Vol. 70, No. 9 (2021)
2021年05月05日
专题
特邀综述
特邀综述
2021, 70 (9): 098102.
doi:10.7498/aps.70.20210349
摘要 +
石墨烯作为一种新型材料, 因其出色的化学惰性和抗渗透性逐渐成为了防腐领域的研究热点. 本文结合最新的研究成果, 对包括石墨烯薄膜及石墨烯粉体在防腐领域的应用进行更加全面的讨论. 从石墨烯防腐作用机理(主要包括阻隔、屏蔽、缓蚀、加固、阴极保护和自修复)和其相应的涂层制备方法(化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜及石墨烯粉体制备的复合涂料)开始, 进而探讨不同影响因素(缺陷、导电性、氧化程度、片层大小及含量等)对石墨烯防腐效果的影响, 最后对各种方法进行综合比较, 并对未来的发展进行展望. 本文通过对已有工作的回顾, 为今后制备防腐性能更加优良的石墨烯材料提供重要的参考.
专题: 等离子体物理及其材料处理
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2021, 70 (9): 095203.
doi:10.7498/aps.70.20202233
摘要 +
等离子体技术在现代材料制备和表面处理过程中起着重要的作用. 本文聚焦于非热等离子体(NTP)材料表面处理及功能化应用, 重点综述NTP在材料表面处理及功能化过程中的最新研究进展, 包括激励产生等离子体的等离子体源、NTP材料表面处理及功能化工艺以及具体应用. 其中, 激励产生等离子体的等离子体源包括感应耦合等离子体/容性耦合等离子体、电子回旋共振/表面波等离子体、螺旋波等离子体、大气压射流等离子体和介质阻挡放电等; NTP材料表面处理及功能化工艺包括等离子体表面接枝和聚合、等离子体增强化学气相沉积和等离子体辅助原子层沉积、等离子体增强反应刻蚀和等离子体辅助原子层刻蚀工艺等; 等离子体表面处理及功能化的具体应用领域包括亲水/疏水表面改性、表面微纳加工、生物组织表面处理、催化剂表面处理等. 最后提出了NTP技术材料表面处理及功能化的应用前景与发展趋势.
2021, 70 (9): 095206.
doi:10.7498/aps.70.20202247
摘要 +
感性耦合等离子体源具有放电气压低、等离子体密度高、装置结构简单等优点, 因此常被用于材料刻蚀及表面处理工艺中. 为了深入了解感性耦合等离子体的特性及其与表面的相互作用, 数值模拟成为了目前人们普遍采用的研究手段之一. 针对具体问题, 可以选择不同的模拟方法, 如整体模型、流体力学模型、流体力学/蒙特卡罗碰撞混合模型、偏压鞘层模型、粒子模拟/蒙特卡罗碰撞混合模型等. 其中, 整体模型计算效率最高, 常被用于模拟复杂的反应性气体放电. 但整体模型无法给出各物理量的空间分布, 因此二维及三维的流体力学模型, 也得到了人们的广泛关注. 在低气压等极端的放电条件下, 由于电子能量分布函数显著偏离麦氏分布, 则需要耦合蒙特卡罗碰撞模型, 来精确地描述等离子体内部的动理学行为. 此外, 通过耦合偏压鞘层模型, 还可以自洽地模拟鞘层的瞬时振荡行为对等离子体特性的影响. 对于等离子体中的非局域及非热平衡现象, 则需要采用基于第一性原理的粒子模拟方法来描述. 最后对目前感性耦合放电中的前沿问题进行了展望.
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2021, 70 (9): 095208.
doi:10.7498/aps.70.20202078
摘要 +
等离子体态物质富含高反应活性粒子群, 包括电子、离子、自由基、光子等, 是催化或直接参与化学反应的重要因子, 在化学合成与材料改性领域有重要应用价值, 往往可以使热平衡条件下难以发生, 甚至不能发生的化学反应, 在等离子体催化下得以发生和加速. 常规条件下的石墨烯就是低反应活性物质, 往往需要在高温甚至高压和强酸强碱条件下才能发生化学反应, 对于新型石墨烯衍生材料的合成与改性是一个束缚. 而等离子体催化石墨烯反应, 可以在常温常压无腐蚀性条件下, 引发石墨烯的还原、氧化、缺陷修复、掺杂、接枝、外延生长和交联等一系列化学反应, 为石墨烯功能化改性及其新型复合材料合成提供了更多可能性, 值得深入探索. 过去十多年, 等离子体在石墨烯合成与改性方面的研究报道并不鲜见, 特色鲜明, 然而, 较多的报道停留在技术路线的尝试以及结果呈现层面, 化学反应动力学研究鲜有涉及, 本文对这些研究报道进行综合论述, 主要是对部分代表性研究结果的再报告和总结性讨论, 旨在促进相关领域的深入研究.
2021, 70 (9): 095210.
doi:10.7498/aps.70.20201676
摘要 +
社会经济的快速发展致使固体废物的产量迅速增加, 传统的处理工艺, 如填埋、焚烧和堆肥等方法, 不仅效率低下, 而且存在着二次污染和资源浪费等诸多问题, 因此, 急需探索新的固体废物处理技术. 等离子气化技术因具有高效、环保和能源转化率高等特点而被应用于固体废物的处理. 本文介绍了等离子气化技术处理固体废物的背景与意义, 综述了等离子气化技术在不同固体废物处理中的应用, 就国内外等离子气化技术水平与研究进展进行了详细的阐述, 并对目前等离子气化固体废物应用中存在的问题进行了着重分析. 综合多方面因素指出等离子气化技术是固体废物资源无害化处理的有效方式.
2021, 70 (9): 095214.
doi:10.7498/aps.70.20210473
摘要 +
容性耦合等离子体放电因在工业界有重要的应用价值而受到广泛关注. 对于容性耦合等离子体放电的研究主要集中于对等离子体参数的控制, 以实现更好的工艺效果, 例如高深宽比刻蚀等. 而关于等离子体参数的调控主要分为气体、腔室以及源这三个方面. 改变这些外部参数, 可以直接影响鞘层的动力学过程以及带电粒子的加热过程, 进而实现对电子和离子能量、通量, 等离子体均匀性, 中性基团的密度等的控制, 最终提高工艺质量和生产效率. 本文梳理了近些年容性耦合等离子体研究的几个主要方向, 尤其对等离子体放电中非常基础且重要的电子加热动力学问题进行了详尽的讨论, 并重点介绍了一些通过外部放电参数调控容性耦合等离子体放电的手段和相关的研究热点.
2021, 70 (9): 098104.
doi:10.7498/aps.70.20202245
摘要 +
随着半导体芯片特征尺寸的持续减小, 低介电常数的多孔材料在微电子领域得到广泛应用. 然而, 多孔材料在等离子体刻蚀工艺中面对严峻的挑战. 等离子体中的活性自由基很容易在多孔材料内部扩散, 并与材料发生不可逆的化学反应, 在材料内部造成大面积损伤. 本文介绍了业内比较前沿的低温刻蚀技术, 通过降低基片台的温度, 使得刻蚀产物或者刻蚀前驱气体在多孔材料内部凝结成液态或者固态, 进而在等离子体刻蚀过程中, 阻止活性自由基在材料内部的扩散, 保护多孔材料免受损伤. 刻蚀完毕后, 再通过升高基片台的温度, 使凝结物挥发, 得到完整无损的刻蚀结构. 这一刻蚀技术只需要控制基片台的温度, 无需增加工艺的复杂度以及调整等离子体状态, 在半导体工艺中具有较好的应用前景.
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2021, 70 (9): 099401.
doi:10.7498/aps.70.20210077
摘要 +
柔性多孔材料在当今众多前沿科学与技术领域发挥着重要作用, 其表面改性将进一步赋予其多样和优异的表面性能, 拓展其在功能和智能可穿戴等领域的应用. 常压等离子体技术由于低温、低能耗、高效、环保、低成本、不改变材料本体特性、易于实现卷对卷制备等优势, 在应用环境、样品材料选择上展现出良好的适应性, 在低熔点柔性材料大面积低成本表面处理方面具有很好的应用前景和研究价值. 本文综述了近年来常压等离子体柔性多孔材料表面改性的几个实例及在新材料、新能源、环保、生物医学中的应用. 探讨了柔性多孔材料常压等离子体均匀处理所遇到的稳定性及渗透性的问题与挑战. 综述了本课题组在常压等离子体稳定放电、卷对卷常压等离子体多孔介质处理及内部渗透性和均匀性方面的研究工作, 介绍了本课题组在常压等离子体纳米颗粒膜沉积动力学及膜结构调控方面的突破和思路. 常压等离子体柔性多孔介质表面处理技术走向应用仍然存在诸多挑战, 需要结合常压等离子体的放电方式及特性、处理材料的结构及加工特性、等离子体和材料的相互作用等来进行综合考虑, 才能提供合理可行的解决方案.
2021, 70 (9): 095201.
doi:10.7498/aps.70.20201790
摘要 +
分别采用Stark展宽法、图像法诊断等离子体电子密度, 研究常压针-板放电等离子体电子密度随放电参数的演化. 实验结果表明, 降低电源的脉冲频率, 减小等离子体的电极间距和采用细径电极, 都有助于提高等离子体密度. 利用全局模型分析影响电子密度变化的因素可知, 随着脉冲频率的下降, 等离子体放电体积减小, 导致电子密度上升. 在电极间距减小的过程中, 电子密度变化则是降低等离子体吸收功率与减小放电体积共同作用的结果, 其中放电体积的减小起到了更为主导的作用, 导致电子密度上升. 此外, 采用细径电极也可以使等离子体放电体积减小, 从而有利于获得较高的电子密度.
2021, 70 (9): 095202.
doi:10.7498/aps.70.20202246
摘要 +
通过实验和数值模拟研究了大气压脉冲放电等离子体射流, 其中在脉冲电压上升沿阶段的放电中形成等离子体子弹并向接地电极输运, 其传播速度在104m·s–1量级. 数值模拟研究还发现等离子体子弹邻近区域内增强的电场强度可达到106V·m–1, 说明等离子体子弹的形成主要由放电空间局域增强的电场导致, 在接地电极附近会得到进一步增强. 放电空间的电子密度时空演变过程揭示了等离子体子弹经过的区域会保持较高的电子密度, 说明等离子体子弹的拖尾现象; 而等离子体子弹头部增强的电子产生率与局域增强的电场强度对应, 这说明了等离子体子弹产生的动力学过程. 该大气压脉冲放电等离子体射流中等离子体子弹的特性和机理研究为发展大气压等离子体射流提供了理论和技术基础.
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2021, 70 (9): 095205.
doi:10.7498/aps.70.20202181
摘要 +
大气压等离子体因具有很多独特优势从而在材料制备和表面工艺领域备受关注. 本文利用大气压针-板电晕放电等离子体射流制备氧化钛(TiO2)薄膜, 研究了电晕极性和放电参数对薄膜特性的影响. 实验测试了正负电晕等离子体射流的电学性能、发展过程和发射光谱, 并对不同条件下制备的TiO2薄膜进行了表征和分析. 结果表明: 负电晕等离子体射流制备的TiO2薄膜表面更均匀而且薄膜中钛(Ti)含量更高. 正负电晕等离子体射流制备的薄膜的结合力均优于4.7 N/cm, 表面电阻低于1010Ω. 此外, 发现TiO2薄膜在基底表面沉积和在气相中成核存在竞争机制, 并进一步阐述了电晕放电等离子体制备薄膜的成膜机理和不同极性放电的差异. 本文结果将为大气压等离子体制备均匀、致密的功能氧化物薄膜材料提供有益参考.
2021, 70 (9): 095211.
doi:10.7498/aps.70.20202248
摘要 +
光谱诊断在等离子体刻蚀、材料处理、等离子体设备和工艺开发, 以及航天等离子体推进等领域得到了广泛的应用. 光谱诊断依赖的碰撞辐射模型会受到碰撞截面等基础物理数据所含偏差的影响, 导致诊断结果出现误差. 针对这一问题, 本文开发了一种基于前馈神经网络的等离子体光谱解算方法. 通过对比新方法与以往常用的最小二乘诊断方法的误差特性, 发现神经网络诊断方法能够通过辨识光谱向量的主要特征, 减小基础数据偏差向诊断结果的传递. 对实验光谱数据的分析进一步印证了这一点. 本文还对神经网络算法对抗基础数据偏差的机理进行了分析. 这种方法在等离子体参数在线监测、成像监测海量数据处理等领域具有良好的应用前景.
封面文章
2021, 70 (9): 095212.
doi:10.7498/aps.70.20210585
摘要 +
通过低温等离子体聚合交联作用, 制备了基于PDMS@ZnO纳米颗粒复合涂层的超耐久、自修复超疏水涤纶纤维. 研究了制备工艺对超疏水性、自修复性以及涂层的耐久性和稳定性的影响. 结果显示, PET-g-PDMS@ZnO织物表面的水接触角(WCA)可达162.7°, 滚动角(SA)为7.5°, 经过300次水洗循环和1300次摩擦循环后仍然保持超疏水特性, WCA和SA分别为150.0°和35.0°. 分别采用等离子体和加热方法对磨损破坏的涂层进行自修复处理, 结果表明等离子体修复效果明显, 而热修复只在小载荷下效果明显, 并利用扫描电子显微镜、纳米压痕以及X射线光电子能谱测量结果探讨了自修复机理. 该研究为等离子体技术在超疏水织物制备中的开发和应用提供理论和技术支撑.
2021, 70 (9): 095213.
doi:10.7498/aps.70.20210546
摘要 +
容性耦合等离子体技术广泛应用在半导体工业、生物医药、环境等领域, 是不可替代的核心处理技术. 基于电非对称双频源驱动的容性耦合等离子体因其可以实现离子能量和离子通量的相对独立调控而一直被寄予厚望. 本文采用一维流体耦合蒙特卡罗模型和刻蚀槽模型, 对基于电非对称效应的双频容性耦合CF4/Ar混合气体放电进行了模拟研究. 研究表明, 随着电极间距的增大, 自偏压的绝对值和电负性均减小. 此外, 由于放电区域变大但边界损失保持不变, 会导致外部馈入功率显著增加和等离子体密度增大. 本文采用CF4/Ar混合气体, 其中Ar含量很高, 气体电负性不是很高, 因此放电模式在不同的电极间距下都是 α 模式和双极扩散模式的共同作用. 在电极间距逐渐变大的过程中, 因为自偏压的变化导致离子能量分布中最大离子能量减小并且离子能量展宽变窄, 功率极板处离子通量的变化不明显, 中性基团通量的增大十分显著, 这些变化最终导致相同时间内的刻蚀速率和形貌发生改变. 所以, 在未来研究中, 不仅离子能量和通量的独立控制, 优化离子通量和中性基团通量的协同作用达到调节刻蚀速率、改善刻蚀形貌同样是重要研究内容.
2021, 70 (9): 097201.
doi:10.7498/aps.70.20201809
摘要 +
利用自行研制的强磁场螺旋波等离子体化学气相沉积装置(HWP-CVD), 通过改变等离子放电参数, 实现多种碳基薄膜制备. 利用朗缪尔探针、发射光谱以及质谱对Ar/CH4等离子体放电进行原位诊断; 用扫描电子显微镜和拉曼光谱对碳基薄膜进行表征. 结果表明: 在给定参数下, 等离子体放电模式均为螺旋波放电模式; 在给定CH4流量下, 等离子体中电子能量分布均足以使甲烷分子离解, 并形成含碳活性自由基. 通过CH4流量调整, 实现了不同碳基薄膜的制备. 研究表明: 当等离子体中富含CH和H自由基时, 适合类金刚石薄膜生长; 当等离子体中富含C2自由基和少H时, 适合垂直石墨烯纳米片生长. 根据等离子体诊断和薄膜表征结果, 提出了Ar螺旋波等离子体作用下甲烷分子的裂解机理, 建立了碳基薄膜的生长模型; 验证了Ar/CH4–HWP在碳基纳米薄膜制备中的可行性, 为HWP-CVD技术制备碳基纳米薄膜提供借鉴.
综述
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2021, 70 (9): 098103.
doi:10.7498/aps.70.20201813
摘要 +
近年来,α-MoO3在忆阻器件的研究中得到广泛关注, 其中氧含量的变化导致电阻率的改变, 以及独特的层状结构有利于各种离子的插层从而调节电导, 因此其在离子栅结构的突触晶体管的研究中发挥出重要作用. 本文主要对层状α-MoO3的基本性质、二维层状α-MoO3的大面积制备方法和特性及其在存储计算领域的应用进展进行了分析. 首先阐述了α-MoO3的晶体结构、能带结构以及缺陷态. 对比了大面积α-MoO3的制备方法, 包括一步法直接得到α-MoO3纳米片, 以及通过磁控溅射和原子层沉积方法结合后退火工艺实现α-MoO3薄膜的制备. 详细讨论了不同合成方法制得的α-MoO3在存储计算应用中的优势. 对比α-MoO3在阻变存储中的器件性能, 总结α-MoO3基神经突触器件性能及其应用进展. 最后, 结合α-MoO3近期研究进展展望了其在存储计算领域的机会与挑战.
2021, 70 (9): 098402.
doi:10.7498/aps.70.20201762
摘要 +
钙钛矿太阳电池简单的制备工艺、低廉的成本和优异的性能使其有望替代已产业化的硅太阳电池, 革新现有能源供给结构, 然而, 钙钛矿太阳电池的稳定性差制约了其产业化进程, 本文分别介绍了光辐照下, 钙钛矿薄膜内部本征的离子迁移行为和由此产生的磁滞、荧光淬灭/增强和电池失效问题; 以及典型的TiO2/钙钛矿界面的紫外光不稳定、空穴传输层和金属电极不稳定问题. 作为依光器件深刻理解其光辐照稳定性对顺利解决电池各种环境稳定性问题至关重要.
总论
2021, 70 (9): 090501.
doi:10.7498/aps.70.20201254
摘要 +
基于一维Frenkel-Kontorova (FK)模型, 借助随机龙格库塔方法, 在非公度(incommensurate)和公度(commensurate)两种情形下, 分别研究了高斯白噪声激励下, 随机FK模型的纳米摩擦现象(滞回和超滑)随噪声强度的变化而变化的规律. 两种情形表明随着噪声强度的增大, 对减小系统滞回, 产生超滑有积极的影响. 另一方面, 当系统机动性能(chain mobility)未达到饱和状态(B= 1)时, 噪声的引入, 能加速原子的运动, 使得原子更易脱离基底势的束缚而做运动, 但是当系统达到饱和状态后, 系统机动性能并不受噪声的影响. 另外, 两种情形的区别是, 公度情形下, 由于原子受到基底势更强烈的耦合作用, 所以噪声对公度情形影响更为明显.
2021, 70 (9): 090502.
doi:10.7498/aps.70.20201953
摘要 +
感光细胞能接收各种强度的可见光, 并转换为生物电信号连接视神经; 这样的功能可以用光电效应来模拟. 本文利用数值计算, 分析了基于光电管耦合FitzHugh-Nagumo (FHN)神经元的动力学特性, 详细讨论了光电管的参数空间中, 混沌和簇放电模式下耦合系统的同步区间. 结果表明: 在耦合强度较小时, 耦合系统由于受迫共振表现为完全同步; 耦合强度较大时, 耦合系统倾向于相位同步. 光电管的导通状态, 即反向截止电压对系统同步具有调制作用. 这项工作有助于理解视网膜疾病, 如黄斑变性的原理.
2021, 70 (9): 090601.
doi:10.7498/aps.70.20201731
摘要 +
频率分辨光学开关(frequency-resolved optical gating, FROG)法是目前测量超短激光脉冲的主要方法之一. 针对其常用的主成分广义投影重构(principal component generalized projections, PCGP)算法在处理大矩阵FROG谱图时速度会减慢及存在噪音时准确度下降的缺点, 本文提出一种基于搜寻者优化算法的FROG算法. 该算法在直接测量脉冲光谱分布的基础上, 通过搜索脉冲频域相位的几个色散系数, 从而恢复脉冲的结构. 由于新算法主要在频域上进行运算, 流程比PCGP算法简便很多, 收敛速度和准确性都有明显改善. 通过数值模拟方法重构了多个不同结构的超短脉冲, 分析讨论了无噪音和在不同噪音水平下该算法的准确度. 计算结果充分展示了该算法重构脉冲的速度快、准确度高的特点, 在无噪音条件下其准确度比PCGP提升了3个数量级以上.
2021, 70 (9): 090701.
doi:10.7498/aps.70.20201828
摘要 +
与常规电离式传感器相比, 碳纳米管三电极电离式气体传感器具有体积小、工作电压低的优势, 对智能电网、泛在物联网的发展具有重要作用, 但存在输出电流低、灵敏度低的缺点, 需要从结构上对其进行优化. 本文基于汤生放电原理, 采用COMSOL Multiphysics多物理场直接耦合分析软件, 建立了传感器二维等离子体放电流体仿真模型. 研究得到了8种不同结构的传感器, 在氮气背景中的静电场分布及传感器收集极平均电流密度. 通过对比不同结构参数下的电场强度及电流密度值, 得到了最优传感器结构. 结合仿真结果, 制备了8种优化结构的传感器进行实验验证, 最优传感器结构具有最高的收集电流密度, 与仿真结果一致, 证明了本文提出的结构优化方法的可行性. 基于最优结构, 制作了100和120 μm极间距的传感器, 获得了NO/SO2两组分混合气体的敏感特性. 与其他技术相比, 最优传感器的灵敏度比现有技术高1—2个数量级, 展示了三电极电离式碳纳米管传感器的应用潜力.
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2021, 70 (9): 090702.
doi:10.7498/aps.70.20202237
摘要 +
随着空间观测、量子技术等前沿科研领域的发展, 亚开温区的极低温制冷需求日益增加. 本文设计并研制了一台极低温单级绝热去磁制冷机. 该制冷机由GM型制冷机提供约3 K热沉, 以钆镓石榴石为磁热工质, 由超导线圈提供最大为4 T的磁场, 通过绝热去磁, 实验最低温度可达470 mK. 在恒温控制模式下, 可在1 K下提供2.7 J冷量, 温度波动小于0.5 mK, 绝热去磁制冷的第二热力学效率为57%; 在0.8 K下, 制冷量为1.2 J. 该制冷机将作为50 mK温区三级绝热去磁制冷系统中的第一级, 在1 K下提供0.7 mW制冷功率. 本研究为进一步开展极低温多级连续绝热去磁制冷奠定了基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (9): 094201.
doi:10.7498/aps.70.20201299
摘要 +
量子纠缠是一种关键的量子资源. 随着量子信息技术的发展, 由量子通道和量子节点组成的量子网络成为研究的热点. 量子信息网络的建立需要在多个远距离的量子节点间建立纠缠, 它在分步式量子计算及量子因特网等方面有很重要的应用价值. 本文在光和原子混合纠缠的基础上, 提出了结合前馈网络建立三个独立的远程原子系综之间的连续变量确定性纠缠. 三个原子系综分别放置在三个远程的节点中, 每个节点首先通过自发拉曼散射过程制备光和原子的混合纠缠; 然后, 利用平衡零拍探测器测量三束Stokes光场干涉后的量子噪声, 并将测量的结果前馈到原子系综, 在三个独立的远距离的原子系综间建立纠缠; 最后, 利用来自三个原子系综的三束反斯托克斯光束的关联方差通过三组份不可分判据验证三个原子系综的纠缠. 该方案简单可行, 可以拓展到基于不同物理系统的量子节点, 甚至实现更多原子节点的纠缠, 从而实现大规模量子信息网络.
2021, 70 (9): 094202.
doi:10.7498/aps.70.20201353
摘要 +
采用拉曼频移器在晶体介质中利用相干反斯托克斯散射效应可以获得超短脉冲(皮秒)反斯托克斯激光. 基于抽运-探测法的晶体拉曼频移器可以实现相干反斯托克斯散射的共线相互作用, 从而可以有效提高反斯托克斯光的转化效率. 本文在平面波近似下建立了基于抽运-探测法的皮秒反斯托克斯拉曼频移器的耦合波方程组, 引入归一化参量对方程组进行了归一化处理. 通过数值计算, 得到了描述皮秒反斯托克斯拉曼频移器运行的一组普适理论曲线, 分析了归一化拉曼增益系数G、归一化相位失配参数ΔK以及探测光脉冲能量占基频光总能量的比值rprobe三个变量对反斯托克斯拉曼频移器性能的影响, 确定了实现高效反斯托克斯转化时各归一化变量的合理取值. 采用实验数据对该理论模型的正确性进行了验证, 反斯托克斯转化效率的理论值与文献数据基本一致.
气体、等离子体和放电物理
2021, 70 (9): 095204.
doi:10.7498/aps.70.20201610
摘要 +
感应耦合等离子体发生器是“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”的核心部件之一, 常用于模拟高焓高速等离子体鞘套环境, 为了研究大功率射频中压下感应耦合等离子体发生器的放电特性, 采用数值模拟和实验相结合的方法研究其内部的传热与流动特性. 本文基于局域热力学平衡条件, 通过湍流场-电磁场-温度场的多场耦合开展了功率为100—400 kW的大尺寸射频中压感应耦合等离子体的数值模拟, 并通过光强与光谱实验验证. 结果表明: 大功率等离子体发生器中的电磁场分布类似于中小型功率等离子体发生器; 放电能量耗散主要发生在感应线圈所在的区域; 石英管内壁温度在线圈所在处比其他区域较高, 等离子体呈环状高温结构; 等离子体受温差效应与电磁泵效应影响使得入口处产生回流涡. 同时开展相应条件下的放电实验发现氩气放电的轴向图像呈边缘高亮与中心暗的环状结构, 并通过光谱诊断系统测量氩等离子体的发射光谱, 得到发生器电子温度的空间分布, COMSOL仿真温度结果与放电图像光强、光谱测得电子温度较为符合, 验证了采用热力学平衡态条件进行数值模拟结果的有效性. 本文数值模拟的结果可用于感应耦合等离子体发生器的优化设计及耐温评估.
2021, 70 (9): 095207.
doi:10.7498/aps.70.20201860
摘要 +
首先, 利用MARS-F程序模拟了HL-2A装置中不同电阻率、环向旋转频率和环向模数条件下等离子体对共振磁扰动(RMP)的线性响应过程, 分析了不同情况下共振场放大效应对三维扰动磁场的影响; 然后, 利用Boris算法追踪了三维场作用下的离子轨道, 并详细探究了不同扰动磁场改变离子轨道特性的物理机制. 研究发现, 考虑等离子体响应后的扰动磁场可增强离子轨道径向展宽, 且轨道最大径向展宽随轨道上扰动磁场平均值的增大而增大; 同时, 离子在通过扰动磁场被强烈放大的区域时轨道径向展宽会显著增加. 该物理机制可用于解释RMP缓解边界局域模实验中离子直接损失增加和等离子体径向输运增强现象.
2021, 70 (9): 095209.
doi:10.7498/aps.70.20201727
摘要 +
局部放电是导致电力设备绝缘劣化或击穿的重要原因之一. 为此, 结合即到达时差法定位原理, 在广义互相关法的基础上, 引入量子遗传算法对局部放电源进行精准定位. 而后以声波传播损耗、反射及折射现象导致的声压衰减效应为研究切入点, 首次建立局部放电源超声波信号标定的数学模型. 结果表明: 在针-板放电模型中, 利用量子遗传算法计算的局部放电源较为精准, 其最大偏差为(0.27 ± 0.13) cm, 与遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法以及广义互相关法相比, 其定位精度分别提高了33.57%, 41.51%, 32.12%以及87.26%. 与此同时, 由于声压衰减效应, 当测量得到的超声信号电压幅值相同时, 随着测试距离增大, 放电源处的视在放电量逐渐增加. 若测试距离为37.80 cm时, 局部放电源的视在放电量为633.83 pC, 与7.00 cm相比, 放电强度增大了28.51%. 局部放电源的放电曲线与标定拟合曲线几乎完全重合, 验证了放电源放电程度标定模型的准确性.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
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2021, 70 (9): 096301.
doi:10.7498/aps.70.20201888
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基于第一性原理计算系统地研究了氮族、卤族和3d过渡金属元素(Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co)替位掺杂对单层Janus过渡金属硫族化合物WSeTe电子结构的影响. 通过对能带结构、电荷转移以及磁性的分析, 发现氮(卤)族原子替位掺杂单层WSeTe会发生本征半导体-p (n)型半导体的转变, Ti, V原子替位掺杂单层WSeTe会发生半导体-金属的转变. 由于电荷转移以及氮族原子掺杂时价带顶的能带杂化现象, 卤族和氮族非金属元素掺杂时价带顶Γ点附近的Rashba自旋劈裂强度在同一主族随着掺杂原子原子序数的增大而增大. 3d过渡金属元素掺杂会产生能谷极化和磁性, 其中Cr, Mn原子替位掺杂会产生高于100 meV的能谷极化, 并且Cr, Mn, Fe元素掺杂在禁带中引入了电子自旋完全极化的杂质能级. 研究结果对系统地理解单层WSeTe掺杂模型的性质具有重要意义, 可以为基于单层WSeTe的电子器件设计提供理论参考.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2021, 70 (9): 097301.
doi:10.7498/aps.70.20210231
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系统地研究了最基本的单/双金纳米球系统的共振峰移动、局域场增强和消光谱等光学响应行为. 发现在双金纳米球系统中, 入射光除了能激发每个金纳米球的局域表面等离激元共振模式外, 调整金纳米球间隙可使共振模式间产生强烈耦合, 使系统局域场增强因子进一步提升, 并增强光学传感能力和消光系数. 有趣的是, 受限于有限的局域场增强体积, 具有高局域场增强因子的间隙为2 nm的双金纳米球系统的消光系数大幅降低, 其消光系数和光学传感能力均低于5 nm间隙的系统. 研究表明, 双金纳米球系统的光学传感灵敏度不是由局域场增强幅度直接决定的, 而与系统消光系数有相似的变化行为. 这些结果可指导金纳米双颗粒和多颗粒系统的设计, 为表面拉曼散射增强和光学传感等方面的应用提供创新性思路和方案.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2021, 70 (9): 098101.
doi:10.7498/aps.70.20201803
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作为集成电路(ICs)的基础材料, 直拉硅(CZ-Si)单晶的机械强度不仅是硅片加工和ICs制造过程中工艺参数设定的重要考虑因素, 而且在很大程度上决定了ICs芯片在测试和封装过程中出现的失效情况. 目前, ICs的器件特征尺寸仍在继续减小, 由此带来的器件集成规模的增长会导致硅衬底中应力水平的提高, 从而使位错更易产生. 因此, 改善直拉硅片的机械强度对于提高ICs的制造成品率具有重要意义. 本文提出在直拉硅单晶中同时掺入锗和氮两种杂质来改善硅片机械强度的思路. 基于此, 对比研究了普通的、单一掺锗的、单一掺氮的、锗和氮共掺的直拉硅单晶的室温硬度及其在600—1200 ℃时的位错滑移行为. 研究结果表明: 1)单一的锗掺杂或氮掺杂以及锗和氮两种杂质的共掺几乎都不影响直拉硅单晶的室温硬度, 意味着上述掺杂没有改变室温下的位错滑移行为. 2)氮掺杂能显著抑制位错在600—1000 ℃的滑移, 但对位错在1100 ℃及以上温度的滑移几乎没有抑制效应; 锗掺杂几乎不能抑制位错在 600—900 ℃的滑移, 但对位错在1000 ℃及以上温度的滑移具有显著的抑制效应. 3)锗和氮两种杂质的共掺对位错在600—1200 ℃的滑移均有显著的抑制效应, 表明氮掺杂和锗掺杂的互补优势得到了很好的结合. 分析认为, 在600—1000 ℃的温度范围内, 氮掺杂导致在位错核心处形成与氮-氧复合体相关的钉扎中心, 从而抑制位错的滑移; 在1000 ℃及以上温度, 锗掺杂导致在位错前沿附近形成锗-氧复合体, 从而阻碍位错的滑移. 总之, 本文的研究表明在直拉硅单晶中同时掺入锗和氮两种杂质可以进一步地增强硅片在ICs制造工艺温度下的机械强度.
2021, 70 (9): 098201.
doi:10.7498/aps.70.20201764
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柱状石墨烯在能源气体的存储运输和气体净化分离等方面备受关注, 但其在海水淡化方面受到了大面积制备的限制, 其反渗透特性和机理尚未明晰. 本文运用分子动力学方法研究了不同压强、温度和膜的剪切运动对柱状石墨烯膜反渗透滤盐特性的影响规律. 结果表明: 压强较大时, 水通量随着压强的增加而线性增加; 温度的升高能提升水分子渗透率, 但对离子截留率的影响不大; 反渗透膜的剪切运动虽然会阻碍水分子的渗透, 但相应地可以提高离子截留率. 对氢键和离子水合结构的分析表明, 反渗透膜的剪切运动可以提高氢键和离子水合壳的稳定性, 但温度的升高会产生相反的效果. 本文结果有助于深入理解柱状石墨烯膜在不同条件下的脱盐性能, 进一步验证了柱状石墨烯膜在海水淡化领域的巨大应用潜力.
2021, 70 (9): 098202.
doi:10.7498/aps.70.20201294
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心脏出现电螺旋波和时空混沌会导致心律失常, 心肌细胞与成纤维细胞电耦合(M-F耦合)导致心肌组织结构改变也会引起心律失常, 如何消除由螺旋波、时空混沌导致的心律失常是科学工作者十分关注的问题. 本文构造了由心肌细胞和成纤维细胞组成的双层复合介质, 采用Luo-Rudy相I心脏模型及被动成纤维细胞模型研究了M-F耦合对螺旋波形成的影响, 以及螺旋波和时空混沌的控制, 提出用提高细胞之间的耦合强度来控制复合介质中的螺旋波和时空混沌, 数值模拟结果表明: M-F耦合对螺旋波动力学有重要影响, 随着成纤维细胞密度的增加, M-F耦合会导致螺旋波漫游和破碎成时空混沌, 甚至会产生从时空混沌(或螺旋波)到无波的相变. 通过提高细胞之间耦合强度来消除复合介质中的螺旋波和时空混沌, 只在大部分情况下有效, 依赖于成纤维细胞所起的作用. 当成纤维细胞起到电流吸收器的作用时, 虽然大部分情况下可以通过提高细胞之间耦合强度来消除螺旋波和时空混沌, 但是可控区较小. 当成纤维细胞起到电流源的作用时, 提高细胞之间耦合强度使之超过临界值基本都可以有效控制螺旋波和时空混沌, 且可控区比前者大为增加, 提高控制效果的关键是提高心肌细胞之间的耦合强度.
2021, 70 (9): 098203.
doi:10.7498/aps.70.20201904
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能源及污染是新时代所面临的重要难题, 光催化技术可通过电解水产氢以及降解有机物污染物, 在一定程度上解决此问题. 而制备光催化活性较好、光生载流子分离效率高的光催化剂是这项技术的关键. 本文采用液相剥离法结合电泳沉积法制备得到具有不同堆垛结构的二硫化铼-石墨烯(ReS2-Gra, ReS2在上)与石墨烯-二硫化铼(Gra-ReS2, 石墨烯在上)范德瓦耳斯异质结薄膜, 并对其进行了光谱学表征. 将上述异质结作为光电极材料, 应用在光电化学反应中, 发现: 1) 不同的堆垛结构, 将影响异质结材料的光电化学特性, 即在相同条件下, 与ReS2-Gra光电极相比, Gra-ReS2光电极的光电流增大了54%; 2) 异质结的构建, 使得光电极材料的光电化学特性得到显著增强, 得到了更大且响应更迅速的光电流, 即Gra-ReS2光电极(2.47 μA)的光电流响应是纯ReS2光电极(1.16 μA)的2倍. 本工作为范德瓦耳斯异质结的制备提出新思路的同时, 也为太阳能转换器件的研究打下了理论基础.
2021, 70 (9): 098301.
doi:10.7498/aps.70.20201145
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受高压冲击后金属内激波在金属-气体界面卸载, 当金属熔化后形成微层裂现象. 微层裂发展到一定程度后, 高压气体透过接触面向金属熔化液滴间零压真空缝隙渗透. 本文就气体渗入金属微层裂区的现象进行了相关理论分析研究. 基于金属液滴的正六面体周期性排布, 采用准静态和半动态分析方法, 近似分析了气体渗入微层裂区的现象, 得到了气体渗入通道封闭时间、最大渗入深度、单位面积渗入气体质量等近似公式. 由敏感性分析看到, 理论分析给出的物理现象变化规律符合该问题中的基本物理认识.
2021, 70 (9): 098401.
doi:10.7498/aps.70.20201850
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目前学者们普遍认为, 平面相控阵的方向性系数在扫描过程中按照余弦规律变化, 无法实现从侧射到端射的大角度范围波束扫描. 为了明晰面阵扫描方向图的变化规律, 本文从阵因子的严格公式出发, 分析了不同规模平面相控阵的方向性系数随扫描角度的变化, 并将由严格阵因子公式得到的方向性系数变化趋势与余弦规律进行了比较. 分析表明, 有限大面阵的方向性系数在近端射区域不满足余弦变化规律, 且在端射区域不为零. 基于上述结论, 本文进一步提出了采用单元方向图赋形弥补阵因子方向性系数变化的思路, 为平面相控阵实现超大角度范围波束扫描指明了方向.
2021, 70 (9): 098501.
doi:10.7498/aps.70.20201093
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根据白光发光二极管(LED)发光光谱特点, 通过分析蓝光光谱和由蓝光激发黄色荧光粉产生的黄光光谱的交点(即整个光谱的波谷点)特性, 利用常规可见光光谱仪设计了一套基于光谱法的LED稳态热阻测量系统, 采用正常的驱动电流通过一定的函数算法进行拟合, 得到整体光谱波谷处归一化光谱强度与结温间敏感系数K和定标函数, 再根据温升曲线可计算出任意工作状态下LED结温相对于基底的温升, 并结合LED的热耗散功率从而得到LED的稳态热阻. 本方法避免了类似正向压降法采用极小电流定标而需要高速数据采集模块和高速取样转换等模块导致的设备昂贵的缺点, 从而降低了成本. 最后采用本文设计的系统和美国Mentor Graphics公司的T3Ster仪器分别对多种LED进行测量并对结果进行了比较, 发现稳态热阻最大偏离度仅为3.64%. 表明本文设计的系统和方法在不需要昂贵设备的情况下便可以达到与Mentor Graphics公司的T3Ster仪器相仿的精度. 本方法采用非传统式光谱法测量, 具有可远程实时在线检测LED结温和低成本的特点, 对LED封装结构没有任何限制, 因此比Mentor Graphics公司T3Ster设备采用的电压法有更广的应用范围, 具有一定的实用价值.
2021, 70 (9): 098701.
doi:10.7498/aps.70.20201797
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多焦点结构光照明显微镜(multifocal structured illumination microscopy, MSIM)能在50 μm的成像深度内实现2倍于衍射极限分辨率的提升, 但在对厚样品成像时, 散射光和离焦光限制了其层析能力和图像衬度. 双光子多焦点结构光照明显微镜(two-photon MSIM, 2P-MSIM)克服了样品组织散射的影响, 进一步提高了MSIM的成像深度和成像特性. 然而, 现有的2P-MSIM通常采用振镜扫描成像, 系统复杂, 灵活性差. 为了解决上述问题, 本文提出了一种基于高速相位型空间光调制器(spatial light modulator, SLM)的双光子多焦点结构光照明超分辨显微成像系统, 通过在SLM上同时加载生成多焦点阵列的相位图和线性相位光栅的相位图, 实现了多焦点阵列的产生和在样品面上的高精度的并行数字随机寻址扫描和激发成像, 结合像素重定位和反卷积技术实现了三维双光子多焦点结构光超分辨成像, 解决了扫描振镜在2P-MSIM成像中的机械惯性问题, 同时降低了系统的复杂性, 提升了灵活性. 在此基础上, 利用搭建的2P-MSIM开展了小鼠肾组织切片和铃兰根茎双光子超分辨成像实验, 验证了该方法的三维超分辨成像能力, 对于2P-MSIM的发展具有重要的意义.
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2021, 70 (9): 098801.
doi:10.7498/aps.70.20201975
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理解并量化影响钙钛矿太阳电池效率的因素, 对研发高性能器件尤为重要. 目前, 太阳电池普遍认可的三大损失为光学损失、欧姆损失和非辐射复合损失. 其中, 非辐射复合包括体复合和表面复合, 已被证明是制约电池效率提升的决定性因素. 本文提出了一种分析电池伏安特性曲线的等效电路模型, 能对上述损失机制进行全面描述, 并通过与漂移-扩散模型及实验结果的对比, 证实了电路模型的可靠性, 拟合误差在2%以内. 根据该模型, 可以准确判断电池内的主导复合机制, 并可从实际电池伏安曲线中提取不同效率损失对应的物理参数, 绘制电压扫描过程中各机制随电压的演化曲线, 从而理解效率损失的物理机理. 该模型从电路角度分析了不同损失机制对电池工作特性的影响, 有助于定位提高效率的关键点, 是一个较全面的钙钛矿太阳电池仿真分析工具.
2021, 70 (9): 098802.
doi:10.7498/aps.70.20201741
摘要 +
晶硅光伏组件的工作温度严重制约着电池效率及组件寿命的提升, 因此光伏冷却研究具有重要意义. 通过将纳米结构引入主流光伏组件的高分子背板, 从而获得具有增强热传导及热辐射特性的直冷背板, 已成为新一代光伏冷却技术的发展趋势. 本文聚焦于组件背面的散热特性研究, 联合能量平衡方程及光学模拟, 分别计算了三种典型环境温度下标准背板与直冷背板的热学功率及降温效果. 计算中采用主流商用硅电池的结构参数及封装方式, 详细讨论了背板的传热系数与发射率增强对光伏组件热学过程及工作温度的影响. 以期为光伏组件直冷背板的设计与制备提供方向.
地球物理学、天文学和天体物理学
2021, 70 (9): 099201.
doi:10.7498/aps.70.20201779
摘要 +
云微物理参数对气候变化、天气预测、人工影响天气、飞行安全等领域具有重要的影响. 目前, 基于光散射、碰撞和成像理论的云微物理参数测量方法存在反演过程需要对云滴谱和粒子特性进行假设、撞击过程会破坏粒子特征、无法获得云粒子三维特征等瓶颈问题. 本文提出了基于干涉理论, 结合光信息处理、景深压缩与融合全息图的灰度梯度方差技术的同轴数字全息干涉术测量方法, 可为云滴谱、云粒子直径、数浓度精细同步探测提供z轴定位精度为0.01 mm、系统分辨率为2 μm的技术手段. 实验中, 以超声波雾化器产生的中值直径为3.9 μm的液滴粒子作为液相云粒子的模拟, 测量结果与实际相符. 该方法可为研究云中液态水含量, 及夹卷、凝结、碰撞和时空演化规律提供有效的支持, 对粒子的动力学研究具有借鉴意义, 并为我国陆基及机载测云应用提供了一套可行的系统解决方案.
2021, 70 (9): 099202.
doi:10.7498/aps.70.20201875
摘要 +
利用无狭缝光栅摄谱仪记录的一次闪电首次回击后3个M分量的光谱资料, 分析了其光谱特征. 并结合等离子体理论, 首次计算了闪电M分量内部核心通道和周围电晕层通道的温度和电子密度. 研究了这两个物理量沿通道的变化特性, 并与相应回击放电进行了对比. 结果表明: 闪电M分量的光谱特征相比回击的光谱特征有明显差异, M分量通道的光辐射主要来自红外波段的光谱线. M分量放电过程中内部电流核心通道的温度可达40000 K, 电子密度数量级为1018cm–3. 周围电晕层通道的温度为20000 K左右, 电子密度比核心通道的电子密度小一个数量级. M分量内部核心通道的温度随通道高度的增加而减小, 周围电晕层通道的温度随通道高度的增加而增大. 在内部核心通道, 电子密度随高度基本保持不变. 在周围电晕层通道, 通道顶端光强明显增大的两个M分量其电子密度随通道高度的增加而增大, 顶端光强增加较弱的一个M分量其电子密度随通道高度基本保持不变. 而相应的回击放电, 其内部电流核心通道和外围电晕层通道的温度均随通道高度的增加而增大, 电子密度均沿通道基本保持不变.
2021, 70 (9): 099601.
doi:10.7498/aps.70.20201800
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基于Wind, STEREO等卫星联合观测资料, 选取第24太阳活动周2010年1月至2018年3月共计273个II型射电暴事件, 按起始-结束频率对事件进行分类, 统计分析各类II型射电暴观测特性差异及其伴随的日冕物质抛射(coronal mass ejection, CME)与太阳高能粒子(solar energetic particle, SEP)事件之间的关联. 研究结果显示: 1)每一类II型射电暴事件中, SEP事件对应的CME角宽、速度、质量、动能及耀斑等级均普遍大于不产生SEP的事件, 表明SEP事件的产生需要快速大角宽且高能的CME; 2)相比从DH波段开始的II型射电暴, 从米波段开始的II型射电暴伴随大SEP事件的比例更高, 多频段II型射电暴事件比单频段事件更容易产生SEP事件, 其中M-DH-KM II型射电暴伴随SEP事件比例最高(73%), DH IIs only类最低(19%); 3)同一类II型射电暴中, 有SEP事件产生的II型射电暴比无SEP的事件具有更高的起始频率(更低的激波形成高度)、更低的结束频率(更高的结束高度)、以及更长的持续时间, 容易产生SEP事件(尤其是大型SEP事件)的日冕激波普遍在较低高度开始形成(如小于3Rs,Rs为太阳半径), 且能维持到很高的高度(如大于30Rs); 4) II型射电暴持续时间和结束频率呈很强的负相关(cc= –0.93), 产生SEP事件的比例随II型射电暴持续时间增加而明显增大, 随结束频率增加而明显降低, 且很大程度上取决于CME的速度等参数. 本文结果进一步表明, SEP事件产生与否与II型射电暴种类及特性明显相关, II型射电暴起始频率越高、结束频率越低, 如M-DH-KM II型射电暴, 其CME在很低高度驱动形成激波并传播至很高高度, 激波持续时间越长, 加速粒子时间越长, 产生SEP事件(尤其是大SEP事件)的概率也就越大.