Vol. 66, No. 8 (2017)
2017年04月20日
总论
2017, 66 (8): 080201.
doi:10.7498/aps.66.080201
摘要 +
运用李群分析，得到了广义（3+1）维Zakharov-Kuznetsov（ZK）方程的对称及约化方程，结合齐次平衡原理，试探函数法和指数函数法得到了该方程的群不变解和新精确解，包括冲击波解、孤立波解等. 进一步给出了广义（3+1）维ZK方程的伴随方程和守恒律.
2017, 66 (8): 080501.
doi:10.7498/aps.66.080501
摘要 +
在大量真实的动力系统中，外部驱动力总是随时间发生变化，正是这种变化导致了非平稳行为的产生. 因此，从此类系统的观测数据中提取和分析外强迫（也称驱动力）信号引起了人们越来越多的关注. 慢特征分析法（slow feature analysis，SFA）是从非平稳时间序列中提取外强迫信息的一种有效算法. 在其基础上利用变参数的Logistic映射产生的非平稳时间序列，通过数值试验进一步讨论了该方法的应用前景，并发展了一些相应的分析技术. 试验结果表明，对于模型中包含两个时变驱动力参数的系统，经过一次SFA处理之后，可以进一步利用子波分析技术检索出外强迫信号中的两个参数；对于模型中有两个叠加驱动力层次的三层动力系统，可先通过一次SFA处理，提取出次慢层外强迫信号，对该信号进行二次SFA处理，可提取出最慢层外强迫信号.
2017, 66 (8): 080601.
doi:10.7498/aps.66.080601
摘要 +
高精细度超稳光学参考腔是获得超窄线宽激光的核心部件. 本文报道了面向空间应用的高精细度球形超稳光学参考腔自主化研制及其初步测试结果. 设计球形腔体直径为80 mm，腔长78 mm，采用平-凹腔镜结构，凹镜曲率半径为0.5 m. 使用有限元方法计算了该参考腔的震动敏感度，最佳支撑位置的震动敏感度小于110-10/g. 采用超光滑表面三级抛光技术实现光学表面粗糙度小于0.4 nm（rms）的超精密加工，采用双离子束溅射法实现工作波长反射率大于99.999%、损耗小于4 ppm 腔镜镀膜，干式光胶方法键合腔体和腔镜. 利用扫腔线宽法和腔衰荡法对参考腔的线宽和精细度进行了测量，结果表明该参考腔的精细度约为195000，线宽为9.8 kHz. 将698 nm半导体激光器锁定到该参考腔上测得其损耗5 ppm. 与实验室进口同类型参考腔相比较，主要性能指标与其相当.
2017, 66 (8): 080701.
doi:10.7498/aps.66.080701
摘要 +
以氧化石墨凝胶制备的氧化石墨烯（GO）溶胶为前驱体，在100-350 ℃温度下还原获得不同还原程度的还原氧化石墨烯（rGO）样品，并采用旋涂工艺制备还原氧化石墨烯气敏薄膜元件. 采用X射线衍射、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和气敏测试等手段研究还原温度对样品结构、官能团和气敏性能的影响. 结果表明：经热还原处理的氧化石墨烯结构向较为有序的类石墨结构转变，还原温度为200 ℃时，样品处于GO向rGO转变的过渡阶段，还原温度达到250 ℃时，则表现出还原氧化石墨烯特性；无序程度随还原温度的升高先由0.85增大至1.59，随后减小至1.41，总体呈现增加趋势；氧化石墨烯表面含氧官能团随还原温度的升高逐渐热解失去，不同含氧官能团的失去温度范围不同；热还原氧化石墨烯具有优异的室温H2敏感性能，随着还原温度的升高，元件灵敏度逐渐减小，响应-恢复时间逐渐增大，最佳灵敏度为88.56%，响应时间为30 s.
核物理学
2017, 66 (8): 082801.
doi:10.7498/aps.66.082801
摘要 +
防止核扩散是国际社会共同努力的目标，其中武器级核材料的防扩散是重中之重. 钚是反应堆的副产品，如果不计较经济效益，利用铀为核燃料的反应堆都可以生产武器级钚. 本文基于日本Takahama-3压水堆建立了五个模型，并进行中子和燃耗计算，得到两种燃料棒产武器级钚的条件、燃料棒轴向的燃耗分布、组件内燃料棒燃耗的变化区间和全堆芯燃料棒径向燃耗分布. 基于上述模型和计算数据给出压水堆堆芯内含有武器级钚的准确位置和UO2燃料棒中武器级钚的产量. 这种低燃耗的乏燃料给国际核不扩散带来了巨大风险，国际社会应该加强对此类乏燃料的监管.
2017, 66 (8): 082802.
doi:10.7498/aps.66.082802
摘要 +
研究堆慢正电子源是获得高强度慢正电子束流的有效方式，国际上已建成多座装置并获得广泛应用. 与常规同位素慢正电子源相比，研究堆慢正电子源的物理过程复杂，影响末端束流强度的因素众多，对其进行深入研究与合理建模是未来在中国绵阳研究堆（CMRR）上构建慢正电子源的基础. 本文厘清了研究堆慢正电子产生的关键过程与物理机理，建立了预测末端正电子束流强度的理论模型，找到了影响其末端强度的主要物理量：快正电子体产生率、慢化体有效表面积、慢化体扩散距离、慢正电子从表面被提取到靶环末端的效率、及束流系统提取效率. 用多种实验结果对模型进行校验，包括多个同位素慢正电子源的效率测量值，以及PULSTAR研究堆慢正电子源测量结果，充分验证了模型正确性. 根据模型对各物理量的影响因素进行了分析，找到了需着重关注的影响因素，对未来源/靶结构的设计给出建议.
原子和分子物理学
编辑推荐
2017, 66 (8): 083701.
doi:10.7498/aps.66.083701
摘要 +
采用二维磁光阱产生了一个快速87Rb原子流，并在高真空的三维磁光阱中实现了87Rb原子的快速俘获，进一步采用射频蒸发冷却技术实现了原子云的预冷却，然后将原子转移到远失谐的光学偶极阱中蒸发得到了玻色-爱因斯坦凝聚体. 实验上可以在25 s内完成三维磁光阱的装载（约1.01010个87Rb原子），然后经过16 s的冷却过程最终在光学偶极阱中获得5.0105个原子的玻色-爱因斯坦凝聚体. 实验重点研究了二维磁光阱的优化设计和采用蓝失谐大功率光束对四极磁阱零点的堵塞，抑制四极磁阱中原子的马约拉纳损耗，更加有效地对原子云进行预冷却.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2017, 66 (8): 084101.
doi:10.7498/aps.66.084101
摘要 +
将精细积分法应用于时域有限差分法中，提出了一种求解光子晶体传输特性的时域精细积分法，并对其计算精度及稳定性进行了分析. 从一阶麦克斯韦方程出发，在空间上采用Yee元胞进行差分离散，结合吸收边界条件及激励源表达式将方程整理为标准的一阶常微分方程组形式. 通过时间步长的精细划分和指数矩阵的加法定理，在时间上利用精细积分法对齐次微分方程进行积分求解，并结合激励向量的特解得到空间离散的场分量，最终通过傅里叶变换求得方程的解. 利用时域精细积分法对光子晶体进行了实例计算，并将其结果分别与时域有限差分法和四阶龙格库塔法在精度、稳定性等方面进行了比较，结果表明时域精细积分法具有更高的计算精度，并且克服了时域有限差分法以及四阶龙格库塔法在计算稳定性上对时间步长的限制. 提出的方法具有精确、稳定的特点，为光子晶体传输特性的研究提供了一种新的有效的分析方法.
2017, 66 (8): 084102.
doi:10.7498/aps.66.084102
摘要 +
高超声速飞行器再入地面的过程中，其周围等离子体的电子密度是非均匀且随时间变化的. 对于不同的再入高度，飞行器周围的温度和压强也会发生改变. 因此，研究电磁波在时空非均匀等离子体鞘套中的传播特性意义重大. 首先建立了时变非均匀的等离子体鞘套模型，然后通过经验公式得到温度、压强与碰撞频率三者的关系. 采用时域有限差分方法计算了太赫兹波段中不同电子密度弛豫时间、温度、压强时的反射系数、透射系数和吸收率. 研究结果表明：在太赫兹波段中，电子密度的弛豫时间越长，温度越高，压强越大，电磁波越容易穿透等离子体；弛豫时间越短，温度越低，压强越小，等离子体对电磁波吸收率的变化越明显. 这些结果为解决黑障问题提供了理论依据.
2017, 66 (8): 084201.
doi:10.7498/aps.66.084201
摘要 +
角锥棱镜常应用于光电跟踪、卫星通信、干涉仪等领域. 在一些特殊应用场合中，要求经角锥棱镜反射的光束具有一定的发散角，以实现对距离激光器较远位置处探测器的覆盖. 由于标准角锥棱镜不具备对光束发散的功能，本文利用含二面角误差的角锥棱镜对反射光束的不均匀发散特性，提出利用角锥棱镜阵列实现对反射光束均匀发散的方法和设计原则. 采用衍射光学理论分析了所提方法及其设计原则的可行性，并依此设计了一个发散半角为0.5 mrad的角锥棱镜阵列. 分析了光束参数、结构参数对反射光束远场衍射特性的影响，结果表明，入射光斑强度分布对反射光束发散半角没有影响，当角锥阵列满足点光源条件时，传输距离对反射光斑的角向均匀性没有影响；当阵元数超过一定值时，均匀性不再显著变化，但反射光斑的强度将进一步增加. 在工程应用中，角锥棱镜阵列安装方位角误差对反射特性影响不显著，但角锥棱镜二面角的加工精度对反射特性影响较大，可通过进一步增加阵元数加以解决.
2017, 66 (8): 084202.
doi:10.7498/aps.66.084202
摘要 +
偏振双向衰减（diattenuation）是指偏振元件引入的光场传播过程中表征电矢量的两个正交偏振态的振幅变化特性. 在大部分有关偏振像差的讨论中，聚焦光场偏振态的振幅变化对其分布的影响较小而不被重视. 但在一些大相对孔径光学系统中，对于分束器、光调制器等有复杂平面介质结构的低透过率光学元件而言，引入的偏振相关的振幅调制相对大得多. 本文依据矢量平面波谱理论，建立了笛卡尔坐标系下的理想光学成像系统的矢量光学模型，验证了与德拜矢量衍射积分的一致性. 在线偏振光入射的条件下，对在汇聚光路中使用的光学元件的偏振双向衰减特性对成像质量的影响进行理论研究. 结果表明，在调制传递函数的低频率处（v 0.2NA/），这种影响是可以忽略的；随着空间频率的增加，光学元件的偏振双向衰减特性对成像系统调制传递函数的影响逐渐变大. 若要求调制传递函数的数值不低于衍射极限的90%，中频处（0.2NA/ v 0.8NA/），s光和p光的透射/反射系数之比至少需要控制在[0.63，1.6]的范围内；而当v 0.8NA/ 时，则需要控制在[0.9，1.11]的范围内. 随着光学系统光轴与光学分界面法向的倾角增加，容差范围有所放宽.
2017, 66 (8): 084203.
doi:10.7498/aps.66.084203
摘要 +
针对现有动态背景下运动目标检测算法的不足，提出一种基于光流场分析的运动目标检测算法. 首先根据前背景在光流梯度幅值和光流矢量方向上的差异确定目标的大致边界，然后通过点在多边形内部原理获得边界内部的稀疏像素点，最后以超像素为节点，利用混合高斯模型拟合的表观信息和超像素的时空邻域关系构建马尔可夫随机场模型的能量函数，并通过使目标函数能量最小化得到最终的运动目标检测结果. 该算法不需要任何先验假设，能够同时处理动态背景和静态背景两种情况. 多组实验结果表明，本文算法在检测的准确性和处理速度上均优于现有算法.
2017, 66 (8): 084204.
doi:10.7498/aps.66.084204
摘要 +
体光栅光谱组束是获得高功率激光输出的一种有效途径. 在有限的可用带宽内，光谱通道间隔影响着组束光束数目以及最终的高功率组束输出. 采用耦合波理论，建立了一个两通道高功率光谱组束模型. 通过优化体光栅光谱通道间隔，可放宽对组束子束线宽和功率的限制，组束功率可大幅提升而光谱密度并无显著下降. 基于此，实验上获得了2.5 kW组束输出，绝对效率超过85%，通道间隔5 nm，光谱密度为0.51 kW/nm. 组束功率1 kW时，组束输出能保持好的光束质量；组束功率1.5 kW时光束质量恶化较明显，通过分析发现，组束光束质量的恶化主要受限于体光栅的色散及高功率下体光栅复杂的热畸变.
2017, 66 (8): 084205.
doi:10.7498/aps.66.084205
摘要 +
基于波导理论、等效折射率方法，设计并制备了非对称波导隔离双沟结构脊型边发射激光器，最终获得了低阈值单基侧模852 nm激光器. 详细研究了不同脊型台深宽比参数设计对激光器侧向模式特性的影响规律，实现了腔面未镀膜情况下脊型波导边发射激光器的单基侧模稳定输出，同时激射波长可以精确调谐到852 nm；工作电流达到150 mA，工作温度30 ℃；斜率效率最高可达0.89 mW/mA，光谱半宽小于1 nm. 研究结果为进一步实现超窄线宽激光器提供了参考和借鉴，并且为实现激光器稳定输出提供了实验基础.
2017, 66 (8): 084206.
doi:10.7498/aps.66.084206
摘要 +
用柱面透镜把经针孔滤波器扩束的激光束沿某一个方向聚焦成细丝状（或长条状），细丝状光束垂直入射到LiNbO3：Fe晶体上，在远场位置观察散射光. 我们发现光散射的方向与晶体的c轴方向不一致，不仅沿着晶体的c轴方向有散射光出现，沿光束的条形方向也出现很强的散射光.
2017, 66 (8): 084207.
doi:10.7498/aps.66.084207
摘要 +
本文提出了一种适用于室内可见光通信的新型光学接收端的设计. 根据复合抛物面聚光器的聚光特性，将光电探测器与复合抛物面聚光器耦合作为接收子单元，并将这些接收子单元按照特定的几何关系嵌入一个半球面中，得到角度分集型的复合光学接收端，达到水平方向360，垂直方向180的大视场. 对每个接收单元接收到的光能量，低传输数据时进行相加求和作为最终的接收功率，高数据速率时取各个子单元的最大值作为接收功率. 在一个 5 m 5 m 3 m的空旷房间中，通过MATLAB对室内可见光通信系统建模仿真. 计算结果表明，采用这种复合型光学接收端后，两种不同处理算法下的接收功率相对于直接接收分别提高了11.85和7.47 dB，增益分别为15.31和5.98. 信噪比较高，两种情况下的平均值分别为 79.17和72.26 dB，且接收信噪比分布平缓，波动较小. 这说明采用本文设计的光学接收端，不仅能够得到较大的接收端视场角，同时获得较高的增益和接收功率，以及稳定的接收信噪比，避免了室内可见光通信系统中通信盲区的存在，保证了室内通信性能的稳定性.
2017, 66 (8): 084208.
doi:10.7498/aps.66.084208
摘要 +
基于光子晶体的红外隐身材料，主要采取一维层层堆叠结构和三维木堆结构等来实现对红外波段电磁波辐射性能的调控. 本文报道了一种操作简易、成本低廉的光子晶体红外隐身材料制备方法. 通过优化的垂直沉积法，微米级SiO2胶体微球自组装成高质量的蛋白石型光子晶体结构. 对SiO2胶体微球进行优选，成功制备了禁带位于2.8-3.5 m，8.0-10.0 m的SiO2胶体晶体蛋白石型光子晶体材料. 该材料可改变目标相应波段的红外辐射特征，具有目标红外波段的隐身效果.
2017, 66 (8): 084301.
doi:10.7498/aps.66.084301
摘要 +
水面水下目标分辨与识别一直是被动声呐探测领域的难题. 利用一种水平阵模态域波束形成算法获得已知方位目标声源的各阶模态强度，将其与不同深度的各阶参考模态强度进行匹配，最终实现了对声源的深度估计. 仿真结果表明，该算法可以在信噪比为-10 dB的情况下，用300 Hz带宽的信号样本，实现对声源深度的有效估计. 系统分析了不同参数和不同波导条件对该方法目标深度估计性能的影响. 其中，阵元数越多，模态样本数越多，计算频段越宽，方位估计精度越高，有效阵长越长，深度估计的性能越好. 阵元间距和波导深度的变化不会影响该方法的深度估计性能，并且该方法的深度估计性能在声速剖面、海底参数等波导条件存在扰动时具有鲁棒性.
2017, 66 (8): 084302.
doi:10.7498/aps.66.084302
摘要 +
理论分析了脉冲激光激发的流体-分层固体结构声场，在此基础上数值计算了流体-慢层快底固体和流体-快层慢底固体结构液-固界面Scholte波的频散特性与瞬态响应. 数值结果显示，对于流体-慢层快底结构，Scholte界面波呈现出正常频散特性；而对于流体-快层慢底结构，Scholte波在较小的频厚积范围呈反常频散特性. 理论瞬态信号也显示了同样的特性. 采用脉冲激光激励，用水听器接收的方式进行了Scholte界面波的实验测量. 实验测量和分析结果与理论结果有很好的一致性. 此工作可为水浸检测条件下镀层与薄膜材料参数的超声无损表征、海底沉积物参数反演等应用提供理论基础.
2017, 66 (8): 084501.
doi:10.7498/aps.66.084501
摘要 +
由于非线性，最优控制问题通常依赖于数值求解，即通过离散目标泛函和受控运动方程转化为一有限维的非线性最优化问题. 最优控制问题中的受控运动方程在表示为受控Birkhoff方程的形式之后，可以利用受控Birkhoff方程的离散变分差分格式进行离散. 与按照传统差分格式近似受控运动方程相比，此途径可以诱导更加真实可靠的非线性最优化问题，进而也会诱导更加精确有效的离散最优控制. 应用于航天器交会对接问题，该种数值求解最优控制问题的方法在较大时间步长的情况下仍然求得了一个有效实现交会对接的离散最优控制. 模拟结果验证了该方法的有效性.
2017, 66 (8): 084701.
doi:10.7498/aps.66.084701
摘要 +
采用大涡模拟方法对脉冲激励作用下的超音速混合层流场进行数值模拟，所得结果清晰展示了流场中涡结构的独特生长机理. 基于涡核位置提取方法，对超音速混合层流场中涡结构的空间尺寸和瞬时对流速度等动态特性进行了定量计算. 通过分析流场中涡结构的动态特性在不同频率脉冲激励下的变化，揭示出受脉冲激励超音速混合层流场中涡结构的演化机理：涡结构的生长不再是依靠相邻涡-涡结构之间的配对与融合，而是通过涡核外围的一串小涡旋结构被依次吸进涡核来实现，且受激励流场中各个涡结构的空间尺寸变化较小；流场中的涡结构数量与脉冲频率成正比例关系，而涡结构的空间尺寸与脉冲频率成反比例关系；涡结构的平均对流速度随脉冲频率的增大而减小. 针对受脉冲激励超音速混合层，给出了能够表征涡结构特性与脉冲激励参数之间关系的方程式，即受激励流场中涡结构的平均对流速度与脉冲周期的乘积近似等于流场中涡结构的空间尺寸（涡结构平均直径）.
2017, 66 (8): 084702.
doi:10.7498/aps.66.084702
摘要 +
作为一种新概念高超声速热防护手段，磁控热防护系统在实际应用中往往需要考虑霍尔效应的影响. 为了在真实气体环境下求解霍尔电场，采用交替隐式近似因子分解法建立并验证了热化学非平衡流体域电场数值求解方法. 分析了电场虚拟步进因子和收敛性的关系以及影响步进因子取值的因素，提出了当地变步进因子加速电场收敛方法. 研究表明，存在一个最优的步进因子ap使得霍尔电场收敛速度最快，并且随网格尺度的减小和霍尔系数的增加，最优步进因子ap变大，电势场收敛速率变慢. 对于局部加密网格而言，当地变步进因子法的电势收敛性明显优于常规的定步进因子法.
2017, 66 (8): 084703.
doi:10.7498/aps.66.084703
摘要 +
Janus颗粒的自驱动力研究对于纳微米尺度驱动力课题具有重要意义，本文针对Pt-SiO2型Janus颗粒，基于格子Boltzmann模型及动量交换法提出了计算其扩散泳力的方法，通过与实验数据对比修正验证了模型准确性，并通过分析证明了此类Janus颗粒的扩散泳力与速度场无关，进一步模拟比较了不同形状颗粒的自驱运动. 分析发现，对于体积相等形状不同的Janus颗粒，扩散泳力主要由轴线投影面积决定，此外反应面积也会对扩散泳力产生影响.
2017, 66 (8): 084704.
doi:10.7498/aps.66.084704
摘要 +
搭载在潜航器上的光电桅杆是光电跟瞄的重要装置. 当潜航器在水下高速行进时，海水会在物体表面形成脱体边界层和涡街，涡街的生成和脱体会引起阻力和升力的大幅度波动，从而对光轴稳定性产生极大的扰动. 本文首先基于电磁场和流体力学的基本控制方程，通过层次结构网格下的有限体积法探讨了电磁流体表面控制对潜航器绕流流场的影响和消涡减振效果；其次，分析并获得了快速反射镜（fast steering mirror，FSM）的结构特性、传递函数和PID控制策略；最后，以潜航器光路模型为研究背景，结合电磁流体的滤波特性和FSM的传递函数，论证了复合控制对潜载光电跟瞄系统稳定性提高的效果. 结果表明，壁面流向电磁力能很好地调控潜航器绕流边界层，抑制涡激振动、减少光学系统的输入噪声，在此基础上通过FSM实现二次补偿，可以进一步提高光学系统跟踪的精度. 本研究是电磁流体控制在光电领域的探索，也是对传统流体力学实验方法的拓展，因此具有一定的科学意义和实用价值.
2017, 66 (8): 084705.
doi:10.7498/aps.66.084705
摘要 +
利用高速纹影系统和数值模拟方法研究了激波/边界层干扰对逆流喷射的等离子体合成射流的响应特性，并揭示了流动控制机理. 实验在来流马赫数Ma=3.1的风洞中进行，测试模型采用钝头体和压缩斜坡的组合模型，等离子体合成射流激励器安装在钝头体头部. 纹影系统捕捉了放电频率为f=1 kHz和f=3 kHz的激励对附体激波形态和分离激波运动的控制效果. 等离子体合成射流使压缩斜坡激波/边界层干扰区域的起始点向下游移动，分离泡尺寸减小，附体激波强度减弱，发生弯曲，再附点移向上游，与此同时分离激波向附体激波逼近. 与f=3 kHz激励相比，f=1 kHz激励的射流流量更大，对激波/边界层干扰的影响范围更广、控制效果更好. 通过数值模拟，揭示了射流与来流相互作用对下游流场的作用机理：射流与来流相互作用诱导出大尺度旋涡，大尺度旋涡耗散发展增强了近壁面流场的湍流度；压缩斜坡上游近壁面的流场性质发生变化，进而导致了压缩斜坡激波/边界层干扰区域流动的变化.
气体、等离子体和放电物理
2017, 66 (8): 085201.
doi:10.7498/aps.66.085201
摘要 +
激光氦离子源产生的MeV能量的氦离子因有望用于聚变反应堆材料辐照损伤的模拟研究而得到关注. 目前激光驱动氦离子源的主要方案是采用相对论激光与氦气射流作用加速高能氦离子，但这种方案在实验上难以产生具有前向性和准单能性、数MeV能量、高产额的氦离子束，而这些氦离子束特性是材料辐照损伤研究中十分关注的. 不同于上述激光氦离子产生方法，我们提出了一种利用超强激光与固体-气体复合靶作用产生氦离子的新方法. 利用这种方法，在实验上，采用功率密度51018 W/cm2的皮秒脉宽的激光脉冲与铜-氦气复合靶作用，产生了前向发射的2.7 MeV的准单能氦离子束，能量超过0.5 MeV的氦离子产额约为1013/sr. 二维粒子模拟显示，氦离子在靶背鞘场加速和类无碰撞冲击波加速两种加速机理共同作用下得到加速. 同时粒子模拟还显示氦离子截止能量与超热电子温度成正比.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2017, 66 (8): 086101.
doi:10.7498/aps.66.086101
摘要 +
金纳米星是一种具有尖状结构的多分枝纳米颗粒. 为了使金纳米星枝杈长度可控，利用HEPES作为体系的还原剂、稳定剂及形状诱导剂，在制备过程中进行光辐照，得到的金纳米星枝杈长度比无光辐照时的金纳米星枝杈长度短，而且不同波长光辐照得到的金纳米星枝杈长度有显著不同. 在此基础上，分析了金纳米星枝杈长度变化的物理过程，提出光诱导金纳米星生长过程中枝杈长度变化的理论模型. 测量了不同枝杈长度的金纳米星在光辐照下一定时间内的温度变化，计算了金纳米星的光热转换效率. 实验结果表明，光辐照制备金纳米星能够精确控制金纳米星枝杈长度范围，从而调控金纳米星的光热转换效率.
2017, 66 (8): 086201.
doi:10.7498/aps.66.086201
摘要 +
利用数字图像相关法研究了常温与恒定应变率（5.0010-3 s-1） 下 Mg含量（质量分数）分别为2.30%，4.57%，6.10%及6.91%四种Al-Mg合金Portevin-Le Chatelier（PLC）效应的宏观变形行为. 实验发现，Mg含量的增加导致强化效果的增强；低Mg含量（2.30%）合金中锯齿跌落幅值基本保持不变，而在高Mg含量（4.57%，6.10%，6.91%）合金中随应变增加而增加. 锯齿跌落幅值随Mg含量增加而逐渐增大，在高Mg含量合金中趋于饱和. 宏观局域变形带的观察结果表明PLC带宽不随Mg含量或者应变改变而变化，带内变形量随着Mg含量或者应变的增加而逐渐增大. 此外，在低Mg含量合金的加载曲线后段（应变约为0.3时）观测到了特殊的周期性的衰减锯齿，相应的时域PLC带演化表明加载曲线的周期性转变大锯齿对应着空间上PLC带的转向，幅度逐渐减小的振荡对应着PLC带的传播，且在转向前后PLC带均向上连续传播.
2017, 66 (8): 086301.
doi:10.7498/aps.66.086301
摘要 +
采用基于嵌入原子方法的分子动力学方法模拟了具有体心立方晶格结构的Fe基体中包含小尺寸Cu纳米粒子的Fe-Cu二元体系在升温过程中的原子堆积结构变化. 进行了Cu原子均方位移、Cu原子对分布函数和原子的径向密度分布函数的计算，并对纯Cu原子区、Fe-Cu界面区和纯Fe基体区的分区域原子堆积结构进行了分析. 结果表明，Fe基体内Cu团簇的尺寸及其在Fe基体内所能占据区域的大小，对不同温度下的Cu团簇内原子堆积结构及Fe基体的原子堆积结构具有影响. 升温过程中不同尺寸受基体约束Cu团簇对Fe基体结构改变的影响表现出很大差异. 对于Febulk-Cu135体系，基体的应变临近Fe-Cu界面区，同时在团簇中间的基体区域出现大量空位缺陷和应变集中区；对于Febulk-Cu141体系，随温度升高，基体中出现的应变区域表现为小尺寸、数量多向大尺寸、小数量的变化.
2017, 66 (8): 086801.
doi:10.7498/aps.66.086801
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法，在广义梯度近似下，研究了立方WO3，WO3（001）表面结构及其氢吸附机理. 计算结果表明立方晶体WO3理论带隙宽度为0.587 eV. WO3（001）表面有WO终止（001）表面和O终止（001）表面两种结构，表面结构优化后W-O键长和W-O-W键角改变，从而实现表面弛豫；WO终止（001）表面和O终止（001） 表面分别呈现n型半导体特征和p型半导体特征. 分别计算了H原子吸附在WO终止（001）表面和O终止（001）表面的H-O2c-H，H-O2cH-O2c，H-O1c-H 和H-O1cH-O1c四种吸附构型，其中H-O1c-H 吸附构型的吸附能最小，H-O 键最短，H失去电子数最多，分别为-3.684 eV，0.0968 nm和0.55e，此吸附构型最稳定. 分析其吸附前后的态密度，带隙从吸附前的0.624 eV 增加到1.004 eV，价带宽度基本不变. H的1s轨道电子与O 的2p，2s轨道电子相互作用，在-8和-20 eV附近各形成了一个较强的孤立电子峰，两个H原子分别与一个O1c原子形成化学键，最终吸附反应生成了一个H2O分子，同时产生了一个表面氧空位.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2017, 66 (8): 087101.
doi:10.7498/aps.66.087101
摘要 +
采用基于色散修正的平面波超软赝势方法研究了二硫化钼/石墨烯异质结的界面结合作用及其对电荷分布和带边电位的影响. 研究表明二硫化钼与石墨烯之间可以形成范德瓦耳斯力结合的稳定堆叠结构. 通过能带结构计算，发现二硫化钼与石墨烯的耦合导致二硫化钼成为n型半导体，石墨烯转变成小带隙的p型体系. 并通过电子密度差分图证实了界面内二硫化钼附近聚集负电荷，石墨烯附近聚集正电荷，界面内形成的内建电场可以抑制光生电子-空穴对的复合. 石墨烯的引入可以调制二硫化钼的能带，使其导带底上移至-0.31 eV，提高了光生电子还原能力，有利于光催化还原反应.
2017, 66 (8): 087201.
doi:10.7498/aps.66.087201
摘要 +
模拟分子的结构和行为有助于更深刻地分析空间电荷陷阱性能变化的微观机理. 利用Materials studio软件建立聚乙烯模型，通过分子链段运动产生的能量和自由体积变化对微观结构和电荷陷阱进行分析. 结果表明：温度由298 K逐渐升高至363 K的过程中，聚合物分子热运动加剧导致的滑移扩散现象，使自由体积和陷阱能级在363 K处分别出现1542.073和0.66 eV的最大值和最小值. 然而在Z轴方向施加0.0007 Hartree/Bohr（1 Hartree/Bohr = 5.21011 V/m） 电场作用时，由于电致伸缩产生Maxwell应力，使分子链段出现局部有序排列，增大范德瓦耳斯能至-360.18 kcal/mol（1 kcal/mol = 4.18 kJ/mol），而自由体积降低了279.773，导致陷阱能级减小0.45 eV. 当363 K和0.0007 Hartree/Bohr联合作用时，聚乙烯的陷阱能级相比同温无电场作用降低0.17 eV. 分子模拟结果与实测结果相符. 利用分子热运动和电致伸缩效应，初步探讨了材料自由体积和范德瓦耳斯相互作用能变化的微观机理，证实分子链段运动改变了微观结构，从而影响电荷陷阱特性. 并且与温度相比，电场作用会使材料产生更低能级的空间电荷陷阱.
编辑推荐
2017, 66 (8): 087301.
doi:10.7498/aps.66.087301
摘要 +
研究了基于Ni电极和原子层淀积的ZrO2/SiO2/ZrO2对称叠层介质金属-绝缘体-金属（MIM）电容的电学性能. 当叠层介质的厚度固定在14 nm时，随着SiO2层厚度从0增加到2 nm，所得电容密度从13.1 fF/m2逐渐减小到9.3 fF/m2，耗散因子从0.025逐渐减小到0.02. 比较MIM电容的电流-电压（I-V）曲线，发现在高压下电流密度随着SiO2厚度的增加而减小，在低压下电流密度的变化不明显，还观察到电容在正、负偏压下表现出完全不同的导电特性，在正偏压下表现出不同的高、低场I-V特性，而在负偏压下则以单一的I-V特性为主导. 进一步对该电容在高、低场下以及电子顶部和底部注入时的导电机理进行了研究. 结果表明，当电子从底部注入时，在高场和低场下分别表现出普尔-法兰克（PF）发射和陷阱辅助隧穿（TAT）的导电机理；当电子从顶部注入时，在高、低场下均表现出TAT导电机理. 主要原因在于底电极Ni与ZrO2之间存在镍的氧化层（NiOx），且ZrO2介质层中含有深浅两种能级陷阱（分别为0.9和2.3 eV），当电子注入的模式和外电场不同时，不同能级的陷阱对电子的传导产生作用.
2017, 66 (8): 087801.
doi:10.7498/aps.66.087801
摘要 +
本文采用光抽运-太赫兹探测技术系统研究了低温生长砷化镓（LT-GaAs）中光生载流子的超快动力学过程. 光激发LT-GaAs薄层电导率峰值随抽运光强增加而增加，最后达到饱和，其饱和功率为54 J/cm2. 当载流子浓度增大时，电子间的库仑相互作用将部分屏蔽缺陷对电子的俘获概率，从而导致LT-GaAs的快速载流子俘获时间随抽运光强增加而变长. 光激发薄层电导率的色散关系可以用Cole-Cole Drude模型很好地拟合，结果表明LT-GaAs内部载流子的散射时间随抽运光强增加和延迟时间（产生光和抽运光）变长而增加，主要来源于电子-电子散射以及电子-杂质缺陷散射共同贡献，其中电子-杂质缺陷散射的强度与光激发薄层载流子浓度密切相关，并可由散射时间分布函数 来描述. 通过对光激发载流子动力学、光激发薄层电导率以及迁移率变化的研究，我们提出适当增加缺陷浓度，可以进一步降低载流子迁移率和寿命，为研制和设计优良的THz发射器提供了实验依据.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2017, 66 (8): 088101.
doi:10.7498/aps.66.088101
摘要 +
CdTe用作薄膜太阳能电池吸收层需要经过氯处理才能得到高的光电转换效率，其中Cl 原子的作用机理仍然没有完全被理解. 实验发现Cl原子主要偏聚在CdTe晶界处，对晶界有钝化作用，而有第一性原理计算认为Cl原子掺入CdTe晶格能够引入浅能级提高光电转换效率. 为了验证Cl原子掺杂是否对CdTe的光电转换效率有益，本文通过磁控溅射制备了100 ppm（ppm = 1/1000000） Cl原子掺杂的CdTe（CdTe：Cl） 薄膜并研究了薄膜的晶体结构与电学性质，同时对比了正常氯处理的无掺杂CdTe薄膜与CdTe：Cl薄膜之间的性质区别. 实验发现Cl原子掺杂会在CdTe：Cl中形成大量仅由几个原子层构成的孪晶，电子和空穴在CdTe：Cl薄膜中没有分离的传导通道，而在氯处理后的CdTe薄膜中电子沿晶界传导，空穴沿晶粒内部传导. 磁控溅射沉积的CdTe：Cl 多晶薄膜属于高阻材料，退火前载流子迁移率很低，退火后载流子浓度降低到本征数量级，电阻率提高. CdTe：Cl薄膜电池效率远低于正常氯处理的无掺杂CdTe薄膜电池效率. 磁控溅射制备的非平衡重掺杂CdTe：Cl多晶薄膜不适合用作薄膜太阳能电池的吸收层.
2017, 66 (8): 088102.
doi:10.7498/aps.66.088102
摘要 +
宽带隙半导体金刚石具有突出的电学与热学特性，近年来，基于金刚石的高频大功率器件受到广泛关注，对于金属-金刚石肖特基结而言，具有较高的击穿电压和较小的串联电阻，所以金属-金刚石这种金半结具有非常好的发展前景. 本文通过第一性原理方法去研究金属铝-金刚石界面电子特性与肖特基势垒的高度. 界面附近原子轨道的投影态密度的计算表明：金属诱导带隙态会在金刚石一侧产生，并且具有典型的局域化特征，同时可以发现电子电荷转移使得Fermi能级在金刚石一侧有所提升. 电子电荷在界面的重新分布促使界面形成新的化学键，使得金属铝-氢化金刚石形成稳定的金半结. 特别地，我们通过计算平均静电势的方法得到金属铝-氢化金刚石界面的势垒高度为1.03 eV，该值与金属诱导带隙态唯像模型计算的结果非常接近，也与实验值符合得很好. 本文的研究可为金属-金刚石肖特基结二极管的研究奠定理论基础，也可为金刚石基金半结大功率器件的研究提供理论参考.
编辑推荐
2017, 66 (8): 088201.
doi:10.7498/aps.66.088201
摘要 +
将碱金属溶于含有芳香化合物的醚类溶剂，碱金属的一个电子转移给芳香化合物形成一个碱金属离子和一个阴离子自由基，同时溶于醚类溶剂得到一类具有高电子电导率和离子电导率的蓝黑色液体. 当碱金属为钠、芳香化合物为联苯、醚类溶剂为乙二醇二甲醚时，其电子电导率和离子电导率分别为8.410-3Scm-1和3.610-3Scm-1，电极电位为0.09 V vs. Na/Na+，适合作为负极材料，具有原材料低廉、易于制备等优点. 我们将该液体作为负极，分别以苯醌和蒽醌（AQ）溶液作为正极构建了一种新型二次电池，结果表明以AQ溶液作为正极的电池具有长循环寿命、低成本的优势. 该阴离子自由基液态负极材料的提出为开发新型的储能电池提供了新思路.
2017, 66 (8): 088701.
doi:10.7498/aps.66.088701
摘要 +
采用Syn View Head 300对内部有胶和空气孔的样件进行了太赫兹二维扫描（xy轴方向），系统通过线性调频连续波技术得到样件内部的三维信息. 检测薄层时，由于太赫兹源的波长在亚毫米量级，薄层的上下表面反射峰相距太近而难以辨别. 为了提高太赫兹探测的纵向分辨率，采用小波变换对探测信号进行处理，对小波系数进行三维重构，获得的三维小波系数图像比原始三维探测信号更加精确. 该方法有效提高了太赫兹成像的纵向检测精度，纵向分辨率可达1 mm.
地球物理学、天文学和天体物理学
2017, 66 (8): 089201.
doi:10.7498/aps.66.089201
摘要 +
采用中尺度数值预报模式对2015年22号台风彩虹进行高分辨率的数值模拟，成功地模拟出台风彩虹的移动路径、强度和降水分布，尤其是在台风登陆前后，模拟结果与实况比较接近. 以此为基础，利用模式输出资料，分析台风的动力、热力精细结构和台风雨带的宏观特征. 眼墙处具有低层径向入流、高层径向出流的动力配置. 在眼墙附近，同时存在切向风速高值区、垂直上升区、正温度距平区，并随高度向外侧倾斜，雷达回波较强，对流系统比较深厚. 次级雨带、主雨带和远距离雨带的雷达回波相对较弱，对流系统垂直厚度略小. 再利用尺度分离方法，得到涡旋Rossby波的扰动场资料，进一步分析涡旋Rossby波的特征. 1波、2波同时朝切向和径向传播，1波的振幅明显大于2波. 研究结果表明，1波、2波正涡度扰动对应强雷达回波，存在强对流活动. 降水区上空的垂直涡度扰动呈上正下负的配置，与水平散度扰动的垂直配置相似时，会加强低层辐合和高层辐散，有很强的垂直上升运动，有利于对流系统发展，降水增强. 1 波、2波扰动的动力配置影响了对流系统的发展，并对降水强度和分布有一定的诊断作用.
2017, 66 (8): 089202.
doi:10.7498/aps.66.089202
摘要 +
大气温度是描述大气状态的重要基本特征参量之一. 目前，基于Rayleigh散射的大气温度探测方法多应用于大气温度的相对探测，即温度反演时需要响应函数和校准程序. 本文提出了利用固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪进行大气Rayleigh散射谱型的精细探测方法和残余米散射信号的抑制方法. 根据Rayleigh散射谱特点，针对固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体介质类型、半高全宽、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计. 利用优化参数的固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪获取Rayleigh散射谱上离散点信息，并采用多项式插值方法获得拟合谱型，与根据标准大气模型和S6模型获得的理论谱型进行比对，大气温度探测不确定度小于0.8 K. 当信噪比为10时，白天与夜晚的探测距离分别为4.5 和7.9 km. 该方法可实现大气温度廓线的全天时和高精度绝对探测，并对同类高光谱激光雷达分光系统研究具有借鉴意义，为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的分光系统解决方案.