特邀综述
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2024, 73 (9): 095201.
doi:10.7498/aps.73.20231598
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半导体芯片是信息时代的基石, 诸如大数据、机器学习、人工智能等新兴技术领域的快速发展离不开源自芯片层面的算力支撑. 在越来越高的算力需求驱动下, 芯片工艺不断追求更高的集成度与更小的器件体积. 作为芯片制造工序的关键环节, 刻蚀工艺因此面临巨大的挑战. 基于低温等离子体处理技术的干法刻蚀工艺是高精细电路图案刻蚀的首选方案, 借助等离子体仿真模拟, 人们已经能够在很大程度上缩小实验探索的范围, 在海量的参数中找到最优工艺条件. 电子碰撞截面是等离子体刻蚀模型的关键输入参数, 深刻影响着模型预测结果的可靠性. 本文主要介绍了低温等离子体建模的基本理论, 重点强调电子碰撞截面数据在数值模拟中的重要作用. 与此同时, 本文概述了获取刻蚀气体截面数据的理论与实验方法. 最后总结了刻蚀相关原子分子的电子碰撞截面研究现状, 并展望了未来的研究前景.
总论
2024, 73 (9): 090201.
doi:10.7498/aps.73.20232026
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纳米尺度下表面润湿性如何影响薄液膜沸腾传热仍是一个具有挑战性的研究. 本研究采用分子动力学方法探讨壁面润湿性影响纳米尺度薄液膜沸腾换热的机制. 结果发现: 亲水表面能够显著地提升沸腾换热性能, 有较早的沸腾起始时间, 较高的升温速率、热流密度和界面导热率, 以及较小的界面热阻. 通过建立二维表面势能模型, 揭示表面润湿性影响纳米尺度沸腾换热的机理. 亲水壁面的表面势能为–0.34 eV, 而疏水壁面的表面势能仅为–0.09 eV, 提升表面润湿性强化沸腾传热的本质原因是表面势能绝对值的提高. 此外, 通过计算分子间的相互作用能, 揭示了纳米尺度下亲疏水壁面的成核机理. 水分子-亲水壁面、水分子-疏水壁面和水分子内部的相互作用能分别为1.57, 0.26和0.48 eV/nm2. 亲水表面的界面能大于水分子内部的相互作用能, 因此亲水表面上气泡成核发生在水膜内部; 疏水表面上的界面能比水分子内部的相互作用能弱, 疏水表面的气泡成核发生在固/液界面处. 本研究揭示了表面润湿性如何影响纳米尺度薄液膜沸腾传热和气泡成核的主要机制.
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2024, 73 (9): 090601.
doi:10.7498/aps.73.20240138
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时间低相干光由于其瞬时宽带的物理特性, 在激光惯性约束聚变中得到了广泛的关注. 然而其复杂的时间尖峰结构或将诱导非线性自聚焦效应的放大. 同时, 传统的非线性自聚焦特征数值的测试方法中, 多数材料的表面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生, 这为对比不同激光的非线性效应带来巨大影响. 本文利用短焦距透镜对熔石英进行紧聚焦, 通过调节入射激光能量, 在避免前表面损伤的前提下, 诱导熔石英产生自聚焦成丝损伤. 随后通过理论计算对光束在样品体内传输过程的光斑变化进行空间分辨处理, 并得到对应细分位置的非线性数值. 最终将各个位置对应的非线性相位变化值进行积分, 得到前表面无损条件下材料的非线性自聚焦特征数值. 测试结果表明时间低相干光的非线性自聚焦效应比传统单模脉冲激光更强. 本文不仅设计了一套更加精确的对比不同激光非线性效应的测试方法, 同时也探明了时间相干性对于非线性自聚焦效应的影响机制, 为高功率时间低相干激光器的设计提供理论依据和参考.
核物理学
2024, 73 (9): 092501.
doi:10.7498/aps.73.20240088
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中国散裂中子源一期工程于2018年通过国家验收, 当前束流功率已经达到140 kW. 为进一步提高靶站慢化器输出中子强度, 已经提出中国散裂中子源二期500 kW功率升级计划. 靶站关键部件长期受到高通量、高能量的粒子辐照, 会产生较强的辐照损伤, 影响着这些部件的使用寿命. 本文首先使用PHITS3.33程序计算了钨、SS316不锈钢、6061铝合金3种材料的质子和中子原子离位截面以及氢、氦的产生截面, 并分析了NRT (Norgett-Robinson-Torrens )模型和热平衡前原子复位修正(athermal recombination corrected, ARC)模型对材料离位损伤的影响. 在此基础上结合中国散裂中子源二期靶站基线模型计算了靶站关键部件在500 kW的束流功率下运行5000 h产生的原子离位次数(displacement per atom, DPA)以及氢、氦的产额. 计算结果表明, 钨靶受辐照后产生的NRT-dpa, ARC-dpa, H和He产额最大值分别为8.01 dpa/y (1 y = 2500 MW·h), 2.39 dpa/y, 5110 appm/y (atom parts per million, appm, 每百万原子中产生该原子的个数)和884 appm/y. 同样也计算了靶容器、慢化器反射体容器和质子束窗的辐照损伤值, 根据这些部件的辐照损伤值预估了各自的使用寿命. 这些结果对分析中国散裂中子源二期靶站关键部件的辐照损伤情况, 构建合理的维护方案有着十分重要的意义.
原子和分子物理学
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2024, 73 (9): 093101.
doi:10.7498/aps.73.20240028
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在镱原子中, 利用
$ {\rm 5d6s \; {^3D_1} \to 6s^2 \; {^1S_0}} $
跃迁探索宇称破缺效应已经得到了深入的研究. 但是
$ {\rm 5d6s\; {^3D_1}} $
态与基态
$ {\rm 6s^2 \; {^1S_0}} $
之间的M1跃迁和超精细诱导E2跃迁很大程度上影响了宇称破缺信号的探测. 因此, 很有必要精确计算
$ {\rm 5d6s\; {^3D_1}} $
态与基态
$ {\rm 6s^2\; {^1S_0}} $
之间的M1跃迁和超精细诱导E2跃迁的跃迁概率. 本文利用多组态Dirac-Hartree-Fock理论精确计算了
$ {\rm 5d6s \; {^3D_1} \to 6s^2 \; {^1S_0}} $
M1跃迁和超精细诱导
$ {\rm 5d6s \; ^3D_{1,3} \to 6s^2 \; {^1S_0}} $
E2跃迁的跃迁概率. 计算时详细分析了电子关联效应对跃迁概率的影响. 此外, 还分析了不同微扰态和不同超精细相互作用对跃迁概率的影响. 本文计算的
$ {\rm ^3D_{1,2,3}} $
和
$ {\rm ^1D_2} $
态的超精细常数与实验测量结果符合得很好, 从而证明了本文所用计算模型的合理性. 结合实验测量的超精细常数和本文理论计算所得的核外电子在原子核处的电场梯度, 重新评估了
$ ^{173} $
Yb原子核电四极矩
$ Q = 2.89(5)\; \rm {b} $
, 评估结果与目前被推荐的结果符合得很好.
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2024, 73 (9): 093102.
doi:10.7498/aps.73.20240027
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电场影响纳米通道内的水分子的电偶极矩取向, 进而影响纳米通道内的水分子的传输. 为了有效发掘水分子在纳米通道内的传输特点, 必须研究更复杂的纳米通道结构. 最新一种构造复杂纳米通道的方式是构造断裂纳米通道. 在研究断裂纳米通道内的水分子的动力学特点时, 通常是在零电场或单一电场方向下进行的, 电场方向对断裂纳米通道内的水分子的影响机理尚不明确, 这制约了部分场控分子器件的设计. 为了探究该问题, 本文采用分子动力学模拟方法, 系统研究了电场方向从0°变化到180°的过程中, 电场方向对完整纳米通道以及断裂长度分别为0.2和0.4 nm的断裂纳米通道内的水分子的占据数、传输、水桥、电偶极矩偏向等性质的影响. 结果表明, 在1 V/nm的电场强度作用下, 这三种纳米通道内的水分子的占据数、传输等差别主要集中在电场方向与管轴夹角为90°时, 此时完整纳米通道内能形成稳定的水链, 断裂长度为0.2 nm的纳米通道的连接处能形成不稳定的水桥, 而断裂长度为0.4 nm的纳米通道的连接处不能形成水桥. 此外, 模拟发现当电场极化方向与管轴夹角为90°时, 增大电场的强度, 断裂纳米通道连接处的水桥更容易断裂.
2024, 73 (9): 093201.
doi:10.7498/aps.73.20231583
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利用经典系综方法研究了不同椭偏率的反旋双色椭圆偏振(two-color elliptically polarized, TCEP)激光场中Ar原子非序列双电离(nonsequential double ionization, NSDI)的电子关联特性和再碰撞动力学. 不同于反旋双色圆偏振激光场, 反旋TCEP激光场不再具有空间对称性, 返回电子主要从一个方向返回母离子, 从而导致电子动量分布表现出很强的不对称性. 数值结果显示随着椭偏率的增大, Ar原子NSDI的产量逐渐减小, 并且电子对在椭圆偏振激光场长轴方向上的关联电子动量分布, 从主要位于第一和第三象限的正相关逐渐演变为主要位于第二和第四象限的反相关. 通过对不同特征时间的统计分析表明, 随着椭偏率的增大, 旅行时间和返回电子的重碰撞能量逐渐减小, 而延迟时间却增大, 这是电子对关联特性发生变化的主要原因. 此外, 进一步分析发现, 无论是“短轨迹”还是“长轨迹”, 椭偏率的增大都会使两个电子由同向出射逐渐转变为反向出射, 这表明椭偏率和旅行时间都影响着电子的出射方向.
2024, 73 (9): 093202.
doi:10.7498/aps.73.20240162
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里德伯原子极化率大, 在外加电场作用下原子能级发生Stark分裂和频移, 可实现里德伯原子高灵敏电场传感器的研究. 采用Shirley的简化不含时Floquet哈密顿量模型, 计算了Cs里德伯原子的AC Stark能谱, 修正后与实验上测得的弱场中Cs里德伯原子的DC Stark离子能谱拟合, 在获得60D5/2和70D5/2里德伯原子态极化率
$ {\alpha _{{\text{DC}}}} $
的同时实现低频弱场灵敏度的计算. 并计算了Cs里德伯原子60D5/2态频率在0—500 GHz范围内振荡电场中的AC Stark能级频移量, 对里德伯原子传感器在其宽光谱范围内的灵敏度进行定量分析, 实现任意场频率最佳灵敏度的计算, 为里德伯原子传感器的研究提供理论基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2024, 73 (9): 094101.
doi:10.7498/aps.73.20231921
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优化设计了T形四周期谐振慢波结构, 并进行了高频理论分析. 利用镜像法将T形波导单元进行脊波导化等效设计, 并通过等效电路分析了等效脊波导的高频特性, 由此进行T形波导的谐振频率与结构解析理论分析. 在此基础上构造了T形四周期谐振慢波结构, 对该结构进行色散特性分析, 确定谐振模式和频率, 得到了模式同步电压范围. 最后基于提出的T形周期谐振慢波结构进行对应的相对论扩展互作用辐射源的仿真验证. 通过三维粒子仿真模拟分析及优化设计, 在448 kV注电压、400 A注电流和0.4 T的均匀轴向磁场条件下, 得到了频率为9.8 GHz、平均输出功率71.4 MW的高功率微波, 对应电子效率为39.8%. 本文提出的以T形波导为单元的新型谐振慢波结构有效地利用较少周期实现高效率、高功率微波产生, 为高功率微波科学提供了有效的高频结构的紧凑化方案.
2024, 73 (9): 094203.
doi:10.7498/aps.73.20231993
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提出一种基于变分模态分解(VMD)与独立元分析(ICA)相结合的水下信号处理方法. 该方法运用VMD将一组回波信号分解为多组按照频率高低顺序排列的本征模态信号. 然后, 将这些模态信号作为ICA的观测矩阵, 以确保分离所得目标回波信号的完整性. 该方法提出将分解所得的各层模态信号与原信号进行相关性和信杂比比较, 以确定其分解层数. 应用ICA方法对散射与目标回波进行分离, 从而恢复强散射水体中的微弱目标回波, 大大提高其测距精度. 进行不同衰减长度水体的532 nm调频连续光水下测距实验. 经实验验证, 该信号处理方法在激光输出功率2.3 W时, 成功实现对9个衰减长度内目标的测量, 使用算法将测距精度由16 cm 提升至5 cm以内.
2024, 73 (9): 094204.
doi:10.7498/aps.73.20240106
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碘稳频532 nm Nd:YAG激光器在复现长度单位“米(ｍ)”、绝对重力测量、引力波探测、精密光谱学、长度计量等领域有着重要应用, 对其进行频率测量和标定对于激光器的性能评价具有重要意义. 本文采用自行研制的掺Er光纤光学频率梳作为光源, 对其扩谱后的1 μm波段进行光谱增强并结合倍频晶体将光学频率梳输出的1.5 μm波段光脉冲扩展到532 nm波段. 其中掺Er光纤光学频率梳输出功率20 mW, 首先经过掺Er光纤放大器将功率提到370 mW, 经过脉冲压缩后脉冲宽度为45.7 fs, 此后经过高非线性光纤扩谱实现光谱覆盖至1 μm, 输出功率为180 mW. 扩谱后的1 μm波段激光经过掺Yb光纤放大器放大至601 mW, 经过压缩后脉冲宽度为84.6 fs, 压缩后功率为420 mW. 采用MgO:PPLN晶体对压缩后激光进行倍频得到155 mW的532 nm激光, 倍频效率为36%. 利用该系统分别对碘稳频532 nm Nd:YAG激光器输出的基频光1064 nm和倍频光532 nm进行拍频, 获得了优于40 dB信噪比的拍频信号, 后续进行了超过10 h的连续测量, 测量结果与国际推荐值保持一致.
2024, 73 (9): 094205.
doi:10.7498/aps.73.20232005
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基于分数阶非线性薛定谔方程, 研究分数阶衍射效应下蜂窝晶格中带隙涡旋光孤子的存在性与传输特性. 首先采用平面波展开法得到蜂窝晶格能带结构, 其次在带隙结构中分别采用改进的平方算子迭代法、分步傅里叶法和傅里叶配置法研究含有蜂窝晶格势的分数阶非线性薛定谔方程中带隙涡旋孤子的模式及其传输特性. 研究结果发现带隙涡旋孤子的传输特性受
$ {\mathrm{L}}\acute{{\mathrm{e}}}{\mathrm{v}}{\mathrm{y}} $
指数和传播常数的影响. 在稳定区间, 带隙涡旋孤子可以稳定传输, 而在非稳定区间, 带隙涡旋孤子会随着传输距离的增加而逐渐汇聚, 失去环状结构演变为基孤子. 且
$ {\mathrm{L}}\acute{{\mathrm{e}}}{\mathrm{v}}{\mathrm{y}} $
指数越大, 带隙涡旋孤子能够稳定传输的距离越长, 功率越低. 此外, 相邻晶格同相位两个带隙涡旋孤子与旁瓣能量相叠加, 反相位两带隙涡旋孤子与旁瓣能量相抵消, 传输过程中逐渐失去环状结构, 演化为类偶极子模式, 且受方位角调制影响而周期性旋转. 在非相邻晶格处两带隙涡旋孤子, 由于旁瓣影响较小, 带隙涡旋孤子在传输过程中能较好地保持环状结构.
2024, 73 (9): 094206.
doi:10.7498/aps.73.20231772
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基于微纳集成的光波导相控阵芯片是近年来激光雷达技术领域的研究热点. 随着激光雷达系统空间分辨这一实际应用需求的不断提高, 作为激光雷达系统中的光束控制器件, 光波导相控阵需要扩大阵列规模以提升输出光束的空间分辨率. 同时也为光波导相控阵输出光束的优化校准带来了困难, 现有算法不仅光束校准质量不高, 且校准效率较低. 为此, 本文将Adam算法应用于光波导相控阵输出光束校准系统中, 通过建模仿真比较了Adam算法与现有SPGD算法和GS算法在光束校准层面上的优劣. 同时, 搭建实验系统实现了高质量的光束校准, 根据校准结果, 在Adam算法校准下光波导相控阵输出光束的主旁瓣比优于15.98 dB, 对16×16光波导相控阵输出光束校准达到收敛所需的迭代次数低于600次. 这一算法在光波导相控阵输出光束校准方面的应用, 能够提高光波导相控阵的控制精度和效率, 拓展光波导相控阵在激光雷达技术、数字全息技术和生物成像技术等方面的应用.
2024, 73 (9): 094301.
doi:10.7498/aps.73.20231453
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漫反射金属吸收率的准确测量十分重要且比较困难. 量热法可靠性较高, 但是参数反演较为困难. 为此, 建立了一种物理信息神经网络方法. 该方法通过神经网络拟合温度上升段曲线, 进而获得吸收率. 为了验证该方法, 开展了数值仿真和实验研究. 数值仿真结果表明, 该方法适用于吸收率测量, 抗干扰能力强, 反演精度高, 在0.05—0.2的吸收率范围内, 最大误差为0.00092. 实验以喷砂镀金铝板为被测对象, 受表面粗糙度、镀金工艺等影响, 这些样品的吸收率处于2%—10%之间, 测量重复精度优于1%. 基于物理信息神经网络的吸收率测量方法有望成为一种有力的金属表面吸收率测量方法.
2024, 73 (9): 094302.
doi:10.7498/aps.73.20231767
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海洋波导环境中声场的极化特性可为水下目标探测提供新思路, 因此对极化特性进行研究很有意义. 本文将Stokes参数扩展到宽带形式, 利用非平稳相位近似方法对公式进行简化, 降低了理论推导的复杂性, 并揭示了极化特性在声源深度及声源对称深度具有显著变化特性的物理机理. 数值仿真结果表明: 使用非平稳相位近似进行简化后的公式是有效的, 可以较好地表征出极化特性的深度分布规律; 同时, 通过对宽带Stokes参数归一化, 可以去除水平距离对极化特性深度分布规律的影响; 随后, 以归一化宽带Stokes参数为研究对象, 分析了声源频率、声源深度、声速剖面及海水深度等参数对极化特性深度分布规律的影响. 通过RHUM-RUM实验数据处理结果验证了非平稳相位近似的有效性和归一化宽带Stokes参数的距离无关性质. 相关结论可为基于矢量场极化特性的被动目标深度估计提供理论依据.
2024, 73 (9): 094701.
doi:10.7498/aps.73.20240192
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随着电子元件高性能化和小型化的发展, 纳米通道内工质的流动传热问题受到了更多的关注. 本文采用分子动力学模拟方法, 模拟了300, 325, 350 K的纳米通道中流体的流动传热情况, 工质为水, 水中不凝性气体用氩气代替. 结果表明: 流动过程中, 氩原子形成高势能团簇, 随着温度升高, 流体势能上升, 团簇逐渐减小或消失; 少量气体原子能够促进流动, 而较多氩气会导致通道中心区域形成较大气体团簇而阻碍流动, 同时, 被加热的工质能显著减小流动阻力系数; 近壁面区域流体温度高于中心区域, 团簇内部原子活动更加剧烈, 平均分子动能更大, 温度更高; 水的氢键结构可以促进纳米通道内的传热, 氩原子会影响氢键数量, 高温会破坏水分子形成的氢键网络, 使努塞尔数下降. 本研究分析了不凝性气体影响下微通道内水分子流动传热的机理, 为电子设备的强化传热提供了理论指导.
2024, 73 (9): 094702.
doi:10.7498/aps.73.20240115
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对于颗粒物质, 在锥形通道的窄口处容易发生堵塞现象, 实验中通常利用机械振动进行疏通. 而对于无孔不入的水却不同, 即使在纳米尺度的碳纳米管中仍然可以快速通透. 本文利用分子动力学模拟研究了由锥形碳纳米管与石墨烯平面构成的无阀纳米泵, 发现水输运在一定条件下也会出现反常堵塞. 与颗粒物质截然不同的是振动方法无法恢复水流, 相反, 它促使水在纳米水泵的通道窄口处发生堵塞. 通过分析堵塞区水的密度分布、氢键寿命、水分子的结构特征, 揭示了反常堵塞是由腔体中振动膜的高频振动引发水的结构相变造成的.
封面文章
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2024, 73 (9): 094202.
doi:10.7498/aps.73.20231822
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光的轨道角动量自由度已被作为一种新的信息载体用于光全息信息处理技术之中. 然而, 目前关于轨道角动量全息技术的研究主要集中在二维轨道角动量全息, 即重构的二维全息图像位于三维空间中的某一个平面内. 如何进一步实现三维空间轨道角动量全息技术并将其用于增加全息通信的信息容量仍然是一个空白. 本文基于轨道角动量自由度和重构的二维图像在三维空间中的位置自由度, 实现了三维空间轨道角动量全息技术. 换言之, 在我们实现的三维空间轨道角动量全息中, 目标物体图像的获得不仅要求使用正确的解码轨道角动量态, 还要求在正确的空间位置来探测物体的图像. 此外, 还进一步研究了三维空间轨道角动量全息复用技术, 并指出该复用技术可用于信息加密. 与传统的二维轨道角动量全息技术相比, 三维空间轨道角动量全息技术使用了额外的自由度, 即成像的空间位置. 因此, 基于三维空间轨道角动量全息技术的加密方案可以进一步提高信息的安全等级. 我们的理论模拟结果和实验结果验证了三维空间轨道角动量全息技术以及三维空间轨道角动量全息加密技术的可行性.
气体、等离子体和放电物理
2024, 73 (9): 095202.
doi:10.7498/aps.73.20231625
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基于建立的纳秒脉冲激光与金属铝相互作用的二维轴对称模型, 仿真研究了光束整形对纳秒脉冲激光烧蚀金属铝过程中蒸发烧蚀动力学的影响. 结果表明: 等离子体屏蔽对靶材的烧蚀特性具有显著影响, 屏蔽效应主要体现在脉冲的中后期. 对于3种激光轮廓, 高斯光束的屏蔽效果最强, 随着整形后的平顶光束直径的增大, 屏蔽效果逐渐减弱. 平顶光束与高斯光束作用下, 靶材温度的二维空间分布较为不同. 高斯光束作用时, 靶材中心最先升温, 随后温度沿径向和轴向扩散. 由于平顶光束的能量分布更加均匀, 因此一定径向范围内的靶材同时升温. 光束整形对靶材的蒸发烧蚀动力学影响较大. 对于高斯光束, 靶材中心先烧蚀, 随后产生径向烧蚀. 由于整形后平顶光束的能量密度降低, 因此靶面蒸发时间较高斯光束延后, 并且一定径向范围内的靶材同时发生蒸发烧蚀. 3种激光轮廓下, 靶材的蒸发烧蚀形貌与光束的强度分布类似, 其中高斯光束的烧蚀坑呈中间深两边浅的特点, 平顶光束的烧蚀坑较为平坦.
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2024, 73 (9): 095203.
doi:10.7498/aps.73.20240017
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在微波离子推力器的磁场结构设计中, 一般认为增大磁镜区的面积能够约束更多电子, 有利于提高能量利用率; 减小发散区面积能够减少电子在壁面的损失, 有利于降低放电损耗. 随着一体化仿真研究深入, 发现利用Child-Langmuir鞘层的特性可约束电子, 使其在鞘层与磁镜间往复运动获能. 对此, 本文设计了适用于1 cm磁阵列微波离子推力器的磁场结构, 并对其初始放电和束流引出过程进行了一体化仿真, 对比阐明了电子在磁场发散区受Child-Langmuir鞘层、天线表面鞘层和磁镜共同约束下的获能模式. 该获能模式可提升磁场发散区的电子温度, 促进电离, 提升栅极前等离子体密度, 进而提升束流密度. 仿真结果表明, 在氙气流量0.3 sccm (1 sccm= 1 mL/min), 微波功率为1 W, 栅极电压
$ {\varphi }_{{\mathrm{s}}{\mathrm{c}}}/{\varphi }_{{\mathrm{a}}{\mathrm{c}}} $
= 300 V/–50 V条件下, 磁阵列微波离子推力器的电流密度较2 cm微波离子推力器提升57.9%. 本文从理论上对磁场发散区电子加热模式进行了验证, 研究结果将为微波离子推力器优化设计提供理论依据, 促进微波离子推力器性能提升.
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2024, 73 (9): 095204.
doi:10.7498/aps.73.20240130
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基于BOUT++代码研究了托卡马克高约束模等离子体中低杂波(LHW)注入对边缘台基区剥离气球模(P-B模)线性和非线性特性的影响. 模拟中分别考虑了LHW驱动的常规主等离子体电流和刮削层螺旋电流丝(HCF)产生三维扰动磁场对P-B模的作用. 线性结果表明, LHW驱动的主等离子体电流通过降低平衡的归一化压强梯度和磁剪切, 使得线性环向模谱整体向高模数和低增长率的方向移动. 非线性模拟表明, 由于线性模谱的展宽, LHW驱动的主等离子体电流对P-B模不同模式具有整体的抑制效果, 可以降低边缘局域模(ELM)造成的台基能量损失; LHW驱动HCF产生的三维扰动磁场可以通过增强不同模式之间的耦合, 促进主模之外的其他模式增长来降低ELM造成的能量损失. 研究发现, HCF产生的三维扰动磁场促进增长的P-B模式集中在较高模数, 当P-B模的主导模式远离此模数区间, ELM能量损失降低更明显. 研究结果有助于深入理解LHW控制ELM实验中的物理机制.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
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2024, 73 (9): 096101.
doi:10.7498/aps.73.20231927
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在二维硼结构中, 有序分布的高浓度空位可以增强其结构的稳定性, 并对材料性能产生显著影响. 根据最近的实验进展, 本文重点关注二维硼结构中空位呈条带状分布的体系, 提出有效模型系统研究结构稳定性随空位分布的变化. 结合第一性原理计算结果, 对空位不同近邻作用参数进行拟合, 预测了不同空位浓度的稳定结构, 发现在该体系中空位不同近邻存在竞争, 导致长周期分布的趋势, 揭示了不同近邻作用的相互竞争导致长周期结构稳定存在的关键机制.
2024, 73 (9): 096801.
doi:10.7498/aps.73.20240247
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通过改变四正辛基溴化铵(TOABr)用量和Cs/Pb摩尔比, 在室温下采用一步单溶剂法成功制备出单斜相CsPbBr3和六方相Cs4PbBr6两种相结构可调的钙钛矿纳米晶. 研究发现, 当TOABr浓度较低时(Cs/Pb/Br = 1∶1∶4), 体系中主要生成了单斜相的CsPbBr3纳米立方块, 该立方块主要经历了快速成核、尺寸分布聚焦生长和Ostwald熟化生长3个阶段, 最终尺寸为(11.8 ± 1.6) nm. 随着TOABr用量的增加, Br–与Pb2+结合形成[PbBr3]–和少量的[PbBr4]2–络合物, 两种络合物相互竞争. 在成核期和生长早期体系中[PbBr3]–占主导, 因而形成大量的CsPbBr3纳米晶, 随着反应的进行, 体系中过量的Br–会与纳米晶中的Pb相互作用, 导致CsPbBr3纳米晶部分转变为具有六边形形状的Cs4PbBr6纳米晶, 同时[PbBr4]2–络合物的存在使得Cs4PbBr6纳米晶继续长大, 最终形成以CsPbBr3为发光中心的CsPbBr3-Cs4PbBr6复合纳米晶. 只有当TOABr用量为0.32 mmol时所得的CsPbBr3-Cs4PbBr6复合纳米晶其光学性能和稳定性表现最佳. 在此浓度下改变Cs/Pb摩尔比只影响CsPbBr3纳米晶和Cs4PbBr6纳米晶在体系中的相对含量, 当Cs4PbBr6纳米晶含量较高时其荧光强度和稳定性相对较差. 该工作对低温可控合成高效稳定的铯铅卤钙钛矿纳米晶提供一定思路.
2024, 73 (9): 096802.
doi:10.7498/aps.73.20240082
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利用脉冲紫外线辅助热退火在200 ℃的低温条件下, 5 min内制备了基于溶液工艺的氧化铟薄膜及薄膜晶体管. 对比传统热退火, 研究了脉冲紫外线辅助热退火对氧化铟薄膜的表面形态、化学结构和电学特性的影响. 实验结果表明, 脉冲紫外线辅助热退火方式能够在短时间内实现改善氧化铟薄膜的质量及薄膜晶体管的性能. 原子力显微镜和场发射扫描电子显微镜结果显示该薄膜表面较传统热退火制备薄膜表面更为致密平坦. X 射线光电能谱测试表明, 脉冲紫外线辅助热退火处理后会产生氧空位, 从而提高载流子浓度, 改善了氧化铟薄膜的导电性. 此外, 对比研究了紫外线辅助热退火对氧化铟薄膜晶体管电气性能的影响. 结果表明器件的电学特性得到了明显改善, 亚阈值摆幅降低至0.12 mV/dec, 阈值电压为7.4 V, 电流开关比高达1.29×107, 场效应迁移率提升至1.27 cm2/(V·s). 因此, 脉冲紫外线辅助热退火是一种简单、快速的退火方式, 即使在低温条件下也能快速提高氧化铟薄膜和薄膜晶体管的性能.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2024, 73 (9): 097101.
doi:10.7498/aps.73.20240098
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Bi2Te3基化合物是目前室温附近性能最好的热电材料, 但其存在着大量复杂的缺陷结构, 缺陷工程是调控材料热电性能的核心手段, 因此理解和有效地调控缺陷形态和浓度是获得高性能Bi2Te3基热电材料的关键. 本文系统地研究了四元n型Bi2–xSbxTe3–ySey基化合物的缺陷演化过程及其对热电输运性能的影响规律. Sb和Se的固溶引入的带电伴生结构缺陷使得材料的载流子浓度发生了巨大变化, 在Bi2–xSbxTe2.994Cl0.006样品中, Sb的固溶降低了反位缺陷
${\mathrm{S}}{{\mathrm{b}}_{{\mathrm{T}}{{\mathrm{e}}_2}}}$
形成能, 诱导产生了反位缺陷
$ {\mathrm{S}}{{\mathrm{b}}_{{\mathrm{T}}{{\mathrm{e}}_2}}} $
, 使得少数载流子空穴浓度从2.09×1016cm–3增加至3.99×1017cm–3, 严重劣化了电性能. 在Bi1.8Sb0.2Te2.994–ySeyCl0.006样品中, Se的固溶使得
${\mathrm{S}}{{\mathrm{e}}_{{\mathrm{T}}{{\mathrm{e}}_2}}}$
+
${\mathrm{S}}{{\mathrm{b}}_{{\mathrm{Bi}}}}$
的缺陷形成能更低, 抑制了反位缺陷
${\mathrm{S}}{{\mathrm{b}}_{{\mathrm{T}}{{\mathrm{e}}_2}}}$
的产生, Bi1.8Sb0.2Te2.694Se0.30Cl0.006样品的少数载流子空穴浓度降至1.49×1016cm–3, 消除了其对材料热电性能的劣化效果, 显著地提升了材料的功率因子, 室温下达到4.49 mW/(m·K2). 结合Sb和Se固溶增强合金化散射降低材料的热导率, Bi1.8Sb0.2Te2.844Se0.15Cl0.006样品在室温下获得最大ZT值为0.98. 该研究为调控具有复杂成分的Bi2Te3基材料的点缺陷、载流子浓度和热电性能提供了重要的指导.
2024, 73 (9): 097102.
doi:10.7498/aps.73.20232040
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研究了Gd含量对(Fe73B22Nb5)100–xGdx(x= 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0)合金非晶形成能力、热稳定性和磁学性能的影响规律, 并对比分析了非晶氧化机制. 通过添加Gd元素, 合金的原子尺寸差超过13%, 构型熵增大了30%, 提升了合金的非晶形成能力. 随着Gd含量的增大, 过冷液相区范围达到73 K, 热稳定性得到明显增强. Gd元素导致合金局部各向异性受到限制, 准位错偶极子型缺陷密度降低. 这有效减少了阻碍磁畴壁旋转的钉扎位点, 提高合金软磁性能. 此外, Gd元素使得非晶在氧化过程中对温度的变化更为敏感, 达到最大氧化速率的温度降低了15 K, 但是并未恶化其抗氧化性能. Gd原子受结合能影响向表层迁移, 形成的富Gd氧化物填充了表层缺陷, 占据了大量顶部空间, 合金表面附近的结构更加致密. 这种结构减少了氧原子通过微观组织界面进行扩散的通道, 有助于增强抗氧化性能.
2024, 73 (9): 097801.
doi:10.7498/aps.73.20240012
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目前, 光学测温技术在传感、治疗、诊断和成像等领域取得了重大突破. 但是, 基于传统热耦合能级荧光强度比测温的灵敏度较低, 限制了其进一步的发展. 本文基于基质与掺杂离子间不同的温度依赖行为, 提出了一种新型的具有高灵敏度的测温方案. 首先, 采用固相法成功合成了YVO4:Pr3+荧光粉. 然后, 采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜和荧光分光光度计对样品的结构与发光特性进行表征. XRD结果表明Pr3+成功掺入YVO4基质. SEM结果表明样品为长方体形状微米晶颗粒, 平均颗粒大小约为2.1 μm. 在320 nm激发下, YVO4:Pr3+主要呈现出在440 nm附近的蓝光发射和606 nm的红光发射, 发光峰不存在明显的重叠. 基于
${\text{VO}}_4^{3 - } $
与Pr3+的发光对温度的不同响应, 实现了新的荧光强度比测温方案. 测温范围为303—353 K, 最大绝对灵敏度和相对灵敏度分别为0.651 K–1和3.112×10–2K–1@353 K, 远高于传统的热耦合能级测温方案. 这为设计具有优异温度灵敏度和信号可辨别性的自参考光学测温材料提供了一种有前景的途径.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2024, 73 (9): 098201.
doi:10.7498/aps.73.20231832
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对多原子化学反应进行精确的理论模拟研究, 是当前量子动力学领域的重要挑战之一. 本文运用七维的量子含时波包方法, 对反应物振动基态和C—H伸缩振动第一激发态的F+CHD3反应进行动力学研究. 分析了不同振动态条件下的反应概率, 发现当碰撞能低于0.06 eV时反应概率曲线均表现出许多剧烈的振荡峰, 支持实验上所推测的动力学共振现象. 当碰撞能介于0.06—0.3 eV之间时, 振动激发态反应中HF产物通道的反应概率低于振动基态反应, 与实验观测结果一致. 模拟发现: 相比于振动基态的情况, 低能碰撞时C—H伸缩振动激发态反应的非含时波函数在过渡态区域更倾向于靠近D原子一侧, 并将这一现象归结为振动激发态势能面在大碰撞角区域更显著的能量优势, 解释了伸缩振动激发对HF产物通道的抑制作用. 本研究为实验结果的解释提供了重要的理论支持, 有助于更深入地理解多原子反应中振动模式激发对动力学过程的影响.
2024, 73 (9): 098501.
doi:10.7498/aps.73.20240186
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金属-半导体-金属(MSM)型氧化镓薄膜探测器的性能高度依赖于氧化镓薄膜的均匀性, 工艺难度较高, 对规模化、量产化薄膜探测器提出了挑战. 本文首次在量产化悬臂式薄膜芯片表面物理沉积氧化镓薄膜, 实现了一个五对叉指电极结构的MSM型氧化镓薄膜日盲探测器. 得益于微机电系统(MEMS)工艺制备的悬臂式电极结构保护了内部电路与探测薄膜的完整均匀性, 所获得的氧化镓薄膜虽然是非晶结构, 但探测器仍然具备良好的紫外探测性能. 在18 V偏压下其探测率达到7.9×1010Jones, 外量子效率达到1779%, 上升和下降时间分别为1.22 s和0.24 s, 接近晶体氧化镓薄膜的探测性能. 该探测器在无任何光学聚焦系统的情况下, 实现了对户外日光环境下脉冲电弧的灵敏检测, 将在日盲探测领域具有良好的潜在应用价值. 本工作基于MEMS工艺的悬臂式电极结构开发的敏感功能薄膜沉积技术, 避免了功能薄膜大面积均匀性对刻蚀电路的影响, 为MSM型薄膜探测器的制备提供了新的技术方法和工艺路线.
2024, 73 (9): 098701.
doi:10.7498/aps.73.20231904
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仿真设计了一种光栅耦合型太赫兹(THz)表面等离激元(SPP)共振生化传感结构, 该结构通过在锑化铟(InSb)基底表面刻蚀亚毫米光栅形成. 基于波矢匹配方程的仿真结果表明, 当TM偏振的THz平行波束以30°入射角照射到光栅区间时, 光栅的–1和+1级THz衍射波束能够分别激励传播方向相反的低频SPP和高频SPP. 由于采用商业THz时域谱装置可以准确测量低频SPP, 本文系统地分析了低频SPP的共振和传感特性对光栅结构参数的依赖关系. 仿真结果表明: InSb光栅耦合的THz-SPP共振传感芯片的折射率灵敏度随光栅周期的增大而减小; 当光栅周期为120 μm、入射角为30°时, 折射率灵敏度为1.05 THz/RIU, 在此条件下, 传感芯片不能对生物分子单分子吸附层作出可探测的响应, 究其原因是, 低频SPP的消逝场穿透深度远大于生物分子尺寸, 致使两者相互作用不足. 为了探测生物分子, 仿真分析了多孔薄膜覆盖InSb光栅的增敏方法. 多孔薄膜具有分子富集作用, 能够将THz表面波与生物靶标的相互作用从单分子尺度扩展至整个薄膜厚度, 从而提高传感器的生物检测灵敏度. 以酪氨酸吸附为例的仿真结果表明, 当InSb光栅表面覆盖厚度为120 μm、孔隙率为0.4的多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜后, 其吸附灵敏度为0.39 THz/单位体积分数.
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2024, 73 (9): 098702.
doi:10.7498/aps.73.20240216
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超分辨结构光照明显微成像技术(super-resolution structured illumination microscopy, SR-SIM)具有时间分辨率高、光漂白和光毒性低和对荧光探针的要求少等优点, 适用于活细胞的长时程超分辨成像. 采用二维晶格结构光作为照明光, 可以实现更快的成像速度和更低的光毒性, 但同时也增加了系统的复杂性. 为了解决此问题, 本文提出了一种基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微成像方法(digital micromirror device-based lattice SIM , DMD-Lattice-SIM), 通过同步分时触发DMD和sCMOS相机的方式实现二维正交晶格结构光的产生, 且只需要采集5幅相移原始图像即可重构出超分辨图像, 相比于传统SR-SIM需要9幅相移原始图像的方法, 图像采集时间减少了约44.4%. 同时, 在基于空域和频域联合的SIM重构算法(joint space and frequency reconstruction method-SIM, JSFR-SIM)的基础上, 本文还发展了用于Lattice-SIM的JSFR超分辨图像重构方法(Lattice-JSFR-SIM), 先在频域对原始图像进行预滤波处理; 然后, 在空域对滤波后的图像进行超分辨重构处理. 与传统频域图像重构处理对比, 该方法在512 ×512 像素数的成像视场下重构时间减少了约55.6%, 对于实现活细胞实时超分辨成像具有重要意义和应用价值.
2024, 73 (9): 098801.
doi:10.7498/aps.73.20240249
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非晶合金是原子结构长程无序的亚稳态材料, 具有优异的催化降解性能, 同时也很容易发生晶化, 但晶化对催化降解性能的影响机理目前尚不明确. 本文研究了退火晶化对Fe-Si-B-Cu-Nb工业非晶条带微观结构及其对酸性橙7催化降解性能的影响. 研究发现: 经460—580 ℃退火后, 条带的催化降解性能大幅下降, 其反应速率常数低于0.01 min–1,α-Fe析出相导致其非晶结构的破坏, 降低了羟基自由基的形成速率; 而经过650—700 ℃退火后, 条带的催化降解性能显著提高, 反应速率可提升至退火前的3.77倍, 降解15 min时的脱色率达99.22%, 为退火前的1.12倍, 催化降解性能的提高得益于晶化相与金属化合物间的原电池效应及富集Cu团簇和零价铁之间的置换反应. 本研究揭示了退火晶化对偶氮染料的铁基非晶条带催化降解性能的作用机理, 为利用老化的铁基非晶工业条带处理印染废水、实现“以废治废”, 提供了有益的理论与实验支撑.
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2024, 73 (9): 098802.
doi:10.7498/aps.73.20240218
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研制具有较大活性面积的钙钛矿太阳电池对领域面向产业化的发展具有重要意义. 当前, 大面积钙钛矿太阳电池的性能与小面积钙钛矿太阳电池之间仍存在较大差距. 本文提出一种在透明导电薄膜衬底上预先原子层沉积TiO2薄层的策略, 有效避免了衬底局部突起与钙钛矿吸光层直接接触导致的漏电现象, 提升了小面积器件制备工艺的重复一致性. 改善的电子输运和光管理过程也提高了小面积器件的效率. 更重要的是, 本文基于原子层沉积的TiO2开展了0.5 cm2大面积钙钛矿太阳电池的研究, 通过优化TiO2层的厚度, 研制出光电转换效率高达24.8%的冠军器件(第三方认证效率24.65%), 器件的制备工艺也表现出较好的重复性. 此外, 原子层沉积了TiO2缓冲层的电池器件在氮气氛围下存储1500 h后仍然能够保留初始性能的95%以上. 总之, 在粗糙衬底上预先原子层沉积TiO2薄层可以有效抑制局部漏电通道的产生, 有利于制备高性能的大面积钙钛矿太阳电池.
2024, 73 (9): 098803.
doi:10.7498/aps.73.20240153
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CsPbI2Br薄膜在大气环境下制备存在覆盖率低、结晶质量差和结构稳定性差等问题. 本文提出了一种动态热风辅助再结晶策略(dynamic hot-air assisted recrystallization, DHR), 在相对湿度大于60% (>60% RH)的大气环境下, 制备出高覆盖率、(100)择优取向、大尺寸晶粒、结构稳定、光电性能好的CsPbI2Br薄膜. 这是由于动态热风过程能够有效提高薄膜的覆盖率和获得(100)择优取向的结晶, 但晶粒尺寸会显著减小(Rave= 0.32 μm)并伴随着大量的晶界形成, 从而加剧载流子的非辐射复合(τave= 99 ns); 而通过再结晶过程, 可进一步提高(100)择优取向的结晶和显著增大晶粒尺寸(Rave= 2.63 μm), 从而提高薄膜的光致发光强度和荧光寿命(τave= 118 ns). 由DHR策略制备的未封装CsPbI2Br太阳能电池具备高光电转换效率(power conversion efficiency, PCE = 17.55%)、低迟滞因子(hysteresis index, HI = 2.34%)和长期的储存稳定性(air, >60% RH, 40天, 初始PCE的96%)等特性.
2024, 73 (9): 098804.
doi:10.7498/aps.73.20240197
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锂-氧电池由于高能量密度在后锂离子电池中脱颖而出, 而放电产物过氧化锂缓慢的氧化反应降低了电池的循环性能. 因此, 提高过氧化锂氧化反应动能、降低充电过电位对于实现高能量密度的可逆锂-氧电池具有重要意义. 本文通过第一性原理计算, 对比研究了氧化石墨烯(GO)和硼掺杂氧化石墨烯(BGO)对过氧化锂小团簇(Li2O2)2氧化反应的催化机理. 结果表明, 从(Li2O2)2团簇转移到GO和BGO上的电荷分别为0.59 e和0.96 e, B掺杂提高了电荷转移. 4电子反应过程表明, (Li2O2)2团簇倾向于Li-O2-Li分解路径, 在GO和BGO上反应的速率决定步均是第三步去锂. 在平衡电位下, GO和BGO的充电过电位分别是0.76 V和0.23 V, B掺杂大大降低了锂-氧电池充电过电位. 机理分析表明B与O对(Li2O2)2团簇起到了协同催化的作用.