 分析了TE0模式的色散关系, 刻写亚波长光栅的周期与激发光源、棱镜折射率、光刻胶薄膜厚度及折射率之间的关系. 用有限元方法数值模拟了金属薄膜、光刻胶薄膜和空气多层结构中TE0导模的干涉场分布. 研究发现, 激发光源波长越短, TE0 模干涉刻写的亚波长光栅周期越小; 光刻胶越厚, 刻写的亚波长光栅周期越小; 高折射率光刻胶有利于更小周期亚波长光栅的刻写. 相较于表面等离子体干涉光刻, 基于TE0 模的干涉可在厚光刻胶条件下通过改变激发光源、棱镜折射率、光刻胶材料折射率、特别是光刻胶薄膜的厚度等多种方式实现对亚波长光栅周期的有效调控.
2016, 65 (9): 094207.
doi:10.7498/aps.65.094207
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针对惯性约束聚变装置中提高靶面辐照均匀性的要求, 提出了一种基于光克尔效应的径向光束匀滑方案, 其基本原理是利用光克尔介质和周期性高斯脉冲光束相互作用实现对激光束透射波前附加周期性的球面位相调制, 以周期性地改变激光束远场焦斑尺寸, 进而引起远场焦斑内部散斑的快速径向扫动, 从而在积分时间内抹平靶面焦斑的强度调制, 实现径向方向的光束匀滑. 通过建立基于光克尔效应的径向光束匀滑的理论模型, 分析了焦斑形态及其径向匀滑特性, 并讨论了光克尔介质的选取和径向扫动特性. 结果表明, 基于光克尔效应的径向光束匀滑方案可以有效地实现远场焦斑内部散斑的周期性径向扫动, 从而在积分时间内快速改善靶面辐照均匀性.
2016, 65 (9): 094208.
doi:10.7498/aps.65.094208
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在可见光通信领域, 通过波分复用技术可以增加信道个数, 从而提高系统通信容量. 然而发光二极管(LED)的辐射光谱具有一定线宽, 当信道个数增加, 信道间隔将变小, 尽管有滤光片的通道选择, 但LED的辐射光谱会出现重叠从而产生信道串扰. 本文基于LED光谱重叠现象分析了多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰问题. 首先结合LED的物理机制和实际LED的光谱形状对其光谱进行建模; 然后根据光谱重叠现象和可见光通信信道推导出信道串扰公式; 最后利用不同中心波长的LED在两通道可见光通信系统中验证了信道串扰公式的正确性. 仿真和实验结果表明, 当两信道的信道间隔大于28 nm时, 两信道之间的信道串扰不超过-13.6 dB. 对多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰分析对未来可见光通信增加信道数量有一定指导作用.
2016, 65 (9): 094209.
doi:10.7498/aps.65.094209
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传统百叶箱和防辐射罩内部的温度传感器受到太阳辐射会导致其温度高于大气真实温度, 升温量可达0.8 K甚至更高. 为提高大气温度观测精度, 本文设计了一种阵列式温度传感器. 利用计算流体动力学方法分析计算该传感器在不同环境条件下的辐射升温量, 采用遗传算法对计算结果进行拟合, 获得辐射升温量修正方程. 为验证阵列式温度传感器的实际性能, 研制了强制通风温度测量平台. 将阵列式温度传感器、配有传统防辐射罩的温度传感器和强制通风温度测量平台置于相同环境下, 进行大气温度观测比对实验. 配有传统防辐射罩的温度传感器辐射升温量平均值为0.409 K; 与前者相比, 阵列式温度传感器的辐射升温量仅为0.027 K. 这种阵列式温度传感器可将辐射升温引起的误差降低约93%. 辐射升温量实验测量值与修正方程修正值之间的平均偏移量为0.0174 K, 均方根误差为0.0215 K, 该结果验证了计算流体动力学方法与遗传算法的准确性. 如果配合计算流体动力学方法与遗传算法, 温度测量精度有进一步提高的潜力.
2016, 65 (9): 094301.
doi:10.7498/aps.65.094301
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基于二维六方晶格声子晶体的高对称性, 通过裁剪声子晶体模型, 实现声波自准直束60和120全反射弯曲, 证实点源声波的准直弯曲和亚波长成像. 在六方晶格声子晶体中引入线缺陷, 实现自准直束的60和120弯曲及分裂, 详细分析了缺陷尺寸对入射准直束的60(或120)弯曲声束与透射声束能量分配的影响. 本文的工作可以使基于自准直效应的应用更加灵活.
2016, 65 (9): 094302.
doi:10.7498/aps.65.094302
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对于深海近水面声源产生的声场, 处于较大深度处的接收器在一定水平距离范围内能接收到直达波. 2014年在某深海海域进行的水声考察实验中, 应用深度为140 m的拖曳声源发射实验信号, 布放在水下3146 m深处的矢量水听器成功地接收到了直达波信号. 本文应用射线理论, 分析了深海直达波区域声场的传播特性, 得出了水平振速与垂直振速的传播损失与声线到达接收点处的掠射角以及收发水平距离之间的关系. 在以上分析的基础上, 提出了一种利用水平振速与垂直振速的能量差估计声源距离的方法, 并结合2014年实验数据对实验中两条航线上8 km范围内的目标声源进行了测距, 测距结果与目标的GPS数据符合得较好.
2016, 65 (9): 094501.
doi:10.7498/aps.65.094501
摘要 +
对在平面内大范围转动的大变形柔性梁动力学进行了研究, 基于绝对节点坐标法建立了一种新的大变形柔性梁的非线性动力学模型. 该动力学模型中考虑了柔性梁的轴向拉伸变形和横向弯曲变形, 利用Green-Lagrangian应变张量计算柔性梁的轴向应变及应变能, 利用曲率的精确表达式计算柔性梁的横向弯曲变形能. 运用拉格朗日恒等式给出了柔性梁横向弯曲变形能新的表达式, 该变形能表达式更加简洁, 通过新的变形能表达式得到了新的弹性力模型, 由此得到的动力学方程可以精确地描述柔性梁的几何大变形问题. 通过与高次耦合模型以及ANSYS中BEAM188非线性梁单元模型的比较, 验证了本模型在计算大变形时的正确性以及高次耦合模型在处理大变形问题时的不足. 进一步研究发现, 新的广义弹性力模型可以适当地简化, 给出了两种简化模型, 根据不同模型的计算效率以及计算精度的比较确定了不同模型的适用范围.
2016, 65 (9): 094502.
doi:10.7498/aps.65.094502
摘要 +
研究了含分数阶时滞耦合反馈的Duffing自治系统, 通过平均法得到了系统周期解的一阶近似解析形式, 定义了以反馈系数、分数阶阶次、时滞参数表示的等效刚度和等效阻尼系数, 发现分数阶时滞耦合反馈同时具有速度时滞反馈和位移时滞反馈的作用. 比较了三种参数条件下近似解析解与数值积分的结果, 二者的吻合精度都很高, 证明了近似解析解的正确性和准确性. 分析了反馈系数、分数阶阶次和非线性刚度系数等参数对系统分岔点、周期解稳定性、周期解的存在范围、零解的稳定性以及稳定性切换次数等系统动力学特性的影响.
2016, 65 (9): 094503.
doi:10.7498/aps.65.094503
摘要 +
复杂网络是现实中大量节点和边的抽象拓扑, 如何揭示网络内部拓扑对网络连通性、脆弱性等特征的影响是当前研究的热点. 本文在确定度分布的条件下, 根据Newman提出的同配系数的定义分析其影响因素. 首先在可变同配系数下分别提出了基于度分布的确定算法和基于概率分布的不确定算法, 并分别在三种不同类型的网络(Erds-Rnyi网络, Barabsi-Albert网络, Email真实网络)中验证. 实验结果表明: 当网络规模达到一定程度时, 确定算法优于贪婪算法. 以此为基础, 分析了同配系数改变时聚类系数的变化, 发现两者之间存在关联性, 并从网络的微观结构变化中揭示了聚类系数变化的原因.
2016, 65 (9): 094701.
doi:10.7498/aps.65.094701
摘要 +
针对液体圆柱射流垂直喷入超声速横向气流中的非定常分布特性开展实验研究, 并建立穿透深度方向上的射流振荡分布模型. 利用脉冲激光背景成像方法冻结拍摄马赫2.1(Ma=2.1)气流中煤油射流/喷雾瞬态图像, 结合最大类间方差法(Otsu)和Canny算法提取瞬态图像特征, 基于统计方法并引入间歇因子()定量描述射流振荡分布特性; 通过研究多参数协同作用下的射流振荡分布规律, 提出振荡分布数学模型, 研究的参数变量包括超声速来流总压(642-1010 kPa)、 液体喷注压降(0.36-4.61 MPa)、液体喷嘴流道直径 (0.48 mm/1.0 mm/1.25 mm/1.52 mm)、距离喷嘴的流向距离(10-125 mm)以及液气动量通量比(0.11-7.49). 研究中利用射流振荡分布模型成功预测出水射流在Ma=2.1气流中的的振荡分布, 预测分布与实验结果符合良好.
编辑推荐
2016, 65 (9): 094702.
doi:10.7498/aps.65.094702
摘要 +
气体相与颗粒相混合流场的声速研究, 由于具有重要的基础理论价值与广泛的工程应用背景, 逐渐受到人们重视. 针对稠密可压缩气粒两相流动, 综合考虑颗粒相所占空间体积以及颗粒间相互作用, 推导给出了新的等熵声速计算公式; 新公式包含了已有的纯气体、稀疏气粒两相流情形的计算公式作为其特例, 一方面验证了公式推导的正确性, 另一方面说明新公式更具有通用性; 分析了不同颗粒质量分数条件下的声速变化规律, 相应结果与普朗特的理论分析符合, 特别对于稠密气粒两相流动工况得到了一些新的物理认识; 开展了颗粒间相互作用建模参数的物理分析, 揭示了其对气粒两相流动声速的影响机理. 本文取得的成果为稠密可压缩气粒两相流动研究以及相关工程应用提供理论支撑.
气体、等离子体和放电物理
2016, 65 (9): 095201.
doi:10.7498/aps.65.095201
摘要 +
报道了毛细管放电69.8 nm软X射线激光的光强分布特性. 实验中所用毛细管长度为35 cm, 放电主脉冲电流幅值为11.5 kA, 放电初始气压为14-16 Pa. 测得的光斑强度分布由两部分构成, 在中心有一个占光强绝大部分的主峰, 其发散角约为0.4 mrad, 边缘还有两个小的离轴峰, 峰-峰发散角约为1.5 mrad. 理论上采用几何光学近似的方法对其光强分布进行计算, 光斑如此小的发散角主峰的出现, 可能主要是由于毛细管放电过程中电子密度在轴心处具有轻微凹陷造成的.
2016, 65 (9): 095202.
doi:10.7498/aps.65.095202
摘要 +
为了提高激光惯性约束聚变实验二维成像诊断的精密化程度, 提出了分幅变像管动态空间分辨率的标定方法. 标定原理是以直边函数为物, 经光学系统成像后求解系统的调制传递函数, 从而获得系统的空间分辨率. 在神光Ⅱ装置上利用八路激光打靶产生1-3.5 keV能区的连续X 射线标定源, 照射高Z刀边材料, 并成像到分幅变像管阴极上, 分幅变像管采用脉冲选通工作模式获得动态像. 对分幅变像管采集的动态图像进行处理得到系统的调制传递函数. 根据调制传递函数为0.1时对应的空间截止频率, 得到系统的空间分辨率为20 lp/mm. 根据分幅变像管的动态空间分辨理论, 计算系统的极限空间分辨率为22.8 lp/mm. 标定结果略低于极限空间分辨率, 与理论基本吻合. 根据传统标定方法得到该分幅变像管的静态空间分辨率为22 lp/mm, 比动态空间分辨率略高. 在二维成像诊断时, 分幅变像管工作于动态选通模式, 故动态空间分辨率的标定结果更能真实地反映其成像诊断能力.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2016, 65 (9): 096101.
doi:10.7498/aps.65.096101
摘要 +
采用电磁悬浮和自由落体两种试验技术研究了液态Ti-25 wt.%Al合金的亚稳过冷能力、晶体形核机制和枝晶生长过程. 试验发现, 即使电磁悬浮无容器状态下仍难以消除润湿角 60的异质晶核, 合金熔体过冷度可达210 K (0.11TL). -Ti相形核的热力学驱动力随过冷度近似以线性方式增大, 其枝晶生长速度高达11.2 m/s, 从而在慢速冷却条件下实现了快速凝固. 理论计算表明, 随着过冷度的逐步增大, 相枝晶生长从溶质扩散控制转变为热扩散控制. 当过冷度超过100 K时, 非平衡溶质截留效应可使合金熔体发生无偏析凝固. 然而, 单靠深过冷状态不足以抑制相的后续固态相变. 对于落管中快速凝固的直径77-1048 m合金液滴, 其冷却速率最高达1.05105 K/s, 深过冷与快速冷却的耦合作用能更有效地调控凝固组织形成过程.
2016, 65 (9): 096102.
doi:10.7498/aps.65.096102
摘要 +
颗粒体系是典型的多体相互作用体系, 具有多重的能量亚稳态. 对于准静态颗粒体系, 引入构型颗粒温度Tc描述弹性势能涨落. 本文认为平衡的体系具有一定的构型颗粒温度Ta, 其量值反映了其结构特征. 当外界扰动激发的构型颗粒温度超出Ta时, 产生不可逆过程. 通过对应力松弛过程的分析, 发现(Tc-Ta)激发了弹性弛豫, 且(Tc-Ta)越大则松弛过程中应力变化越大, 最终构型颗粒温度TcTa时,宏观应力松弛结束,体系达到新的能量亚稳态.
2016, 65 (9): 096103.
doi:10.7498/aps.65.096103
摘要 +
Ni-Mn-In是一种新型的磁控形状记忆合金, 它通过磁场诱导逆马氏体相变实现形状记忆效应. 实验中常围绕化学计量比Ni2MnIn合金进行成分调整, 以获得适宜的马氏体相变温度与居里温度, 在这个过程中必然会产生多种点缺陷. 本文使用量子力学计算软件包VASP, 在密度泛函理论的框架下通过第一原理计算, 系统地研究了非化学计量比Ni-X-In(X=Mn, Fe 和Co)合金的缺陷形成能和磁性能. 反位缺陷中, In和Ni在X亚晶格的反位缺陷(InX和NiX)的形成能最低, Ni和X反位于Y的亚晶格(NiY和XY)得到较高的形成能. 因此, In原子可以稳定立方母相的结构, 而X原子对母相结构稳定性的影响则相反; 空位缺陷中最高的形成能出现在In空位缺陷, 再次肯定了In原子对稳定母相结构的作用. 此外, 详细研究了点缺陷周围原子的磁性能以及电荷分布. 本文的计算结果在指导实验中的成分设计和开发新型磁控形状记忆合金方面具有重要意义.
2016, 65 (9): 096104.
doi:10.7498/aps.65.096104
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空间科学的进步对航天用电子器件提出了更高的性能需求, 绝缘体上硅(SOI)技术由此进入空间科学领域, 这使得器件的应用面临深空辐射环境与地面常规可靠性的双重挑战. 进行SOI N型金属氧化物半导体场效应晶体管电离辐射损伤对热载流子可靠性的影响研究, 有助于对SOI器件空间应用的综合可靠性进行评估. 通过预辐照和未辐照、不同沟道宽长比的器件热载流子试验结果对比, 发现总剂量损伤导致热载流子损伤增强效应, 机理分析表明该效应是STI辐射感生电场增强沟道电子空穴碰撞电离率所引起. 与未辐照器件相比, 预辐照器件在热载流子试验中的衬底电流明显增大, 器件的转移特性曲线、输出特性曲线、跨导特性曲线以及关键电学参数VT, GMmax, IDSAT退化较多. 本文还对宽沟道器件测试中衬底电流减小以及不连续这一特殊现象进行了讨论.
2016, 65 (9): 096401.
doi:10.7498/aps.65.096401
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在单向温度场条件下, 采用不同抽拉速度实现了聚乙二醇6000的定向生长、界面形貌的实时观测及界面温度的测量, 进而揭示了其生长机制. 实验结果表明, 随着抽拉速度的增大, 界面的温度逐渐减小, 过冷度逐渐增大. 运用高聚物结晶的次级形核理论模型, 对实验数据进行了计算, 得到在界面过冷度为13.5 K左右时, 生长机制发生了由区域Ⅱ向区域Ⅲ的转变. 实验数据与等温结晶数据的比较发现等温结晶方法中获得过冷度相对较大, 是因为其包含了热过冷. 聚乙二醇6000定向结晶过程中需要的最大动力学过冷度为20 K, 说明由于高聚物的二维形核, 其生长主要由界面动力学控制, 具有较强的动力学效应.
2016, 65 (9): 096402.
doi:10.7498/aps.65.096402
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基于Voronoi几何分形法, 分析了理想二十面体团簇和ZrCu二元金属玻璃中各种团簇的结构特点, 提出了一种判定金属玻璃原子结构中二十面体类团簇的方法. 并选取三个ZrCu 非晶成分作为研究对象, 基于Voronoi团簇, 利用该方法提取了各种构型团簇, 证实其中四种构型团簇的基本几何结构与理想二十面体相似, 并具有同样近似于理想二十面体的高致密度、高规则度和高五次对称性, 因此可称之为二十面体类团簇. 此类二十面体类团簇可作为金属玻璃的主要结构单元, 普遍存在于非晶结构中; 二十面体类团簇及其连接能包含几乎所有的原子, 从而形成非晶结构. 研究结果提供了一种新的团簇判定方法, 有助于从微观结构层面分析合金中的非晶形成机理.
2016, 65 (9): 096501.
doi:10.7498/aps.65.096501
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采用分子动力学方法模拟了碳在晶体硅基底上的沉积过程, 并分析计算了所沉积的类金刚石薄膜的面向及法向热导率. 对沉积过程的模拟表明, 薄膜密度及sp3杂化类型的碳原子所占比例均随沉积高度的增加而减小, 在碳原子以1 eV能量垂直入射的情况下, 在硅基底上沉积的薄膜密度约为2.8 g/cm3, sp3杂化类型的碳原子所占比例约为22%, 均低于碳在金刚石基底上沉积的情况. 采用Green-Kubo方法, 计算了所沉积类金刚石薄膜的热导率, 其面向热导率可以达到相同尺寸规则金刚石晶体的50%左右, 并且随着薄膜密度与sp3杂化类型碳原子所占比例的升高而升高.
2016, 65 (9): 096801.
doi:10.7498/aps.65.096801
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锗烯是继石墨烯、硅烯发现以来最重要的二维纳米材料之一, 以其优异的物理化学性质迅速得到人们的广泛关注. 然而, 锗烯具有的零带隙能带特点(狄拉克点)极大程度地限制了其在微电子纳米材料方面的应用. 本文采用范德华力修正的密度泛函计算方法, 研究了锗烯、锗烷、锗烯/锗烷的几何和电学性质. 研究发现, 锗烯和锗烷可以通过弱相互作用形成稳定的双层结构, 并在锗烯中打开一个85 meV的带隙. 电子结构分析表明, Ge-H/ 的存在破坏了锗烯子晶格的对称性, 从而在狄拉克点上打开一个带隙. 差分电荷密度图分析表明有部分电荷从H原子的s轨道转移至Ge的pz轨道. 该电荷转移机制增强了锗烯与锗烷之间的相互作用力, 是形成锗烯/锗烷双层二维纳米结构的主要原因. 进一步研究还发现, 锗烷/锗烯/锗烷的三明治结构无法在锗烯中打开带隙. 这是由于两侧的锗烷对夹层的锗烯作用力等价, 无法破坏锗烯的子晶格对称性, 所以无法打开锗烯带隙. 最后, 所有计算结果都在高精度杂化密度泛函HSE06计算精度下得到进一步验证. 因此, 本文从理论上提出了一种切实可行的打开锗烯狄拉克点的方法, 为锗烯在场效应管和其他纳米材料中的应用提供了理论指导.
2016, 65 (9): 096802.
doi:10.7498/aps.65.096802
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采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了纯锆表面和含Nb或Ge锆合金表面上氧的吸附性质. 结果表明, Nb和Ge对Zr(0001), (1120)和(1010)表面吸附性质的影响各不相同. 根据计算得到的偏聚能结果, Nb和Ge迁移到Zr(0001)表面比迁移到其他两个表面更容易, 而Nb和Ge 都可以降低Zr(0001)表面对氧原子的吸附能力, 因此这两种元素都能抑制锆合金的初始氧化. 进一步的电子结构分析发现, Nb和Ge改变表面对氧原子的吸附能力是通过改变表面d能带的分布来实现的.
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2016, 65 (9): 096803.
doi:10.7498/aps.65.096803
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应用匹配渐近展开法和多变量展开法研究各向异性表面张力对定向凝固中深胞晶界面形态稳定性的影响, 通过寻找定向凝固系统的模式解获得了深胞晶界面形态满足的量子化条件. 结果表明, 与各向同性的定向凝固系统中深胞晶界面形态稳定性比较, 考虑各向异性表面张力的定向凝固中深胞晶生长界面形态也有两种整体不稳定性机制: 整体波动不稳定性和低频不稳定性. 随着各向异性表面张力的增加, 中性模式产生强振荡的枝晶结构的整体波动不稳定性的不稳定区域减小, 中性模式产生弱振荡的胞晶结构的低频不稳定性的不稳定区域增加.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2016, 65 (9): 097101.
doi:10.7498/aps.65.097101
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正如人们所知, 可以通过电场或者设计非对称的半导体异质结构来调控体系的结构反演不对称性(SIA)和Rashba自旋劈裂. 本文研究了Al0.6Ga0.4N/GaN/Al0.3Ga0.7N/Al0.6Ga0.4N量子阱中第一子带的Rashba 系数和Rashba自旋劈裂随Al0.3Ga0.7N插入层(右阱)的厚度ws以及外加电场的变化关系, 其中GaN层(左阱)的厚度为40-ws . 发现随着ws的增加, 第一子带的Rashba系数和Rashba自旋劈裂首先增加, 然后在ws20 时它们迅速减小, 但是ws30 时Rashba自旋劈裂减小得更快, 因为此时kf也迅速减小. 阱层对Rashba系数的贡献最大, 界面的贡献次之且随ws变化不是太明显, 垒层的贡献相对比较小. 然后, 我们假ws=20 , 发现外加电场可以很大程度上调制该体系的Rashba系数和Rashba自旋劈裂, 当外加电场的方向同极化电场方向相同(相反)时, 它们随着外加电场的增加而增加(减小). 当外加电场从-1.5108 Vm-1到1.5108 V m-1变化时, Rashba系数随着外加电场的改变而近似线性变化, Rashba自旋劈裂先增加得很快, 然后近似线性增加, 最后缓慢增加. 研究结果表明可以通过改变GaN层和Al0.3Ga0.7N层的相对厚度以及外加电场来调节Al0.6Ga0.4N/GaN/Al0.3Ga0.7N/Al0.6Ga0.4N量子阱中的Rashba 系数和Rashba自旋劈裂, 这对于设计自旋电子学器件有些启示.
2016, 65 (9): 097301.
doi:10.7498/aps.65.097301
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采用溶胶凝胶法以及静电纺丝法, 利用热处理工艺, 成功制备出了多晶锐钛矿型TiO2纳米线, 通过两线法在室温下测试单根TiO2纳米线的V-I曲线来研究其电输运性能及磁阻效应. 结果表明: 在无光照环境下其V-I曲线为不过零点的直线, 零场电阻较大, 在磁场作用下电阻下降, 表现出负磁阻效应; 紫外光辐照环境下TiO2纳米线载流子浓度增加使得电阻变小, 然而在磁场作用下电阻增大, 表现为正磁阻效应. 紫外光辐照导致的载流子浓度变化, 使得负磁阻转变为正磁阻, 我们将磁阻变化归结为d电子局域导致的负磁阻与能带劈裂导致的正磁阻两种机理相互竞争的结果.
2016, 65 (9): 097302.
doi:10.7498/aps.65.097302
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采用化学气相沉积方法在预制好电极的玻璃基底上制备出Sn掺杂ZnO薄膜和纯ZnO薄膜. 两种样品典型的形貌为四足状ZnO晶须, 其直径约为150-400 nm, 呈疏松状结构. 气敏测试结果显示Sn掺杂ZnO薄膜具有优良的室温气敏性, 并对乙醇具有良好的气敏选择性, 而纯ZnO薄膜在室温条件下对乙醇和丙酮均没有气敏响应. X射线衍射结果表明两种样品均为六方纤锌矿结构. Sn掺杂ZnO样品中没有出现Sn及其氧化物的衍射峰, 其衍射结果与纯ZnO样品对比, 衍射峰向小角度偏移. 光致发光结果表明, Sn掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜均出现紫外发光峰和缺陷发光峰, 但是Sn的掺杂使得ZnO的缺陷发光峰明显增强. 将Sn掺杂ZnO样品在空气中退火后, 其室温气敏性消失, 说明Sn掺杂ZnO样品的室温气敏性可能与其缺陷含量高有关. 采用自由电子散射模型解释了Sn掺杂ZnO薄膜的室温气敏机理.
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2016, 65 (9): 097401.
doi:10.7498/aps.65.097401
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YBa2Cu3O7-x(YBCO)膜存在厚度效应: 随着厚度增加, YBCO薄膜的临界电流密度下降, 尤其是YBCO薄膜的厚度超过1 m时, 它的临界电流密度急剧下降. 本文在YBCO薄膜之间引入极薄的二氧化铈(CeO2)薄膜, 成功制备出结构为YBCO/YBCO/CeO2/YBCO的超导厚膜. 所制备的厚度为2 m的YBCO膜临界电流密度为1.36 MA/cm2 (77 K, 自场), 其性能比相同厚度的纯YBCO膜有了较大幅度的提升. 研究表明CeO2薄膜起到了传递织构、松弛应力的作用.
2016, 65 (9): 097801.
doi:10.7498/aps.65.097801
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将经典金属自由电子气模型应用于金属型碳纳米管, 基于光学天线有效波长理论, 得出了金属型碳纳米管光学天线响应的有效波长与碳纳米管介电特性之间的普适关系. 在对碳纳米管介电特性进行第一性原理计算的基础上, 以金属型4 碳纳米管为例, 进一步研究了金属型碳纳米管光学天线响应的有效波长与入射波长之间的关系, 以及金属型碳纳米管光学偶极子天线的谐振特性. 通过将已有传统金属光学天线和碳纳米管天线有效波长的研究结果进行对比, 验证了本文理论的正确性. 结果表明, 碳纳米管光学天线响应的有效波长与入射波长呈近似线性关系, 与传统金属材料构成的同直径光学天线相比, 碳纳米管天线显示出了更强的波长压缩能力, 并且在可见光到红外波段内易于发生谐振. 该研究方法可为碳纳米管光学天线研究提供新的思路.
2016, 65 (9): 097901.
doi:10.7498/aps.65.097901
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在超高真空系统中对基于丝网印刷方法制备的碳纳米管薄膜的场蒸发效应进行实验研究. 实验发现, 碳纳米管薄膜样品存在场蒸发现象, 蒸发阈值场在10.0-12.6 V/nm之间, 蒸发离子流可以达到百皮安量级; 扫描电子显微镜分析和场致电子发射测量结果表明, 场蒸发会使碳纳米管分布变得更加不均匀, 会导致薄膜的场致电子发射开启电压上升(240300V)、场增强因子下降(83004200)、蒸发阈值场上升(1012.6V/nm), 同时使得薄膜场致电子发射的可重复性明显变好. 场蒸发也是薄膜自身电场一致性修复的表现, 这种修复并非表现在形貌上, 而是不同区域场增强因子之间的差距会越来越小, 这样薄膜场致电子发射的可重复性和稳定性自然会得到改善.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2016, 65 (9): 098101.
doi:10.7498/aps.65.098101
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利用化学气相沉积法在抛光铜衬底上制备出六角形石墨烯晶畴, 并且在高温条件下对石墨烯晶畴进行氢气刻蚀, 利用光学显微镜和扫描电子显微镜对石墨烯晶畴进行观测, 发现高温条件下石墨烯晶畴表面能够被氢气刻蚀出网络状和线状结构的刻蚀条纹. 通过电子背散射衍射测试证明了刻蚀条纹的形态、密度与铜衬底的晶向有密切关系. 通过对比实验证明了石墨烯表面上的刻蚀条纹是由于石墨烯和铜衬底的热膨胀系数不同, 在降温过程中, 石墨烯表面形成了褶皱, 褶皱在高温氢气气氛下发生氢化反应形成的. 对转移到二氧化硅衬底的石墨烯晶畴进行原子力显微镜测试, 测试结果表明刻蚀条纹的形貌、密度与石墨烯表面褶皱的形貌、密度十分相似. 进一步证明了刻蚀条纹是由于褶皱结构被氢气刻蚀引起的. 实验结果表明, 即使在六角形石墨烯晶畴表面也存在褶皱和点缺陷. 本文提供了一种便捷的方法来观察铜衬底上石墨烯褶皱的分布与形态; 同时, 为进一步提高化学气相沉积法制备石墨烯的质量提供了更多参考.
2016, 65 (9): 098102.
doi:10.7498/aps.65.098102
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连续梯度的电极由于其相对于多层梯度电极能更加有效地缓解电极和电解质的热失配及改善界面黏接而受到特别的关注. 本文通过建立含连续梯度的阳极功能层的阳极支撑固体氧化物燃料电池的力学模型, 研究了连续梯度的阳极功能层对阳极支撑固体氧化物燃料电池半电池在初始还原过程中曲率及残余应力的影响. 结果表明电池的曲率在初始还原过程中随还原程度的增大而逐渐增大. 连续梯度的阳极功能层的引入不能同时改善电池的曲率和残余应力, 即连续梯度的阳极功能层在缓解应力的同时会导致曲率的增大, 反之亦然. 含有连续梯度的阳极功能层的电池在部分还原状态下, 梯度层/阳极支撑界面处具有最大的拉应力容易导致电池受损, 实际中应保证电池被完全还原.
2016, 65 (9): 098501.
doi:10.7498/aps.65.098501
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基于纳磁体动力学和自旋传输机理, 建立了全自旋逻辑(ASL)器件的自旋传输-磁动力学模型. 基于该模型分别研究了钴纳磁体构成的全自旋逻辑(CoASL)器件和坡莫合金纳磁体构成的全自旋逻辑(PyASL)器件在不同沟道长度和电源电压下的开关特性. 结果显示PyASL器件在开关延迟时间和功耗上要小于CoASL器件, 且能可靠工作的最大沟道长度要大于CoASL器件. 另外, 两种ASL器件的开关延迟时间可通过减小沟道长度或增加电源电压来减小; 而功耗可通过减小沟道长度或电源电压来减小. 同时, 减小沟道长度能有效抑制热噪声对开关延迟时间和功耗的影响, 但增大电源电压只能抑制热噪声对开关延迟时间的影响. 上述研究结果将为优化ASL器件磁性材料和器件结构提供重要的参数选择依据.
2016, 65 (9): 098901.
doi:10.7498/aps.65.098901
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较大平均路径长度的网络会带来较大的网络延迟, 难以支持时间敏感业务与应用. 通过增加连接可以降低源和目的节点之间的跳数, 进而降低网络平均延迟, 使得更加快速地传播信息, 但是增加连接的同时也增加了网络构建成本. 分层网络是研究网络耦合的一个有效方法, 但目前网络构建过程中将每层网络分别处理并认为每层网络之间没有强相关性. 本文提出了一种面向成本-收益的无标度网络动态构建方法. 此方法将网络分为多层, 基于连续论在高层网络中添加连接, 使得网络演化为无标度网络. 此连续过程包括节点度增加过程和局部网络半径增长两个连续过程, 在增加连接的过程中引入表征网络构建成本和收益的成本-收益指标. 模拟结果表明引入成本-收益指标的无标度耦合网络构建方法能够在合理范围内有效降低网络平均路径长度, 提升网络性能, 并且本文给出了耦合网络的动态业务性能, 通过调整高层网络避免网络拥塞.