综述
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2021, 70 (19): 198102.
doi:10.7498/aps.70.20210531
摘要 +
近年来, 可移动消费电子与电动汽车等产业发展迅速, 迫切需要发展高能量密度与高安全稳定性的锂电池, 以提高这些设备的长续航与长期稳定运行的能力. 这使得全固态锂电池极具潜力, 并获得迅速发展. 然而, 高性能全固态锂电池的发展需要对其充放电机制与性能衰减机理等有深入的认识, 对电池内部及界面的微观结构、物相组成、化学成分及局域化学环境等动态演变规律有系统深入的理解. 基于此, 本文总结归纳了典型原位表征技术, 包括原位显微技术 (原位扫描电子显微镜 (SEM), 原位透射电子显微镜 (TEM))、原位X射线技术 (原位X射线衍射 (XRD)、原位X射线光电子能谱 (XPS)、原位近边结构X射线吸收光谱 (XANES)、原位X射线层析成像等)、原位中子技术 (原位中子衍射 (ND)、原位中子深度剖析 (NDP))以及原位波谱技术 (原位拉曼光谱、原位核磁共振 (NMR)与原位核磁共振成像 (MRI)) 等的基本原理、功能、及其应用于研究固态锂电池中电极材料与界面在服役状态下、真实电化学过程中的动态过程与失效机制的代表性研究进展, 并对未来先进原位表征技术在全固态锂电池研究中的应用进行了探讨和展望.
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2021, 70 (19): 198501.
doi:10.7498/aps.70.20210652
摘要 +
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)已在量子信息、深空激光通信、激光雷达等众多领域发挥了重要的作用. 虽然SNSPD经过二十年的研究, 但其光子响应本征机制还有待完善. 深入理解与厘清其光子响应过程是研发高性能探测器的前提与关键. 现在较为成熟的超导纳米线单光子探测器响应理论有热点模型和涡旋模型. 但是这两种理论都存在一定的缺陷, 前者存在截止波长, 后者存在尺寸效应, 都需要进一步完善. 超导相位滑移是超导体的内禀性耗散, 有望用于解释超导纳米线单光子探测器的光子响应过程, 形成统一完备的理论. 这三种模型是对SNSPD光子检测理解的不断深入: 热点模型是一种唯象模型, 研究电子-声子等准粒子体系的相互作用; 涡旋模型由Ginzburg–Landau方程和电磁学方程出发, 研究涡旋在超导体中的运动及其带来的超导态耗散; 相位滑移模型是基于量子力学的解释, 研究热扰动和宏观量子隧穿引发的超导态耗散. 本文综述了热点模型、涡旋模型和超导相位滑移的基本概念、发展历史和研究进展, 讨论和对比了这三种理论的特点和发展前景, 为超导纳米线单光子探测器光子检测理论研究提供参考和借鉴.
总论
2021, 70 (19): 190201.
doi:10.7498/aps.70.20210083
摘要 +
采用改进型化学气相沉积法结合稀土螯合物掺杂制备了系列掺镱光纤预制棒及光纤, 并测试了光纤(预制棒)辐照、退火前后的光学性能. 结果表明: 中子辐照后掺镱光纤材料中与Al相关的缺陷浓度增多, 导致光纤材料在可见光区域吸收损耗增加. Ce离子的掺杂可缓减铝氧空位中心(Al-OHC)等色心缺陷的增加, 从而有效抑制掺镱光纤的辐致暗化效应. 热退火可降低中子辐致色心缺陷的浓度从而降低光纤材料的吸收, 在一定程度上消除暗化效应.
2021, 70 (19): 190202.
doi:10.7498/aps.70.20202147
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变分迭代法是一种基于变分原理, 具有高数值精度的数值格式, 目前已广泛应用于各类强非线性孤立波方程的数值求解中. 本文利用修正的变分迭代法对两类非线性方程进行研究. 该格式是对原数值方法的一种改进, 即在变分项前引入了参数h. 通过定义误差函数的离散二范数并在定义域内绘出h-曲线, 从而确定出使误差达到最小的h, 再返回原迭代过程进行求解. 同时, 参数的引入也扩大了原数值解的收敛域, 在迭代次数一定的情况下达到了数值最优. 在数值实验中, 将上述结果应用于四阶的Cahn-Hilliard方程和Benjamin-Bona-Mahoney-Burgers方程. 对于四阶的Cahn-Hilliard方程, 普通的变分迭代法绝对误差在
$10^{-1}$
左右, 经过修正后, 绝对误差降为
$10^{-4}$
, 而且修正后的方法扩大了原数值解的收敛域. 对于Benjamin-Bona-Mahony-Burgers方程, 利用带有辅助参数的变分迭代法将数值解的精度提高到
$10^{-3}$
, 对真解的逼近效果优于原始的变分迭代法. 此数值方法也为其他强非线性孤立波微分方程的数值求解提供了方法和参考.
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2021, 70 (19): 190301.
doi:10.7498/aps.70.20210837
摘要 +
把一个任意量子态在既有噪声又有窃听的信道下安全可靠地传输, 是一个广泛而重要的问题. 现在已有的方法是先传输大量的Einstein- Podolsky- Rosen (EPR)纠缠对, 然后进行纠缠纯化, 获得一对近似完美的纠缠对, 再进行隐形传态或者远程态制备来传输量子态. 本文给出一种直接安全传输量子态的方法, 通过使用量子直接通信, 安全地传输大量同样的任意量子态, 然后利用单量子态的纯化方法, 得到一个近于完美的量子态. 这是一种不需要量子纠缠的量子态安全传输方法, 避免使用纠缠资源. 这种方案是量子隐形传态和远程态制备之外的又一途径. 此外, 这一方案将原来只是用来传输经典信息的量子安全直接通信扩展到传输任意量子态的新领域, 扩大了量子直接通信的用途. 这一方案将在未来量子互联网中有重要的应用.
2021, 70 (19): 190501.
doi:10.7498/aps.70.20210517
摘要 +
基于Cao的误差棘轮模型, 通过引入温度因子进一步对反馈棘轮实施控制. 本文详细讨论了温度因子、温度相位差和温度频率对耦合布朗粒子定向输运的影响. 研究发现, 温度因子并不总是减小温度反馈棘轮的定向输运, 这意味着在一定条件下温度因子还可以增强反馈棘轮的定向输运. 此外, 在小温度振幅范围内耦合粒子的质心平均速度和Pe数随温度频率的变化都呈多峰结构. 这一结果表明, 合适的温度变化频率能够使反馈棘轮的定向输运获得多次的增强. 本文所得结论不仅能够启发实验上通过选取合适的温度反馈信息来优化布朗棘轮的定向输运, 还可为实验上的数据分析与处理特别是误差分析提供理论参考.
2021, 70 (19): 190502.
doi:10.7498/aps.70.20202063
摘要 +
研究了偏压控制下的粒子在破缺媒介中的扩散动力学. 基于平均首次通过时间理论导出了粒子在偏压破缺势场中的有效扩散系数的近似表达式. 结果显示粒子的有效扩散系数被显著地增大, 用粒子概率密度分布函数的波包展宽对此机制给出了解释. 进一步, 本文提出有效动力学温度和有效阻尼相结合的概念, 对爱因斯坦扩散关系进行了推广.
基本粒子物理学与场
2021, 70 (19): 191401.
doi:10.7498/aps.70.20210804
摘要 +
现有以散射为主的宇宙线缪子成像难以从高原子序数材料中有效区分特殊核材料, 利用缪子在特殊核材料中产生的次级诱发中子标记入射缪子, 可从高原子序数材料中辨别特殊核材料, 但其成像时间长且成像质量较低. 缪子多模态成像利用缪子穿透材料的散射信息以及被材料阻止时产生次级诱发中子的缪子信息, 可有效解决单一成像方法的不足. 基于GEANT4程序设置探测模型, 以Cosmic-ray Shower Library为缪子源, 开发了与诱发中子符合的缪子成像、缪子散射成像、缪子多模态成像模拟程序, 并在模拟数据的基础上分别实现了成像算法, 得到了不同模型的成像结果. 模拟结果表明, 基于散射和次级诱发中子的缪子多模态成像不仅成像快、质量高, 而且能明显区分特殊核材料与其他高原子序数材料, 具有探测特殊核材料的独特优势.
核物理学
2021, 70 (19): 192101.
doi:10.7498/aps.70.20210187
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为寻找核态可能存在的三轴形变, 用对力-形变-转动频率自洽推转壳模型对锗和硒同位素进行了总转动能面计算. 计算是在四极形变(β2,γ)网格中进行的, 且十六极形变β4可变. 在锗同位素中发现了由64Ge的三轴、66Ge的扁椭、再经三轴、向长椭形变的形状相变. 一般来说Ge和Se同位素具有γ软性形状, 导致了显著的动力学三轴效应, 计算中没有证据表明存在基态下的刚性三轴性. 在64,74Ge中发现基态和集体转动态下
$ \gamma = - 30^\circ $
的三轴形变, 这是三轴形变的极限. 本文重点讨论N=Z核64Ge可能存在的三轴形变, 给出了基于唯象Woods-Saxon势下的单粒子能级信息, 并对N=Z核64Ge三轴形变的产生机理进行了讨论.
原子和分子物理学
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2021, 70 (19): 193201.
doi:10.7498/aps.70.20210757
摘要 +
报道了1.5—20 keV/q的高电荷态
$ {\rm{O}}^{q+} $
(q= 3—7)离子与Al表面相互作用发射的O原子的特征X射线谱. 分析表明, 对于
${\rm{O}} ^{q+} $
(q= 3—6)离子入射时发射的X射线, 是由于离子进入表面后与Al原子发生紧密碰撞导致的; 而
${\rm{O}} ^{7+} $
离子入射时的X射线, 主要来自于“空心原子”的衰变. 在动能相等的条件下, 存在K壳层空穴的
$ {\rm{O}}^{7+} $
离子的X射线产额相较于
$ {\rm{O}}^{q+} $
(q= 3—6)离子高一个数量级, 不存在K壳层空穴的
${\rm{O}} ^{6+} $
离子的X射线产额也要高于
$ {\rm{O}}^{3+} $
,
${\rm{O}} ^{5+} $
离子. 总体来说, X射线产额以及电离截面与入射离子的初始电子组态有关, 且随离子入射动能的增加而增加. 根据半经典两体碰撞模型, 本文估算了入射离子与靶原子相互作用时分别产生O和Al的
${\rm K}_{\text {α}} $
-X射线的动能阈值. 对于入射动能低于动能阈值且电子组态为
$1{\rm{s}} ^{2} $
的
$ {\rm{O}}^{6+} $
离子与样品表面相互作用, 可能存在多电子激发使
${\rm{O}} ^{6+} $
离子产生K壳层空穴.
2021, 70 (19): 193601.
doi:10.7498/aps.70.20210645
摘要 +
改变生长工艺、控制并调整液滴中原子扩散机制是对复杂纳米结构制备的关键途径, 并且对基于液滴外延方法研究半导体纳米结构十分重要. 本文在不同衬底温度, 不同As压下在GaAs(001)上沉积相同沉积量(5 monolayer)的In液滴并观察其表面形貌的变化. 原子力显微镜图像显示, 液滴晶化后所形成的扩散“盘”且呈现一定的对称性. 随着衬底温度的增高, 圆盘半径逐渐扩大, 扩散圆盘中心出现了坑. 而随着As压的增高, 所形成的液滴密度增加, 以液滴为中心所形成的扩散圆盘宽度逐渐减小. 基于经典的成核扩散理论对实验数据拟合得到: GaAs(001))表面In原子在
$ [1\bar10] $
和[110]晶向上的扩散激活能分别为(0.62 ± 0.01) eV和(1.37 ± 0.01) eV, 且扩散系数D0为1.2 × 10–2cm2/s. 对比其他研究小组的结果证实了理论的正确性. 实验中得到的In原子的扩散激活能以及In液滴在GaAs(001)上扩散机理, 可以为InAs纳米结构特性的调制提供实验指导.
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2021, 70 (19): 193701.
doi:10.7498/aps.70.20210778
摘要 +
利用密度矩阵重整化群计算了光学腔中一维无自旋玻色-哈伯德模型的基态. 通过研究超流序、局域密度分布、二阶和三阶关联函数, 发现该系统出现了超越平均场理论的两个奇异超固相. 这两个超固相同时具备对角和非对角长程序, 其中一个展现出包络形式的密度调制振荡, 另一个展现出均匀的密度分布. 另外, 结合光场的超辐射序参量和腔内的平均光子数, 发现奇异超固相与腔光场的涨落存在密切关系. 该工作给出了光学腔内玻色哈伯德模型的超越平均场理论的新物理, 并提供了探索光学腔内光与物质集体物态的完整计算方法.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (19): 194101.
doi:10.7498/aps.70.20210746
摘要 +
提出一种电磁超构表面与天线一体化设计以实现低散射阵列的新方法. 该方法利用传输线将超构表面部分单元串联, 并采用同轴馈电激励, 以此得到新型天线阵列, 该阵列的辐射性能和传统阵列几乎相同; 当外来雷达波照射该阵列时, 利用超构表面和其周围天线结构散射场的差异, 将能量在空间重新分配, 从而实现天线工作频带内的雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩. 基于该方法, 以2 × 1阵列为例, 构建了天线模型, 数值分析了其性能, 验证了该阵列的良好辐射和低RCS特征, 并详细阐述了天线的工作机理, 进一步的分析还揭示了超构表面结构对天线辐射和散射性能的影响规律. 遵循该规律, 可以灵活设计满足需求的天线阵列. 该方法不仅简单易行、集成度高, 还可以拓展至更大规模的阵列天线设计.
2021, 70 (19): 194201.
doi:10.7498/aps.70.20210070
摘要 +
本文设计了一种非对称结构的类电磁诱导透明超材料结构, 利用时域有限差分方法对其光学特性和类EIT效应进行了仿真分析, 建立了其耦合洛伦兹模型, 并对所设计超材料结构的类EIT效应进行了模拟分析. 结果表明: 利用两个长短不同的硅块明模和明模之间的耦合, 在1555 nm附近实现了类电磁诱导透明效应; 通过对该超材料的微结构参数进行优化, 实现了超高Q值(Q约为8616)的类EIT效应, 透射率可达96%; 通过调节硅块的长度以破坏超材料结构的非对称性, 实现了对类电磁诱导透明窗口的主动调控. 所设计的全介质超材料结构具有低损耗、易制备、主动可调控等优点, 在主动可调控的慢光器件、高灵敏的光学传感器、窄带滤波器等光学器件的设计中具有潜在的应用价值.
2021, 70 (19): 194301.
doi:10.7498/aps.70.20210045
摘要 +
为了深入探究空化泡群中气泡的动力学特性, 建立了超声驱动下考虑水蒸气的蒸发和冷凝的泡群中泡的动力方程. 基于该方程, 研究了泡群中泡的位置、泡的数量、泡的初始半径对其动力学特性的影响, 探究了超声作用下球状泡群中气泡半径、能量、温度、压力和气泡内水蒸气分子数的变化规律. 结果表明: 泡群中泡的运动受到周围气泡的抑制作用; 泡群中泡的初始半径大小对泡群中泡的半径、能量、温度、压力和气泡内水蒸气分子数有显著影响; 泡群中泡的位置距离泡群中心越远, 泡的膨胀半径越大; 随着泡群中泡的数目增加, 泡的振幅减小; 超声频率增加, 泡群中泡的空化效应减弱; 超声声压增加, 泡群中泡的空化效应增加. 研究结果为超声空化泡群的研究提供了理论参考.
2021, 70 (19): 194302.
doi:10.7498/aps.70.20202232
摘要 +
旋涡对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题, 在声源定位、声目标识别及探测、远场噪声预测等方面具有重要的学术研究价值和工程应用价值, 如飞行器的尾涡识别、探测及测距, 湍流剪切流中声目标预测, 声学风洞试验中声学测量和声源定位等. 声波穿过旋涡时会产生非线性散射现象, 其物理机理主要与声波波长和旋涡半径的长度尺度比相关. 本文采用高阶精度高分辨率线性紧致格式, 通过求解二维非定常Euler方程, 数值模拟了平面声波穿过静止等熵涡的物理问题. 通过引入声散射截面法, 分析了不同声波波长与旋涡半径的长度尺度比对声波脉动压强、声散射有效声压以及声散射能量的影响规律. 研究表明: 随着声波波长与旋涡半径的长度尺度比逐渐增加, 旋涡流场对声场的影响逐渐减弱, 声散射有效声压影响区域先逐渐增大随后逐渐减小, 声散射能量最大值呈现4种不同的变化阶段.
气体、等离子体和放电物理
2021, 70 (19): 195201.
doi:10.7498/aps.70.20210765
摘要 +
X射线荧光CT(X-ray fluorescence computed tomography, XFCT)是一种使用X射线荧光(X-ray fluorescence, XRF)实现功能性成像的新技术, 在生物医学成像中表现出较大潜力. 但是, X射线穿过生物体的同时还会产生大量康普顿散射光子, 对XRF信号的采集形成很强的背景噪声; 因此, 如何有效消除康普顿散射噪声对于提高XFCT成像质量至关重要. 本文研究总结了XFCT成像过程中涉及的物理过程, 包括: 荧光的产额、退激发时间、荧光发射角分布、荧光偏振态、康普顿散射角分布与散射光偏振态, 并通过研究荧光与散射光物理性质的差异寻找去除康普顿散射噪声的方法. 经过物理过程推导和分析计算, 发现: 1) 高原子序数元素的K层荧光退激发时间极短, 在现有探测器的时间分辨率条件下, 无法分辨散射光与荧光; 2) K层发射荧光的角分布各向同性, 康普顿散射角分布在与入射光偏振方向附近取得最小值, 而且入射光线偏振度越高, 散射光的微分截面越小, 偏振光源将有利于减少康普顿散射噪声; 3) K层荧光线偏振度为零, 而康普顿散射光子在一些散射方向上具有一定线偏振度, 因此偏振态的差异可能用于降低康普顿散射噪声.
2021, 70 (19): 195202.
doi:10.7498/aps.70.20210568
摘要 +
激光等离子体相互作用(LPI)是激光等离子体相关研究中的重要内容, 皮秒激光的出现为在皮秒时间尺度内更加细致地研究LPI过程提供了可能. LPI相关的时间尺度通常是皮秒量级的, 这一研究有望从更精细的角度来获得认识. 依托神光-Ⅱ升级及皮秒激光装置, 开展了皮秒激光驱动LPI的实验研究. 实验给出了背向受激布里渊散射(SBS)的积分光谱, 其中除了真正的背向SBS成分, 还包含大量的皮秒激光和纳秒激光引入的干扰信号. 纳秒激光引入的干扰信号可以消除, 但皮秒激光引入的干扰信号无法从实验角度消除, 这势必会影响到对背向SBS真正份额的估计. 结果显示, 在不同的实验条件下, 背向SBS散射能量在总的记录信号中, 占比可能还不到一半. 这一结果有助于对先前相关实验数据的进一步理解和再认识.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2021, 70 (19): 196101.
doi:10.7498/aps.70.20210621
摘要 +
硅石墨烯 (siligraphene) 作为石墨烯和硅烯的复合物, 由于其具有石墨烯和硅烯不具备的许多优异性能而受到了广泛关注. Siligraphene的性质与Si原子的分布以及它的结构密切相关, 但是目前对siligraphene的研究主要限于Si的规则分布和具有高对称性的平面结构. 为了超越这些限制, 本文基于密度泛函理论研究了siligraphene g-SiC7所有可能的Si分布及其平面和非平面结构. 首先从g-SiC7的35960种Si分布中筛选出了365种不等价的Si分布, 然后针对每个不等价的Si分布, 比较了平面结构和非平面结构的稳定性. 就Si分布而言, Si原子倾向于聚集在一起以降低能量, 而更分散的Si分布通常具有更高的能量; 就结构的平面性而言, 研究发现存在很多的非平面结构, 其能量明显低于平面结构. 在所有可能的Si分布中, 仅有8个平面结构对面外扰动是稳定的. 本文进一步研究了能量最低三种结构的动力学、热力学和机械稳定性, 发现它们都是稳定的. 能带计算发现, 尽管能量最低的几种结构存在明显的翘曲, 它们在第一布里渊区中两个狄拉克能谷仍得以保留, 并且在狄拉克点处打开了相当大的带隙. 本文计算了其贝里曲率, 发现在不等价狄拉克能谷处的贝里曲率是相反的, 这表明系统具有能谷自由度. 研究表明, siligraphene倾向于具有更集中的Si分布和翘曲结构, 并且最稳定的结构具有良好的电子性质.
2021, 70 (19): 196401.
doi:10.7498/aps.70.20210240
摘要 +
聚苯乙烯等CH材料的高压状态方程研究对于ICF聚变点火具有重要意义. 本文基于“天光一号”长脉冲激光装置开展了聚苯乙烯高压状态方程研究, 理论模拟了靶内的冲击动力学过程, 采用侧向阴影成像技术实验测量了不同厚度的聚苯乙烯平面靶和飞片靶, 获得了靶内的冲击波速度与粒子速度等状态方程参数. 结果表明: 长脉冲激光驱动下CH平面靶内经历了明显的准等熵加载过程, 并逐渐演化为弱冲击加载. 实验测量平面靶压力12 GPa, 飞片撞击靶压力34 GPa, 与模拟结果基本相符.
封面文章
2021, 70 (19): 196801.
doi:10.7498/aps.70.20210419
摘要 +
本工作应用截面扫描隧道显微镜(XSTM)研究了In0.53Ga0.47As/InP异质结构的(110)解理面. 扫描隧道谱(STS)测量结果显示, InGaAs的电流-电压(I-V)隧道谱呈现与衬底InP(110)面完全不同特点. InP的I-V谱呈现的零电流平台宽度(隧道谱表观带隙)接近材料带隙, 可基于平带模型解释. In0.53Ga0.47As的表观带隙却比其带隙(室温0.74 eV)高出约50%. 这反映了针尖与InGaAs发生隧穿时的不同物理图像, 需应用针尖诱导能带弯曲(TIBB)模型来解释. 基于三维TIBB模型的计算, 我们发现表面态密度是对隧道谱线特征具有敏感影响的参数. 适当选取参数不仅能定量解释InGaAs的I-V谱的零电流平台宽度, 而且能较准确预言零电流平台的起、止能量位置,并能计算给出与实验高度重合的I-V理论谱线.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2021, 70 (19): 197301.
doi:10.7498/aps.70.20210608
摘要 +
零维SnO2量子点因具有优异的物理化学稳定性、高电子迁移率和能带结构可调等特性, 是阻变存储器中阻变功能材料的良好选择, 受到了研究者的广泛关注. 本文采用溶剂热法制备了尺寸为2.51 nm, 2.96 nm和3.53 nm的SnO2量子点, 在较小尺寸范围内证明了SnO2量子点能带结构随尺寸离散化的量子尺寸效应; 并基于其量子尺寸效应, 实现了对SnO2量子点阻变存储器开关电压的有效调控. 研究表明, 尺寸为3.53 nm的SnO2量子点具有较低的开关电压(–2.02 V/3.08 V)与较大的阻变开关比(> 104), 器件在经过2 × 104次的耐久性测试后, 阻变性能变化率小于5%, 具有较好的稳定性与保持性. 基于库仑阻塞效应, SnO2量子点内部缺陷势阱作为俘获中心对电子的自俘获/脱俘作用, 是其实现阻变效应的原因; 此外, SnO2量子点与ITO, Au界面肖特基势垒高度的有效控制则是精准调控其阻变开关电压的关键. 以上工作揭示了SnO2量子点在阻变存储领域的巨大应用潜力和商业化应用价值, 为阻变存储器的发展提供了一项新的选择.
编辑推荐
2021, 70 (19): 197401.
doi:10.7498/aps.70.20210620
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Mg(BH4)2作为优质的储氢材料, 在约300 ℃开始分解释放H2, 并最终生成MgB2. 由于Mg(BH4)2的释氢反应可以在较低的温度下获得MgB2, 使其成为了制备MgB2超导材料的一种有效途径. 本文采用了原位电阻法, 通过测量Mg(BH4)2分解过程中电阻温度曲线, 详细地研究了Mg(BH4)2分解生成MgB2的相变过程. 同时, 利用电阻温度的微分曲线, 确定了在分解过程中不同产物的成相温度(TPF). 其中, MgB2的成相温度可以低至410 ℃. 通过与粉末烧结法制备MgB2块材的成相温度对比, 估算出反应前Mg的颗粒尺寸最低可达3.4 nm. 此外, 样品的XRD分析给出了生成的MgB2晶粒在10—18 nm之间, 在SEM图像中也同样观察到了MgB2纳米纤维结构. 这表明, Mg(BH4)2分解生成的Mg与B 形成了接近原子级的混合, 从而使MgB2可以在更低的成相温度(410 ℃)、更短的反应时间内成相. 该方法为MgB2在超导应用的制备提供了新的思路, 有利于实现MgB2的工业化生产.
2021, 70 (19): 197501.
doi:10.7498/aps.70.20210631
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量子自旋系统的动力学性质是统计物理和凝聚态理论研究的热点问题. 本文利用递推关系方法, 通过计算系统的自旋关联函数及谱密度, 研究了纵场对一维量子Ising模型动力学性质的影响. 对于常数纵场的情况, 发现当自旋耦合相互作用较弱时纵场能够引起不同动力学行为之间的交跨效应, 且驱使系统出现了多种振动模式, 但较强的自旋耦合相互作用会掩盖纵场的影响. 对于随机纵场的情况, 分别讨论了双模型随机纵场和高斯型随机纵场的影响, 发现不同随机类型下的动力学结果有很大的差别, 且高度依赖于随机分布中参数的选取, 如双模分布的均值, 高斯分布的均值和偏差等. 尽管常数纵场和随机纵场下的动力学结果不同, 但可以得到一个共同的结论: 当纵场所占比重较大时, 系统的中心峰值行为将得到保持. 且此结论可以推广: 系统哈密顿中非对易项的出现有利于中心峰值行为的保持.
2021, 70 (19): 197502.
doi:10.7498/aps.70.20210623
摘要 +
本文通过三维微磁学数值模拟, 研究了界面处原子扩散形成的界面层对易轴平行和垂直膜面取向SmCo/Fe双层膜磁性能的影响. 当易轴取向平行膜面时, 体系成核在第二象限. 随着界面层厚度的增加, 尽管剩磁逐渐减小, 而成核场和钉扎场逐渐增加, 以致最大磁能积先增加后减小, 直至体系由交换弹簧磁体过渡到刚性磁体. 当易轴取向垂直膜面时, 随着界面层厚度的增加, 体系成核由第一象限逐渐过渡到第二象限, 虽然钉扎场从减小、不变到略有增加, 但成核场和剩磁逐渐增加, 导致最大磁能积逐渐增加. 在退磁过程中, 膜面内自旋偏转: 易轴平行膜面取向系统显示了flower 态和C态的产生与消失的过程; 而易轴垂直膜面取向系统显示了vortex态的产生与消失的过程. 随着易轴平行膜面SmCo/Fe双层膜界面层中SmCo原子扩散比例的增加, 成核场和钉扎场增加但剩磁减小, 最大磁能积先增加后降低. 当易轴两种取向时, 对任一界面层厚度, 成核场随界面交换耦合常数的增大而增大, 这表明界面层的存在增强了硬磁/软磁层之间的交换耦合作用. 本文建立的模型很好地模拟了相关的实验结果[
2007
Appl.
Phys.
Lett.
91072509
].
2021, 70 (19): 197701.
doi:10.7498/aps.70.20210440
摘要 +
压电陶瓷广泛用于驱动器、传感器等电子领域, 但是目前主要使用的压电陶瓷是铅基陶瓷. 基于保护环境和社会可持续发展的需要, 无铅压电陶瓷的研发变得迫切. 无铅压电陶瓷(K,Na)NbO3(KNN)因具有较高压电常数和居里温度, 而受到广泛关注. 然而较差的温度稳定性限制了其应用. 本文通过二步合成法制备了电学性能温度稳定的(1–x)(Na0.52K0.48)0.95Li0.05NbO3-xCaZrO3(NKLN-xCZ)陶瓷, 研究了CaZrO3对KNN基陶瓷微结构及电学性能的作用. 研究结果表明: 适量CaZrO3改善了样品烧结性能, 得到了致密陶瓷. 随CaZrO3增加, NKLN-CZ陶瓷的三方相(R)-四方相(T)共存出现在组分为
$0.05\leqslant x \leqslant 0.06.$
x= 0.05时, 陶瓷样品不但具有高居里温度(Tc= 373 ℃), 而且表现出良好电学性能(d33= 198 pC/N,kp= 39%,εr= 1140, tanδ=0.034,Pr= 21 μC/cm2,Ec= 18.2 kV/cm). 此外, 该陶瓷由于存在弥散R-T相变, 导致其相变温度区间拓宽, 因此, 该陶瓷具有较好的电学性能温度稳定: 在温度范围为–50—150 ℃, NKLN–0.05CZ陶瓷的kp保持在34%—39% (kp变化量
$\leqslant13\%$
).
2021, 70 (19): 197801.
doi:10.7498/aps.70.20210122
摘要 +
在显示领域, 微型发光二极管 (micro-LED) 潜力巨大, 有望引领下一代新型显示技术的发展方向, 其显示性能在很多方面优于现有的液晶、有机发光二极管(OLED), 但巨量的micro-LED像素点与驱动电路不在同一晶圆上制备, 面临巨量转移的技术瓶颈. 本文将新兴的石墨烯场效应晶体管作为驱动元件与氮化镓 (GaN) micro-LED进行单片集成, 因为二者直接制备于同一衬底上, 所以从根源上规避了巨量转移的技术难题. 此外, 传统光刻工艺中紫外光刻胶直接接触石墨烯, 会引入严重掺杂导致场效应晶体管性能较差, 进而影响集成器件性能. 本文提出了一种利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜作为保护层, 直接旋涂紫外光刻胶进行垫层光刻的全新工艺方法, 优化了石墨烯场效应晶体管制备工艺. 首先在分立的石墨烯场效应晶体管中进行验证, 相比于没有进行PMMA薄膜保护的器件, 采用新工艺制备的石墨烯器件狄拉克点的栅极电压 (Vg) 距零点的偏差降低了22 V, 载流子迁移率提升了32%. 此外, 将新工艺应用到集成器件制备后, 发现集成器件性能得到了大幅提升. 利用此新技术, 由于有PMMA的保护, 紫外光刻胶不再与敏感的石墨烯沟道直接接触. 掺杂效应和随之而来的器件性能下降被有效扼制. 因为此技术简便而廉价, 所以也可应用到石墨烯之外的其他二维材料中, 例如MoS2和h-BN, 有望对本领域的器件工程师产生一定的参考价值.
2021, 70 (19): 197802.
doi:10.7498/aps.70.20202235
摘要 +
基于单层超表面结构, 设计并制作了一种具有大焦深的离轴超透镜. 利用相位叠加的设计方法, 将偏转与聚焦这两个功能合二为一以实现离轴聚焦, 并通过优化入射孔径和离轴偏转角来增大焦深. 实验结果表明: 当入射电磁波的频率为9 GHz时, 离轴偏转角为27.5°, 焦距为335.4 mm, 这与30° 和350 mm 的预设值比较符合. 在8, 9和10 GHz三个频率下的焦深分别为263.2, 278.5和298.2 mm, 分别对应波长的7.02倍、8.36倍和9.98倍. 该离轴超透镜结构简单, 具有良好的离轴聚焦能力和较大的焦深, 这在小型化、平面化的大焦深成像系统以及离轴光学系统中具有潜在的应用前景.
2021, 70 (19): 197901.
doi:10.7498/aps.70.20210651
摘要 +
钙钛矿材料CsPbX3作为新兴半导体材料, 具有X光吸收系数高、制备工艺简单等优点, 是一种优秀的X光光电探测材料. 为了探索CsPbX3在X光真空光电器件领域的应用前景, 对其在X光波段的外光电效应进行了研究. 制备了厚度为230 nm的CsPbI2Br薄膜样品, 并标定了其在2000—5500 eV的响应灵敏度和量子效率, 响应灵敏度达到5.1 × 10–5A/W以上, 量子效率达到23%以上. 采用Monte-Carlo方法对CsPbI2Br的外光电效应灵敏度和量子效率进行了计算, 计算数据与标定数据的一致性较好, 表明Monte-Carlo方法适用于CsPbX3在X光波段外光电效应的模拟. 在此基础上计算了不同CsPbX3钙钛矿材料在X光波段的响应灵敏度和量子效率, 其计算值均接近于传统X光光电材料CsI, 表明CsPbX3是很有潜力的X光真空光电发射材料. 进一步对CsPbX3材料厚度与灵敏度的关系进行了研究, 其结果显示为获得最佳灵敏度, CsPbX3的厚度应不低于150 nm.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2021, 70 (19): 198101.
doi:10.7498/aps.70.20210521
摘要 +
目前, 硅/碳复合材料是锂离子电池最有潜在应用前景的高容量负极材料之一, 硅与碳材料的界面状态是影响其电化学性能的重要因素. 本文在作为碳材料结构单元的石墨烯表面构建了Sin(n≤ 6)团簇, 采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法研究了Sin团簇/石墨烯(Sin/Gr)的几何构型、结构稳定性和电子性质. 结果表明, 当Si原子数n≤ 4时, Sin团簇优先以平行于石墨烯的二维构型沉积在石墨烯表面, 当n≥ 5时, Sin团簇优先以三维立体构型沉积在石墨烯表面. 随着n的增大, Sin团簇在石墨烯表面的热力学稳定性显著降低, 两者之间的界面结合减弱, 并且伴随着Sin团簇与石墨烯之间的电荷转移也越来越少. 同时还研究了Sin/Gr复合构型的储锂能力, Li原子主要存储在Sin团簇临近的石墨烯表面和Sin团簇周围, Sin团簇与石墨烯复合形成的协同作用增强了Li原子吸附的热力学稳定性. 当n≤ 4时, 存储2个Li原子有利于提高xLi-Sin/Gr体系的热力学稳定性, 继续增加Li原子数x会导致稳定性降低; 当n≥ 5时, 稳定性随着Li原子数x的增多而逐渐降低.
2021, 70 (19): 198401.
doi:10.7498/aps.70.20210681
摘要 +
由于具有拓宽信道的能力, 携带轨道角动量的涡旋电磁波已经受到越来越多学者的研究. 目前, 基于反射式涡旋波发生装置仍然存在两个问题需要解决: 1) 馈源的遮挡; 2) 由馈源和反射表面所引起的交叉极化分量. 本文提出了一种基于超表面的偏馈式涡旋波产生装置, 该装置包括超表面反射阵和非正对区域放置的天线馈源. 本文主要贡献为以下三方面: 1) 设计了一种几何相位的超表面单元; 2) 主、交叉极化的转化过程被详细分析; 3) 具体的偏馈式涡旋波产生装置被设计. 通过合理设计超表面单元, 实现了仅对馈源主极化场的相位补偿与汇聚调控, 最终在期望的观测位置形成具有场增强效果的低交叉极化涡旋波. 仿真与实验分别验证了极化选择特性与汇聚涡旋波的形成. 该装置结构简单, 具有极化选择性和区域场增强效果, 对涡旋波通信及相关应用具有潜在价值.
2021, 70 (19): 198402.
doi:10.7498/aps.70.20210205
摘要 +
微波雷达依靠非接触、响应速度快、对自然环境的适应性强等特点在物体运动状态检测中的应用越来越广泛. 常用的调频连续波雷达运动检测算法基于差拍信号频谱的峰值估计, 存在计算量大, 抗干扰能力差等缺点. 本文通过对运动物体的差拍信号做特定频率的离散傅里叶变换, 将变换后的实部和虚部在互相垂直的两个方向上进行叠加, 其合成轨迹近似为椭圆, 求出各轨迹点的相位即可还原物体的运动状态. 该算法无需对每个调频周期的拍信号做频谱分析, 时间复杂度较低. 静止物体的拍信号被处理成了固定的直流信号, 对运动物体的测量不造成影响, 具有抗静止物体干扰的能力. 在雷达中心频率为24 GHz, 带宽为0.15 GHz的条件下对算法进行了验证, 位移测量精度达到0.27 mm, 以500 mm作为位移的测量范围, 线性度达到0.05%. 速度的测量精度为1.11 mm/s.
2021, 70 (19): 198403.
doi:10.7498/aps.70.20210586
摘要 +
无空穴传输层的碳基钙钛矿太阳能(PSCs)电池拥有成本低、制备步骤简单、稳定性高的优点, 应用前景广阔. 但是碳电极与活性层的直接接触, 导致器件的光电转换效率普遍低于其他金属电极的钙钛矿太阳能电池. 本文使用聚(3-己基噻吩)(P3HT)作为器件的空穴传输层, 相比传统的有机空穴传输层材料Spiro-OMeTAD, 具有低成本和易于制造的优点, 并通过在P3HT中掺杂1,8-二碘辛烷(DIO)的方法优化其光电性能, 提升了载流子的迁移率, 阻挡电子的运输, 降低界面复合, 改善了碳电极与器件的界面接触, 提高了短路电流Jsc和填充因子FF, 使器件的初始光电转换效率从14.06%提升至15.11%. 器件在氮气环境下测试稳定性, 连续光照1000 h后器件的转换效率仍保持在98%以上.
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2021, 70 (19): 198404.
doi:10.7498/aps.70.20211037
摘要 +
背电极是影响钙钛矿太阳电池性能的一个重要因素. 本文采用COMSOL软件仿真研究了背电极材料、结构、厚度对电池性能的影响规律. 发现相对于背电极金属的功函数, 其阻值对电池性能影响小. 背电极结构除了阻值会影响电池性能, 还存在影响电池性能的其他因素. 蜂窝结构背电极中, 考虑制作难易程度的情况下, 圆形半径约等于边缘间距时性价比最高. 预测背电极中每增加10%的孔隙, 电池性能大约提升5%. 背电极阻值随着厚度的增加而减小, 考虑工艺、成本等因素的前提下, 最佳的厚度应在100—150 nm之间.
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2021, 70 (19): 198502.
doi:10.7498/aps.70.20211046
摘要 +
金属卤化物钙钛矿发光器件具有可溶液加工、高发光效率和良好色纯度等诸多优良特性, 受到了广泛的关注, 但蓝色钙钛矿发光器件发光效率和光谱稳定性等方面的问题限制了钙钛矿材料在照明和显示领域的进一步发展. 本工作研究硫氰酸铵添加剂对准二维混合卤化物钙钛矿薄膜形貌、结晶度、光物理和电致发光特性的影响. 结果表明硫氰酸铵能有效钝化准二维混合卤化物钙钛矿薄膜的缺陷, 提高结晶度, 调节相分布, 从而改善其电荷传输特性和发光效率. 硫氰酸铵浓度为20%的准二维钙钛矿发光二极管的发光峰值波长位于486 nm处, 器件的最大外量子效率为5.83%, 最大亮度为1258 cd/m2, 分别比未添加硫氰酸铵的器件提升了6.7倍和3.6倍, 同时器件发光光谱稳定性和驱动稳定性也得到了明显的提升. 本研究为提高蓝色准二维混合卤化物钙钛矿发光二极管的特性提供了一种简单有效的方法.
2021, 70 (19): 198503.
doi:10.7498/aps.70.20210242
摘要 +
热自旋电子学结合了热电子学和自旋电子学二者的优势, 在构建高速、低能耗器件技术上具有广泛的应用前景. 本文基于密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法, 研究了在铁磁态石墨烯纳米带中沿带宽方向引入连续反量子点(六元环缺陷)以获得纯自旋流的模型. 计算发现, 在纳米带的单边引入反量子点会破坏纳米带结构的完整性, 导致器件的透射谱在费米能级附近呈现“X”形交叉. 在温度场下, 不同自旋的电子朝相反方向流动, 形成了自旋流和电荷流, 并且通过微调器件的化学势可以获得电荷流为0, 自旋流不为0的纯自旋流. 结果表明, 对于具有W条链宽的锯齿型石墨烯纳米带, 当沿纳米带带宽方向连续引入反量子点数满足(W/2–1)时, 即可获得最大的纯自旋流, 这一研究结果为设计基于石墨烯纳米带的纯自旋流器件提供了有力的理论依据.
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2021, 70 (19): 198701.
doi:10.7498/aps.70.20210941
摘要 +
荧光寿命显微成像(fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM)技术在细胞微环境传感中具有特异性强、灵敏度高、可定量的优点, 被广泛应用于生物医学研究. 其中, 基于时间相关单光子计数(time-correlated single photon counting, TCSPC)进行荧光寿命探测的方法是目前最常用的技术之一, 但受成像原理和条件限制, 该技术存在数据采集时间较长、成像速度不够快的不足. 本文开发一种能对生物样品中任意数量离散的、形状不规则的感兴趣区域(region of interest, ROI)进行快速FLIM成像的技术. 该技术利用声光偏转器(acousto-optic deflector, AOD)实现快速灵活的寻址扫描, 并通过对ROI形状特征的简单在线分析, 实现AOD与TCSPC同步策略的优化及寿命图像的准确重构, 对于生物样品中常见的存在多个离散不规则ROI情形, 可大幅节省数据采集时间, 从而实现对这些ROI的快速FLIM成像. 采用该技术, 对氯化铵刺激下活细胞中溶酶体探针LysoSensor Green DND-189的荧光寿命变化进行了动态FLIM成像, 以监测溶酶体管腔内pH值的实时变化情况. 结果表明, 该快速FLIM技术可用于动态监测生物样品中微环境的变化, 将在活细胞微环境传感中发挥重要作用.
2021, 70 (19): 198801.
doi:10.7498/aps.70.20210320
摘要 +
空间太阳电池阵是卫星的唯一供电来源, 其在轨服役期间所受的力学作用将直接影响卫星的正常工作, 因此研究空间太阳电池阵的应力应变规律具有重要意义. 本文自主研制了空间太阳电池阵应变测试系统, 该系统可监测空间太阳电池阵在模拟真空热循环温度场环境下的应变规律. 研究结果表明, 空间太阳电池阵在高温发生压缩形变, 低温发生拉伸形变. 相同测试条件自由电池和粘接电池最大应变总量分别为1270 和1320 με. 此外, 空间太阳电池片中心区域应变值比边缘区域高113%. 空间太阳电池片断裂应变值为2080 με. 本研究为空间太阳电池阵抗力学性能研究提供了技术支撑.
地球物理学、天文学和天体物理学
2021, 70 (19): 199201.
doi:10.7498/aps.70.20210283
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在地面大气电场为正极性的条件下, 成功实现12次人工引发闪电, 对其放电特征、初始阶段上行负先导的传输特征与机理进行了研究. 引发闪电时地面大气电场强度均值约5 kV/m, 最高超过13 kV/m. 除一次个例的放电发生了正、极性反转并产生多次负回击以外, 其他11次引发闪电均未产生继后回击过程, 闪电放电电流总体上在几百安培量级. 引发闪电起始后, 其向上传输的负梯级先导平均二维速度为1.85 × 105m/s, 获得132次梯级的长度范围为0.8—8.7 m, 平均3.9 m. 先导起始阶段的电流和电磁场呈现显著的脉冲特征, 其脉冲间隔、电流峰值、转移电荷量、半峰值宽度、电流上升时间T10%—90%平均值分别为17.9 μs, 81 A, 364 μC, 3.1 μs和0.9 μs, 单次梯级的等效线电荷密度为118.5 μC/m. 先导通道的分叉一般伴随梯级过程发生, 存在两种方式: 1) 先导头部前方成簇的空间茎/空间先导在同一梯级周期内先后与先导头部发生连接, 对应的电流脉冲表现为多峰结构, 峰值点时间间隔约2—3 μs, 最长6—7 μs; 2) 曾熄灭的空间茎/空间先导重燃后侧向连接至先导通道.
2021, 70 (19): 199301.
doi:10.7498/aps.70.20210632
摘要 +
位于四川省稻城县海子山的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)包含3个子阵列, 即地面粒子探测器阵列(KM2A)、水切伦科夫探测器阵列 (WCDA) 和广角大气切伦科夫望远镜阵列(WFCTA). 作为LHAASO实验的主阵列, KM2A由5195个地面电磁粒子探测器(ED)和1188个地下缪子探测器(MD)组成. 对地面宇宙线观测实验来说, 常有两种独立的数据采集模式, 即shower模式和scaler模式. 本文通过Monte Carlo方法, 利用CORSIKA软件包和G4KM2A软件包, 对KM2A-ED阵列中的scaler模式进行了模拟研究. 当64个ED作为一个cluster、符合时间窗口为100 ns时, 多重数m≥ 1, 2, 3和4的计数率分别约为 88 kHz, 1400 Hz, 220 Hz和 110 Hz. 对scaler模式探测原初宇宙线的能量和有效面积也进行了模拟计算, 发现KM2A-ED中多重数m≥ 1 时探测原初质子的阈能可降低到100 GeV、有效面积高达100 m2. 本模拟结果为LHAASO-KM2A实验中进行scaler模式的数据触发提供了具体方案, 为后续的实验数据分析提供了信息.