2024年 73卷 第15期
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2024, 73(15): 150301.
doi: 10.7498/aps.73.20240917
摘要:
近期对钒基笼目超导体(AV3Sb5, A = K, Cs, Rb)家族中三种材料的低温量子输运测量均显示出时间反演对称性破缺的超导态. 其中, 在Nb/K1–xV3Sb/Nb的约瑟夫森结和RbV3Sb5中, 超导转变温度以下的磁阻随磁场扫动方向存在磁滞现象; CsV3Sb5中存在零磁场下的超导二极管现象, 即正向和反向的超导临界电流大小不同. 首先, 本文讨论了这些实验现象的区别和联系. 然后, 讨论产生上述非常规超导输运现象的可能机理, 如手性超导序参量(d+id或p+ip), 以及由电荷密度波与常规超导态耦合产生的手性配对密度波.
近期对钒基笼目超导体(AV3Sb5, A = K, Cs, Rb)家族中三种材料的低温量子输运测量均显示出时间反演对称性破缺的超导态. 其中, 在Nb/K1–xV3Sb/Nb的约瑟夫森结和RbV3Sb5中, 超导转变温度以下的磁阻随磁场扫动方向存在磁滞现象; CsV3Sb5中存在零磁场下的超导二极管现象, 即正向和反向的超导临界电流大小不同. 首先, 本文讨论了这些实验现象的区别和联系. 然后, 讨论产生上述非常规超导输运现象的可能机理, 如手性超导序参量(d+id或p+ip), 以及由电荷密度波与常规超导态耦合产生的手性配对密度波.
2024, 73(15): 157401.
doi: 10.7498/aps.73.20240807
摘要:
早在1965年, 于渌先生发表在《 》的经典理论工作就指出: 超导能隙在磁性杂质周围会产生微弱的周期性振荡. 近十年来, 一系列高分辨率的扫描隧道显微实验观测到超导体内能隙在空间中的微弱振荡行为并指认为配对密度波. 据此情况, 李东海等理论学者近期指出, 在多种情况下, 杂质拆对散射构成的干涉效应也会导致能隙在空间形成周期性振荡. 我们讨论这两种观点的对立与统一, 以及它们和实验的联系.
早在1965年, 于渌先生发表在《 》的经典理论工作就指出: 超导能隙在磁性杂质周围会产生微弱的周期性振荡. 近十年来, 一系列高分辨率的扫描隧道显微实验观测到超导体内能隙在空间中的微弱振荡行为并指认为配对密度波. 据此情况, 李东海等理论学者近期指出, 在多种情况下, 杂质拆对散射构成的干涉效应也会导致能隙在空间形成周期性振荡. 我们讨论这两种观点的对立与统一, 以及它们和实验的联系.
2024, 73(15): 157501.
doi: 10.7498/aps.73.20240646
摘要:
超快自旋动力学是研究材料受到外场激发后, 在皮秒至阿秒时间尺度下其自旋的运动行为. 随着激光技术的不断提升, 1996年开始的飞秒磁学成为磁学中的重要研究领域, 是实现更快响应的新型自旋电子学器件的重要技术途径. 尽管已有几十年的历史, 飞秒磁学依旧存在着非常多的物理问题尚未解决, 而理解这些问题需要研究更快时间尺度下的自旋动力学过程. 利用阿秒激光脉冲与磁性材料的相互作用, 可研究亚飞秒乃至阿秒时间尺度下、元素分辨的自旋动力学行为, 即阿秒磁学. 本文介绍了超快自旋动力学近年来的一些重要研究进展以及存在的问题, 阿秒磁学研究的机遇与挑战, 并对超快自旋动力学的未来发展趋势及前景进行分析与展望.
超快自旋动力学是研究材料受到外场激发后, 在皮秒至阿秒时间尺度下其自旋的运动行为. 随着激光技术的不断提升, 1996年开始的飞秒磁学成为磁学中的重要研究领域, 是实现更快响应的新型自旋电子学器件的重要技术途径. 尽管已有几十年的历史, 飞秒磁学依旧存在着非常多的物理问题尚未解决, 而理解这些问题需要研究更快时间尺度下的自旋动力学过程. 利用阿秒激光脉冲与磁性材料的相互作用, 可研究亚飞秒乃至阿秒时间尺度下、元素分辨的自旋动力学行为, 即阿秒磁学. 本文介绍了超快自旋动力学近年来的一些重要研究进展以及存在的问题, 阿秒磁学研究的机遇与挑战, 并对超快自旋动力学的未来发展趋势及前景进行分析与展望.
2024, 73(15): 150201.
doi: 10.7498/aps.73.20240554
摘要:
在少电子原子精密光谱测量中, 产生高强度、单一量子态的氦原子和类氦离子是实验研究的关键, 也是改善实验测量信噪比的决定性因素. 本文提出利用自由电子激光获得高强度亚稳态氦原子和类氦离子的实验方案. 激光的制备效率可以通过求解光和原子相互作用的主方程获得, 根据拟建设的深圳自由电子激光装置的设计参数和实验条件, 计算得到亚稳态He, Li+和Be2+的制备效率分别可达3%, 6%和2%以上. 与常见的气体放电和电子轰击等制备方法相比, 激光激发产生亚稳态原子/离子不仅可以提高制备产率, 也可以降低放电时产生的电子、离子以及光子等高能杂散粒子的影响. 利用自由电子激光激发制备亚稳态氦原子和类氦离子有望应用于多个研究领域.
在少电子原子精密光谱测量中, 产生高强度、单一量子态的氦原子和类氦离子是实验研究的关键, 也是改善实验测量信噪比的决定性因素. 本文提出利用自由电子激光获得高强度亚稳态氦原子和类氦离子的实验方案. 激光的制备效率可以通过求解光和原子相互作用的主方程获得, 根据拟建设的深圳自由电子激光装置的设计参数和实验条件, 计算得到亚稳态He, Li+和Be2+的制备效率分别可达3%, 6%和2%以上. 与常见的气体放电和电子轰击等制备方法相比, 激光激发产生亚稳态原子/离子不仅可以提高制备产率, 也可以降低放电时产生的电子、离子以及光子等高能杂散粒子的影响. 利用自由电子激光激发制备亚稳态氦原子和类氦离子有望应用于多个研究领域.
2024, 73(15): 158501.
doi: 10.7498/aps.73.20240462
摘要:
声表面波是激发和控制自旋波的一种新兴手段, 不仅激励效率高, 而且传输长度可以达到毫米量级, 通过引入磁声耦合还可以打破时空反演对称性, 实现声表面波的非互易传播. 本文对不同类型的磁声耦合的物理机制进行了梳理, 对比了磁弹性耦合、自旋-涡度耦合(包括非磁性层注入交变自旋流和磁性材料自身的Barnett效应), 以及磁-旋转耦合在不同模式的声表面波激发下的等效驱动磁场, 讨论了这些等效驱动场的角度依赖性, 以及相应功率吸收的频率依赖性. 这为在实际应用中区分和利用各种磁声耦合机制提供了理论支持. 此外, 本文还介绍了利用磁声耦合实现声表面波非互易性传输的两种主流手段, 包括利用手性失配效应和引入具有非互易性自旋波色散关系的磁结构, 对比并讨论了它们各自的物理机制和优劣势, 希望为设计和发展基于磁声耦合的固态声学隔离器、环形器提供参考.
声表面波是激发和控制自旋波的一种新兴手段, 不仅激励效率高, 而且传输长度可以达到毫米量级, 通过引入磁声耦合还可以打破时空反演对称性, 实现声表面波的非互易传播. 本文对不同类型的磁声耦合的物理机制进行了梳理, 对比了磁弹性耦合、自旋-涡度耦合(包括非磁性层注入交变自旋流和磁性材料自身的Barnett效应), 以及磁-旋转耦合在不同模式的声表面波激发下的等效驱动磁场, 讨论了这些等效驱动场的角度依赖性, 以及相应功率吸收的频率依赖性. 这为在实际应用中区分和利用各种磁声耦合机制提供了理论支持. 此外, 本文还介绍了利用磁声耦合实现声表面波非互易性传输的两种主流手段, 包括利用手性失配效应和引入具有非互易性自旋波色散关系的磁结构, 对比并讨论了它们各自的物理机制和优劣势, 希望为设计和发展基于磁声耦合的固态声学隔离器、环形器提供参考.
2024, 73(15): 150202.
doi: 10.7498/aps.73.20240515
摘要:
为解决氮化镓芯片散热问题, 采用非平衡分子动力学法, 研究工作温度、界面尺寸、缺陷率及缺陷类型对氮化镓/石墨烯/金刚石异质界面热导的影响, 通过计算声子态密度和声子参与率, 分析界面热传导机理. 研究发现, 在100—500 K范围内, 温度升高使界面热导增大2.1倍, 重叠因子随温度增加而增加, 界面间声子耦合程度增强, 界面热导相应增大. 当氮化镓层数从10层增加到26层时, 界面热导降低75%, 分析认为是界面声子耦合程度下降导致. 另外, 添加5层石墨烯会导致界面热导降低74%, 分析认为是声子局域化程度加重造成; 当缺陷率从0增大到10%时, 金刚石碳原子缺陷使界面热导提高40%, 缺陷散射增加低频声子数量, 改善界面热传导; 但镓、氮和石墨烯碳原子缺陷会加重声子局域化程度, 均导致界面热导降低. 研究结果有助于提升氮化镓芯片散热性能, 同时对高可靠性氮化镓器件设计具有指导意义.
为解决氮化镓芯片散热问题, 采用非平衡分子动力学法, 研究工作温度、界面尺寸、缺陷率及缺陷类型对氮化镓/石墨烯/金刚石异质界面热导的影响, 通过计算声子态密度和声子参与率, 分析界面热传导机理. 研究发现, 在100—500 K范围内, 温度升高使界面热导增大2.1倍, 重叠因子随温度增加而增加, 界面间声子耦合程度增强, 界面热导相应增大. 当氮化镓层数从10层增加到26层时, 界面热导降低75%, 分析认为是界面声子耦合程度下降导致. 另外, 添加5层石墨烯会导致界面热导降低74%, 分析认为是声子局域化程度加重造成; 当缺陷率从0增大到10%时, 金刚石碳原子缺陷使界面热导提高40%, 缺陷散射增加低频声子数量, 改善界面热传导; 但镓、氮和石墨烯碳原子缺陷会加重声子局域化程度, 均导致界面热导降低. 研究结果有助于提升氮化镓芯片散热性能, 同时对高可靠性氮化镓器件设计具有指导意义.
2024, 73(15): 154101.
doi: 10.7498/aps.73.20240644
摘要:
蝇眼透镜被用于高相干性激光的整形匀化时, 会产生多子光束干涉现象导致照明面光强呈现梳状分布. 本文建立了一种蝇眼随机相位调制匀化系统仿真模型, 对蝇眼透镜子光束进行随机相位调制, 并统计平均多次照明光强. 理论和仿真分析证明该方法可以有效地消除干涉图案, 提高照明均匀性. 进一步展示了蝇眼透镜子孔径和焦距对该系统匀化效果的影响, 并通过优化系统参数和结构, 减弱了蝇眼透镜衍射效应的影响, 提高了匀化效果, 最终在100 mm2的方形区域内实现了不均匀性小于1.2%的均匀照明.
蝇眼透镜被用于高相干性激光的整形匀化时, 会产生多子光束干涉现象导致照明面光强呈现梳状分布. 本文建立了一种蝇眼随机相位调制匀化系统仿真模型, 对蝇眼透镜子光束进行随机相位调制, 并统计平均多次照明光强. 理论和仿真分析证明该方法可以有效地消除干涉图案, 提高照明均匀性. 进一步展示了蝇眼透镜子孔径和焦距对该系统匀化效果的影响, 并通过优化系统参数和结构, 减弱了蝇眼透镜衍射效应的影响, 提高了匀化效果, 最终在100 mm2的方形区域内实现了不均匀性小于1.2%的均匀照明.
2024, 73(15): 154201.
doi: 10.7498/aps.73.20240428
摘要:
空芯光纤气体激光器已逐渐发展为一种重要的中红外激光光源, 在实验上取得了良好进展, 但现有的基于传统速率方程模型的理论设计方法仍不完善. 本文提出了一种溴化氢(HBr)空芯光纤的振动热池建模方法, 该模型可充分考虑空芯光纤气体激光器内振转弛豫对腔内增益特性的影响, 计算显示激光斜效率、阈值和瓶颈效应与实验吻合良好. 此外, 基于该模型, 本文探讨了脉冲泵浦的光子泄漏现象, 通过引入泄漏因子, 得到了与实验结果接近的脉冲波形的弛豫振荡和激光斜率效率, 有效解决了脉冲泵浦模型中的泵浦溢出问题. 本研究提出的振动热池理论模型可适用于各类气体填充的空芯光纤气体激光器.
空芯光纤气体激光器已逐渐发展为一种重要的中红外激光光源, 在实验上取得了良好进展, 但现有的基于传统速率方程模型的理论设计方法仍不完善. 本文提出了一种溴化氢(HBr)空芯光纤的振动热池建模方法, 该模型可充分考虑空芯光纤气体激光器内振转弛豫对腔内增益特性的影响, 计算显示激光斜效率、阈值和瓶颈效应与实验吻合良好. 此外, 基于该模型, 本文探讨了脉冲泵浦的光子泄漏现象, 通过引入泄漏因子, 得到了与实验结果接近的脉冲波形的弛豫振荡和激光斜率效率, 有效解决了脉冲泵浦模型中的泵浦溢出问题. 本研究提出的振动热池理论模型可适用于各类气体填充的空芯光纤气体激光器.
2024, 73(15): 154202.
doi: 10.7498/aps.73.20240455
摘要:
高温非平衡问题是高超声速流动中最基本的科学问题之一, 而热力学非平衡特性的准确表征是理解高温非平衡问题和高超声速空气动力学的基础, 如何准确可靠地表征流场的热力学非平衡特性是解决高超声速飞行器在稀薄流域高温非平衡问题的关键. 本文基于相干反斯托克斯拉曼散射基本原理, 开发了面向非平衡流场的振转温度反演算法, 并在宽温度范围静态环境开展验证. 搭建了非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射测温实验平台并开展实验验证, 结果表明微波等离子体处于热力学非平衡状态, 并且振动温度和转动温度与微波功率成正比, 而热力学非平衡度与微波功率成反比, 当微波功率从80 W增加至180 W时, 等离子体电子数密度增加, 中性粒子通过与电子碰撞获得能量使振动温度从(2201 ± 43) K增加至(2452 ± 56) K、转动温度从(382 ± 20) K增加至(535 ± 49) K; 而处于振动激发态的分子通过振动-平动弛豫过程(对于N2分子弛豫速率与温度成正比)将部分振动能转化为平动能, 导致振动温度与转动温度的差异降低, 等离子体热力学非平衡度从0.83降低至0.78.
高温非平衡问题是高超声速流动中最基本的科学问题之一, 而热力学非平衡特性的准确表征是理解高温非平衡问题和高超声速空气动力学的基础, 如何准确可靠地表征流场的热力学非平衡特性是解决高超声速飞行器在稀薄流域高温非平衡问题的关键. 本文基于相干反斯托克斯拉曼散射基本原理, 开发了面向非平衡流场的振转温度反演算法, 并在宽温度范围静态环境开展验证. 搭建了非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射测温实验平台并开展实验验证, 结果表明微波等离子体处于热力学非平衡状态, 并且振动温度和转动温度与微波功率成正比, 而热力学非平衡度与微波功率成反比, 当微波功率从80 W增加至180 W时, 等离子体电子数密度增加, 中性粒子通过与电子碰撞获得能量使振动温度从(2201 ± 43) K增加至(2452 ± 56) K、转动温度从(382 ± 20) K增加至(535 ± 49) K; 而处于振动激发态的分子通过振动-平动弛豫过程(对于N2分子弛豫速率与温度成正比)将部分振动能转化为平动能, 导致振动温度与转动温度的差异降低, 等离子体热力学非平衡度从0.83降低至0.78.
2024, 73(15): 154301.
doi: 10.7498/aps.73.20240606
摘要:
高强度超声可激发生物组织空化, 软组织常被当作黏弹性介质, 因此, 黏弹性介质中气泡动力学行为研究可为超声生物治疗提供理论支持. 为探索组织液内多气泡动力学影响, 构建了球形液体腔内的球状泡团模型, 考虑了液体腔外黏弹性介质的动力学效应, 得到了球状泡群内气泡耦合振动方程, 并基于此分析了气泡的振动行为. 结果表明, 腔体以及泡群约束虽抑制了气泡振动, 但在一定程度上还可以增强气泡的非线性振动特性. 约束环境下气泡的非球形振动稳定性主要受驱动声波压力幅值和频率、气泡初始半径以及气泡数密度影响, 而腔体半径的影响随驱动压力的增加而增强; 存在最小不稳定驱动声压阈值, 不同初始半径的气泡不稳定振动阈值压力不同且不稳定分布区主要分布在小于4 μm的范围内; 驱动频率增大, 气泡振动不稳定区的声压阈值也随之增大, 且不稳定区域有减小的趋势; 随着气泡数密度的增加, 气泡不稳定区域逐渐向无规则的斑图状分布, 极易受到扰动发生不稳定振动而崩溃. 高频声波激励下平衡半径大于4 μm范围内气泡的惯性空化阈值受频率和气泡数密度的影响显著.
高强度超声可激发生物组织空化, 软组织常被当作黏弹性介质, 因此, 黏弹性介质中气泡动力学行为研究可为超声生物治疗提供理论支持. 为探索组织液内多气泡动力学影响, 构建了球形液体腔内的球状泡团模型, 考虑了液体腔外黏弹性介质的动力学效应, 得到了球状泡群内气泡耦合振动方程, 并基于此分析了气泡的振动行为. 结果表明, 腔体以及泡群约束虽抑制了气泡振动, 但在一定程度上还可以增强气泡的非线性振动特性. 约束环境下气泡的非球形振动稳定性主要受驱动声波压力幅值和频率、气泡初始半径以及气泡数密度影响, 而腔体半径的影响随驱动压力的增加而增强; 存在最小不稳定驱动声压阈值, 不同初始半径的气泡不稳定振动阈值压力不同且不稳定分布区主要分布在小于4 μm的范围内; 驱动频率增大, 气泡振动不稳定区的声压阈值也随之增大, 且不稳定区域有减小的趋势; 随着气泡数密度的增加, 气泡不稳定区域逐渐向无规则的斑图状分布, 极易受到扰动发生不稳定振动而崩溃. 高频声波激励下平衡半径大于4 μm范围内气泡的惯性空化阈值受频率和气泡数密度的影响显著.
2024, 73(15): 154302.
doi: 10.7498/aps.73.20240640
摘要:
四极子拓扑绝缘体是人们提出的第一类高阶拓扑绝缘体, 它具有量子化的四极矩而偶极矩为零. 四极子拓扑绝缘体拓宽了传统的体-边对应关系, 从而观察到了更低维度的拓扑边界态. 最近, 由局域在位错附近的拓扑缺陷态主导的体-位错对应关系引起了许多研究者的关注, 其将晶格倒易空间的拓扑结构与位错态的出现联系起来. 本文研究了声学四极子拓扑绝缘体中的位错态. 在具有非平庸相的声学四极子拓扑绝缘体中嵌入部分具有平庸相的晶格, 此时在由两种具有不同拓扑相晶格形成边界的角落处就会产生可以用1/2量化分数电荷表征的位错态. 通过在系统内部引入缺陷, 验证了此拓扑位错态的鲁棒性. 此外, 还证明了通过运用不同嵌入晶格的方式可以随意设计位错态的位置. 本工作中研究的拓扑位错态拓宽了人工结构中高阶拓扑物态的种类, 并为高阶拓扑绝缘体在声学中的应用(如声传感和高性能能量收集)提供了新的思路.
四极子拓扑绝缘体是人们提出的第一类高阶拓扑绝缘体, 它具有量子化的四极矩而偶极矩为零. 四极子拓扑绝缘体拓宽了传统的体-边对应关系, 从而观察到了更低维度的拓扑边界态. 最近, 由局域在位错附近的拓扑缺陷态主导的体-位错对应关系引起了许多研究者的关注, 其将晶格倒易空间的拓扑结构与位错态的出现联系起来. 本文研究了声学四极子拓扑绝缘体中的位错态. 在具有非平庸相的声学四极子拓扑绝缘体中嵌入部分具有平庸相的晶格, 此时在由两种具有不同拓扑相晶格形成边界的角落处就会产生可以用1/2量化分数电荷表征的位错态. 通过在系统内部引入缺陷, 验证了此拓扑位错态的鲁棒性. 此外, 还证明了通过运用不同嵌入晶格的方式可以随意设计位错态的位置. 本工作中研究的拓扑位错态拓宽了人工结构中高阶拓扑物态的种类, 并为高阶拓扑绝缘体在声学中的应用(如声传感和高性能能量收集)提供了新的思路.
2024, 73(15): 154601.
doi: 10.7498/aps.73.20240689
摘要:
局域共振带隙和Bragg带隙可同时存在于超材料梁中, 利用两种带隙之间的相互耦合效应可以实现超宽耦合带隙设计, 在宽带减振领域极具应用潜力. 以往研究通常考虑单振子超材料梁的单阶耦合带隙设计, 因而只能实现单阶的超宽耦合带隙, 无法满足双目标或多目标频带的宽带减振需求. 为此, 本文开展了双振子超材料梁的双阶耦合带隙调控设计研究, 提出了一种实现双阶耦合宽带隙的设计方法, 分析了所设计双阶耦合带隙相比传统单阶耦合带隙的带宽优势, 并探究了双振子质量分配比对双阶耦合带隙总宽度的影响, 进一步设计出最优的质量分配比, 使得实现的双阶耦合带隙的总宽度最宽. 此外, 还采用谱元法研究了基于双阶耦合带隙设计的双振子超材料梁的减振特性, 通过与有限元法进行对比, 验证了谱元法的准确性, 研究表明基于双阶耦合带隙设计可以实现两个宽频带范围的高效减振.
局域共振带隙和Bragg带隙可同时存在于超材料梁中, 利用两种带隙之间的相互耦合效应可以实现超宽耦合带隙设计, 在宽带减振领域极具应用潜力. 以往研究通常考虑单振子超材料梁的单阶耦合带隙设计, 因而只能实现单阶的超宽耦合带隙, 无法满足双目标或多目标频带的宽带减振需求. 为此, 本文开展了双振子超材料梁的双阶耦合带隙调控设计研究, 提出了一种实现双阶耦合宽带隙的设计方法, 分析了所设计双阶耦合带隙相比传统单阶耦合带隙的带宽优势, 并探究了双振子质量分配比对双阶耦合带隙总宽度的影响, 进一步设计出最优的质量分配比, 使得实现的双阶耦合带隙的总宽度最宽. 此外, 还采用谱元法研究了基于双阶耦合带隙设计的双振子超材料梁的减振特性, 通过与有限元法进行对比, 验证了谱元法的准确性, 研究表明基于双阶耦合带隙设计可以实现两个宽频带范围的高效减振.
2024, 73(15): 154701.
doi: 10.7498/aps.73.20240474
摘要:
气泡减阻技术对于提高水下航行器推进效率, 降低航行过程中的综合能耗具有重要意义. 本文采用分子动力学方法研究了气-液两相Couette流在平行壁板纳米通道内的流动特性和气泡边界减阻特性, 分析了表面润湿性、壁面粗糙度和气体浓度对边界滑移速度和减阻效果的影响规律. 研究结果表明: 气泡减阻效果随边界滑移速度的增大而增强; 在气-液两相流动区域, 随着剪切速度的增大, 边界吸附气泡的横向变形和边界滑移速度增大, 边界气泡减阻效果增强. 固-气相互作用强度和气体浓度增大均导致气体原子在近壁面的富集现象增强, 提高了壁面上气泡的铺展特性, 从而增大了固-液界面滑移速度. 壁面粗糙度会改变气泡的铺展特性, 影响边界滑移速度, 进而改变流固界面减阻效果; 随着肋高的增大, 气体原子在肋条间凹槽中聚集, 肋条上表面气体原子吸附量减少, 导致固-液界面边界滑移速度减小, 并最终降低了减阻效果. 研究结果将对大型舰船和水下航行器边界减阻技术提供重要理论指导.
气泡减阻技术对于提高水下航行器推进效率, 降低航行过程中的综合能耗具有重要意义. 本文采用分子动力学方法研究了气-液两相Couette流在平行壁板纳米通道内的流动特性和气泡边界减阻特性, 分析了表面润湿性、壁面粗糙度和气体浓度对边界滑移速度和减阻效果的影响规律. 研究结果表明: 气泡减阻效果随边界滑移速度的增大而增强; 在气-液两相流动区域, 随着剪切速度的增大, 边界吸附气泡的横向变形和边界滑移速度增大, 边界气泡减阻效果增强. 固-气相互作用强度和气体浓度增大均导致气体原子在近壁面的富集现象增强, 提高了壁面上气泡的铺展特性, 从而增大了固-液界面滑移速度. 壁面粗糙度会改变气泡的铺展特性, 影响边界滑移速度, 进而改变流固界面减阻效果; 随着肋高的增大, 气体原子在肋条间凹槽中聚集, 肋条上表面气体原子吸附量减少, 导致固-液界面边界滑移速度减小, 并最终降低了减阻效果. 研究结果将对大型舰船和水下航行器边界减阻技术提供重要理论指导.
2024, 73(15): 155201.
doi: 10.7498/aps.73.20240599
摘要:
由于缺少大气和全球性磁场的保护, 空间等离子体环境可直接作用于月球表面的月壤层, 月壤中较小粒径的月尘带电后会在月面附近形成复杂的尘埃等离子体环境, 影响探月任务的顺利实施. 针对月球南极尘埃等离子体环境, 本文利用SPIS (spacecraft plasma interactions software)软件, 仿真研究了月球南极0—200 m高度范围的等离子体和月尘的空间分布情况及月面充电特性, 揭示了月面附近尘埃等离子体环境特征及悬浮在月面附近的带电月尘对等离子体环境的影响. 仿真结果与Apollo探测数据和Popel团队的理论数据吻合. 研究结果: 表明空间电位随着高度升高而增加, 月球南极附近0—10 m电位约为–40 V, 在100 m处空间电位约为–20 V; 在10 m以下高度范围内月尘密度为107.22—104.66 m–3; 月表附近尘埃等离子体中的电子密度为105.47 m–3, 离子密度为106.07 m –3, 并随着高度升高而增大; 带电月尘会影响月尘的空间分布, 主要是通过影响空间电场的分布, 进而导致电子分布差异, 对离子的影响不大.
由于缺少大气和全球性磁场的保护, 空间等离子体环境可直接作用于月球表面的月壤层, 月壤中较小粒径的月尘带电后会在月面附近形成复杂的尘埃等离子体环境, 影响探月任务的顺利实施. 针对月球南极尘埃等离子体环境, 本文利用SPIS (spacecraft plasma interactions software)软件, 仿真研究了月球南极0—200 m高度范围的等离子体和月尘的空间分布情况及月面充电特性, 揭示了月面附近尘埃等离子体环境特征及悬浮在月面附近的带电月尘对等离子体环境的影响. 仿真结果与Apollo探测数据和Popel团队的理论数据吻合. 研究结果: 表明空间电位随着高度升高而增加, 月球南极附近0—10 m电位约为–40 V, 在100 m处空间电位约为–20 V; 在10 m以下高度范围内月尘密度为107.22—104.66 m–3; 月表附近尘埃等离子体中的电子密度为105.47 m–3, 离子密度为106.07 m –3, 并随着高度升高而增大; 带电月尘会影响月尘的空间分布, 主要是通过影响空间电场的分布, 进而导致电子分布差异, 对离子的影响不大.
2024, 73(15): 156201.
doi: 10.7498/aps.73.20231701
摘要:
利用朗之万分子动力学, 数值研究了无序点钉扎衬底上二维胶体粒子系统的摩擦特性. 本文考虑了三种不同的模型胶体粒子系统, 每种系统中胶体粒子之间的相互作用均被模拟为两种不同力程的排斥势. 研究发现: 每种模型系统均存在两个最大静摩擦力(第一最大静摩擦力\begin{document}$ f_{{\text{c}}1}^{\text{d}} $\end{document} ![]()
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利用朗之万分子动力学, 数值研究了无序点钉扎衬底上二维胶体粒子系统的摩擦特性. 本文考虑了三种不同的模型胶体粒子系统, 每种系统中胶体粒子之间的相互作用均被模拟为两种不同力程的排斥势. 研究发现: 每种模型系统均存在两个最大静摩擦力(第一最大静摩擦力
2024, 73(15): 156401.
doi: 10.7498/aps.73.20240717
摘要:
高能强流重离子束入射到固体物质中, 沿飞行路径的离子能量沉积密度将改变宏观靶物质的温度和压强等, 并可能在高压高密条件下产生新的材料缺陷. 本文利用兰州重离子加速器装置HIRFL-CSR引出的能量为264 MeV/u 的Xe36+离子束, 入射到LiF晶体靶物质中, 在线测量了LiF的发射光谱, 观测到沿离子路径的晶体颜色变化. 通过解离方法取得了不同位置处的X射线衍射(X-ray Diffraction)与X射线光电子能谱结果, 显示在Xe离子的布拉格峰区域出现了LiF3 (LiF+F2)结构相, 讨论了新的结构缺陷的产生与重离子束能量沉积密度间可能的相关性. 这为离子束驱动的高能量密度物理的能量沉积过程提供了一定参考.
高能强流重离子束入射到固体物质中, 沿飞行路径的离子能量沉积密度将改变宏观靶物质的温度和压强等, 并可能在高压高密条件下产生新的材料缺陷. 本文利用兰州重离子加速器装置HIRFL-CSR引出的能量为264 MeV/u 的Xe36+离子束, 入射到LiF晶体靶物质中, 在线测量了LiF的发射光谱, 观测到沿离子路径的晶体颜色变化. 通过解离方法取得了不同位置处的X射线衍射(X-ray Diffraction)与X射线光电子能谱结果, 显示在Xe离子的布拉格峰区域出现了LiF3 (LiF+F2)结构相, 讨论了新的结构缺陷的产生与重离子束能量沉积密度间可能的相关性. 这为离子束驱动的高能量密度物理的能量沉积过程提供了一定参考.
2024, 73(15): 156801.
doi: 10.7498/aps.73.20240698
摘要:
在固体表面布置纳米结构是一种强化固-液界面传热的简单有效的方法. 但是, 当固-液界面相互作用较弱时, 由于纳米结构并不能被液体浸润, 纳米结构的存在反而会弱化固-液界面之间的传热, 而外电场的施加则可以解决这一问题. 本文基于分子动力学模拟的方法, 研究了纳米结构固-液界面在外电场作用下的传热特性. 通过在2块平行金属板布置数量相同的正负电荷, 产生垂直于板面的均匀电场, 并在下层金属板上布置了不同尺寸的纳米结构. 结果表明: 在外电场作用下, 纳米结构处会产生电润湿现象, 固-液界面的润湿状态能够从Cassie态变为Wenzel态, 界面处的Kapitza热阻长度明显减小, 因而热流密度显著增大; 当电荷量增至发生电冻结的临界值, 液态水会产生电冻结现象, 其热导率骤增至1.2 W/(m·K), 热流密度也随之发生骤增; 继续增加电场强度, 由于电冻结现象的发生, 固-液界面热阻则基本保持不变.
在固体表面布置纳米结构是一种强化固-液界面传热的简单有效的方法. 但是, 当固-液界面相互作用较弱时, 由于纳米结构并不能被液体浸润, 纳米结构的存在反而会弱化固-液界面之间的传热, 而外电场的施加则可以解决这一问题. 本文基于分子动力学模拟的方法, 研究了纳米结构固-液界面在外电场作用下的传热特性. 通过在2块平行金属板布置数量相同的正负电荷, 产生垂直于板面的均匀电场, 并在下层金属板上布置了不同尺寸的纳米结构. 结果表明: 在外电场作用下, 纳米结构处会产生电润湿现象, 固-液界面的润湿状态能够从Cassie态变为Wenzel态, 界面处的Kapitza热阻长度明显减小, 因而热流密度显著增大; 当电荷量增至发生电冻结的临界值, 液态水会产生电冻结现象, 其热导率骤增至1.2 W/(m·K), 热流密度也随之发生骤增; 继续增加电场强度, 由于电冻结现象的发生, 固-液界面热阻则基本保持不变.
2024, 73(15): 157101.
doi: 10.7498/aps.73.20240602
摘要:
锆合金的水侧腐蚀是核燃料棒包壳材料设计的关键问题之一. 包壳材料的耐腐蚀性能与锆合金氧化膜中t-ZrO2含量和t-m相变密切相关. 目前, Zr-Sn-Nb系合金是新型锆合金发展的主流方向. 合金元素Sn, Nb在氧化膜中可呈现多种价态, 显著影响ZrO2稳定性, 然而Sn, Nb对t-ZrO2含量和t-m相变的影响机制尚不明晰. 本文基于第一性原理计算了不同价态Sn, Nb掺杂ZrO2的晶体结构性质、形成焓和氧空位形成能, 从原子尺度揭示了Sn, Nb对ZrO2稳定性的影响机理. 研究表明Sn2+, Nb3+引起显著晶格膨胀; Sn4+则造成轻微晶格膨胀, 而Nb5+引起晶格收缩, 可见高氧化态下Nb比Sn更利于减小氧化膜的内应力. 低价合金元素降低ZrO2稳定性, 且会增大t, m相形成能差距; 高价的Nb5+, Sn4+均可提高t-ZrO2相对稳定性从而抑制t-m相变, 其中Nb5+效果显著, Sn4+则作用微弱. 0—3.5 GPa范围内, t-ZrO2相对稳定性随压力增大而增强. 合金元素的低价态比高价态更利于在t-ZrO2中形成氧空位, 因而在氧化膜/金属界面附近低氧化态区域, 低价元素和压应力是稳定t-ZrO2的主要因素. 通过电子结构分析, 发现氧空位形成能与合金元素离子和氧空位间的电荷转移幅度(或电子局域化程度)呈正相关. 这些结果有助于针对锆合金耐腐蚀性的成分优化和结构设计 .
锆合金的水侧腐蚀是核燃料棒包壳材料设计的关键问题之一. 包壳材料的耐腐蚀性能与锆合金氧化膜中t-ZrO2含量和t-m相变密切相关. 目前, Zr-Sn-Nb系合金是新型锆合金发展的主流方向. 合金元素Sn, Nb在氧化膜中可呈现多种价态, 显著影响ZrO2稳定性, 然而Sn, Nb对t-ZrO2含量和t-m相变的影响机制尚不明晰. 本文基于第一性原理计算了不同价态Sn, Nb掺杂ZrO2的晶体结构性质、形成焓和氧空位形成能, 从原子尺度揭示了Sn, Nb对ZrO2稳定性的影响机理. 研究表明Sn2+, Nb3+引起显著晶格膨胀; Sn4+则造成轻微晶格膨胀, 而Nb5+引起晶格收缩, 可见高氧化态下Nb比Sn更利于减小氧化膜的内应力. 低价合金元素降低ZrO2稳定性, 且会增大t, m相形成能差距; 高价的Nb5+, Sn4+均可提高t-ZrO2相对稳定性从而抑制t-m相变, 其中Nb5+效果显著, Sn4+则作用微弱. 0—3.5 GPa范围内, t-ZrO2相对稳定性随压力增大而增强. 合金元素的低价态比高价态更利于在t-ZrO2中形成氧空位, 因而在氧化膜/金属界面附近低氧化态区域, 低价元素和压应力是稳定t-ZrO2的主要因素. 通过电子结构分析, 发现氧空位形成能与合金元素离子和氧空位间的电荷转移幅度(或电子局域化程度)呈正相关. 这些结果有助于针对锆合金耐腐蚀性的成分优化和结构设计 .
2024, 73(15): 157102.
doi: 10.7498/aps.73.20240630
摘要:
β-Ga2O3具有超宽带隙(约4.9 eV)、高的击穿电场(约8 MV/cm)、良好的化学稳定性和热稳定性等优点, 是一种很有前途的制备紫外光电探测器的候选材料. 由于未掺杂的β-Ga2O3为n型导电, 所以制备p型β-Ga2O3面临很多困难, 从而制约了同质PN结的开发与应用. 聚(3, 4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)是一种p型导电聚合物, 在250—700 nm有着较高的透明度, 采用p型有机材料PEDOT:PSS和n型β-Ga2O3构成的异质结可能为PN结型光电器件的研制提供一种途径. 本文利用机械剥离法从β-Ga2O3单晶衬底上剥离出单根β-Ga2O3微米片, 微米片的长度为4 mm, 宽度为500 μm, 厚度为57 μm. 将有机材料PEDOT:PSS涂覆在剥离出来的微米片的一侧制备出PEDOT:PSS/β-Ga2O3无机-有机异质结的紫外光电探测器, 器件表现出典型的整流特性, 而且发现器件对254 nm紫外光敏感, 具有良好的自供电性能. 该异质结紫外探测器的响应度和外量子效率分别为7.13 A/W和3484%, 上升时间和下降时间分别为0.25 s和0.20 s. 此外, 3个月后器件对254 nm紫外光的探测性能并未发现明显的衰减现象. 本文的相关研究工作将对研发新型紫外探测器提供了新的思路和理论基础.
β-Ga2O3具有超宽带隙(约4.9 eV)、高的击穿电场(约8 MV/cm)、良好的化学稳定性和热稳定性等优点, 是一种很有前途的制备紫外光电探测器的候选材料. 由于未掺杂的β-Ga2O3为n型导电, 所以制备p型β-Ga2O3面临很多困难, 从而制约了同质PN结的开发与应用. 聚(3, 4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)是一种p型导电聚合物, 在250—700 nm有着较高的透明度, 采用p型有机材料PEDOT:PSS和n型β-Ga2O3构成的异质结可能为PN结型光电器件的研制提供一种途径. 本文利用机械剥离法从β-Ga2O3单晶衬底上剥离出单根β-Ga2O3微米片, 微米片的长度为4 mm, 宽度为500 μm, 厚度为57 μm. 将有机材料PEDOT:PSS涂覆在剥离出来的微米片的一侧制备出PEDOT:PSS/β-Ga2O3无机-有机异质结的紫外光电探测器, 器件表现出典型的整流特性, 而且发现器件对254 nm紫外光敏感, 具有良好的自供电性能. 该异质结紫外探测器的响应度和外量子效率分别为7.13 A/W和3484%, 上升时间和下降时间分别为0.25 s和0.20 s. 此外, 3个月后器件对254 nm紫外光的探测性能并未发现明显的衰减现象. 本文的相关研究工作将对研发新型紫外探测器提供了新的思路和理论基础.
2024, 73(15): 157301.
doi: 10.7498/aps.73.20240572
摘要:
通过引入n+阳极在体内集成续流二极管的逆导型横向绝缘栅双极晶体管(reverse-conducting lateral insulated gate bipolar transistor, RC-LIGBT)可以实现反向导通, 并且优化器件的关断特性, 是功率集成电路中一个有竞争力的器件. 本文提出了一种新型载流子积累的RC-LIGBT, 它具有电子控制栅(electron-controlled gate, EG)和分离短路阳极(separated short-anode, SSA), 可以同时实现较低的导通压降和关断损耗. 在正向导通状态, 漂移区上方的EG结构可以在漂移区的表面积累一个高密度的电子层, 从而大大地降低器件的导通压降. 同时, SSA结构的使用还极大优化了器件的关断损耗. 另外, 低掺杂p型漂移区与SSA结构配合, 可以简单地实现反向导通并且消除回吸电压. 仿真结果表明, 所提出的器件具有优秀的导通压降与关断损耗之间的折衷关系, 其导通压降为1.16 V, 比SSA LIGBT低55%, 其关断损耗为0.099 mJ/cm2, 比SSA LIGBT和常规LIGBT分别低38.5%和94.7%.
通过引入n+阳极在体内集成续流二极管的逆导型横向绝缘栅双极晶体管(reverse-conducting lateral insulated gate bipolar transistor, RC-LIGBT)可以实现反向导通, 并且优化器件的关断特性, 是功率集成电路中一个有竞争力的器件. 本文提出了一种新型载流子积累的RC-LIGBT, 它具有电子控制栅(electron-controlled gate, EG)和分离短路阳极(separated short-anode, SSA), 可以同时实现较低的导通压降和关断损耗. 在正向导通状态, 漂移区上方的EG结构可以在漂移区的表面积累一个高密度的电子层, 从而大大地降低器件的导通压降. 同时, SSA结构的使用还极大优化了器件的关断损耗. 另外, 低掺杂p型漂移区与SSA结构配合, 可以简单地实现反向导通并且消除回吸电压. 仿真结果表明, 所提出的器件具有优秀的导通压降与关断损耗之间的折衷关系, 其导通压降为1.16 V, 比SSA LIGBT低55%, 其关断损耗为0.099 mJ/cm2, 比SSA LIGBT和常规LIGBT分别低38.5%和94.7%.
2024, 73(15): 157801.
doi: 10.7498/aps.73.20240688
摘要:
基于反射差分谱原理搭建了适用于二维材料和微纳器件的偏振调制扫描光学显微镜系统, 可以实现对于材料或者器件的微米级区域进行反射差分显微成像的研究. 通过研究两种典型的二维层状材料MoS2和ReSe2的反射差分显微成像, 发现相比于传统的反射显微镜, 我们搭建的偏振调制扫描光学显微镜对于二维材料的层数特征更敏感, 且可以用来表征二维材料的平面光学各向异性. 相关研究有助于更进一步理解层状二维材料的层数特征和各向异性性质.
基于反射差分谱原理搭建了适用于二维材料和微纳器件的偏振调制扫描光学显微镜系统, 可以实现对于材料或者器件的微米级区域进行反射差分显微成像的研究. 通过研究两种典型的二维层状材料MoS2和ReSe2的反射差分显微成像, 发现相比于传统的反射显微镜, 我们搭建的偏振调制扫描光学显微镜对于二维材料的层数特征更敏感, 且可以用来表征二维材料的平面光学各向异性. 相关研究有助于更进一步理解层状二维材料的层数特征和各向异性性质.
2024, 73(15): 157802.
doi: 10.7498/aps.73.20240668
摘要:
介绍了一种新型石墨烯太赫兹结构, 其周期单元包括一条长石墨烯单层带和两条短石墨烯单层带. 通过短石墨烯带所激发的明模式与长石墨烯带所激发的暗模式的相消干涉, 该结构产生了等离激元诱导透明效应. 利用耦合模理论推导了此效应的产生机理, 所得结果与时域有限差分方法的仿真值高度一致. 该结构除了具有外部动态可调性之外, 还具有十分出色的传感性能, 最大灵敏度和品质因子分别可达1.457 THz/RIU和30.5652. 此外, 提高结构中石墨烯的费米能级和载流子迁移率有助于增强慢光效应, 其中载流子迁移率的增强效果尤为明显. 当载流子迁移率从0.75 m2/(V⋅s)提高到2.0 m2/(V⋅s)时, 结构的群折射率从456增至1010. 本研究可为太赫兹波段传感器件和慢光器件的发展提供理论和概念框架.
介绍了一种新型石墨烯太赫兹结构, 其周期单元包括一条长石墨烯单层带和两条短石墨烯单层带. 通过短石墨烯带所激发的明模式与长石墨烯带所激发的暗模式的相消干涉, 该结构产生了等离激元诱导透明效应. 利用耦合模理论推导了此效应的产生机理, 所得结果与时域有限差分方法的仿真值高度一致. 该结构除了具有外部动态可调性之外, 还具有十分出色的传感性能, 最大灵敏度和品质因子分别可达1.457 THz/RIU和30.5652. 此外, 提高结构中石墨烯的费米能级和载流子迁移率有助于增强慢光效应, 其中载流子迁移率的增强效果尤为明显. 当载流子迁移率从0.75 m2/(V⋅s)提高到2.0 m2/(V⋅s)时, 结构的群折射率从456增至1010. 本研究可为太赫兹波段传感器件和慢光器件的发展提供理论和概念框架.
2024, 73(15): 157803.
doi: 10.7498/aps.73.20240663
摘要:
以Cr3+为激活剂的荧光粉被认为是目前最有可能实现商业化的近红外材料. 但目前这类荧光粉的发射波长一般位于小于850 nm的近红外一区, 以Cr3+为激活剂实现近红外二区发射仍然具有挑战. 本文采用普适的固相法制备了一系列Na3Y1–x Si3O9:x Cr3+硅酸盐荧光粉, 利用Na3YSi3O9硅酸盐属性及结构中多种适于Cr3+占据的八面体位点有效红移并展宽光谱. 对样品的物相、晶体结构、微观形貌、光致发光、主发射峰衰减和热稳定性等进行了系统研究. 结果显示, 所制样品均为纯相, 形貌不均匀略有团聚, 尺寸在微米量级. Cr3+在Na3YSi3O9晶格中位于弱晶体场环境, 八面体晶体场参数Dq和Racah参数B的比值Dq/B = 2.29. 在485 nm蓝光激发下Na3Y1–x Si3O9:x Cr3+荧光粉最强发射峰位于984 nm处(NIR II区), 长于大多数Cr3+激活的荧光粉. 且得益于Cr3+在晶格中的多格位占据, 发射光谱的半峰宽高达183 nm. Na3Y1–x Si3O9:x Cr3+中最佳掺杂浓度为3%, 猝灭机理为Cr3+离子间的偶极-偶极作用. Na3Y1–x Si3O9:x Cr3+主发射峰荧光衰减动力学分析表明室温荧光寿命约为37.95 μs, 且随着掺杂浓度增大及温度升高(至423 K)逐渐降低.
以Cr3+为激活剂的荧光粉被认为是目前最有可能实现商业化的近红外材料. 但目前这类荧光粉的发射波长一般位于小于850 nm的近红外一区, 以Cr3+为激活剂实现近红外二区发射仍然具有挑战. 本文采用普适的固相法制备了一系列Na3Y1–x Si3O9:x Cr3+硅酸盐荧光粉, 利用Na3YSi3O9硅酸盐属性及结构中多种适于Cr3+占据的八面体位点有效红移并展宽光谱. 对样品的物相、晶体结构、微观形貌、光致发光、主发射峰衰减和热稳定性等进行了系统研究. 结果显示, 所制样品均为纯相, 形貌不均匀略有团聚, 尺寸在微米量级. Cr3+在Na3YSi3O9晶格中位于弱晶体场环境, 八面体晶体场参数Dq和Racah参数B的比值Dq/B = 2.29. 在485 nm蓝光激发下Na3Y1–x Si3O9:x Cr3+荧光粉最强发射峰位于984 nm处(NIR II区), 长于大多数Cr3+激活的荧光粉. 且得益于Cr3+在晶格中的多格位占据, 发射光谱的半峰宽高达183 nm. Na3Y1–x Si3O9:x Cr3+中最佳掺杂浓度为3%, 猝灭机理为Cr3+离子间的偶极-偶极作用. Na3Y1–x Si3O9:x Cr3+主发射峰荧光衰减动力学分析表明室温荧光寿命约为37.95 μs, 且随着掺杂浓度增大及温度升高(至423 K)逐渐降低.
2024, 73(15): 157902.
doi: 10.7498/aps.73.20240577
摘要:
基于第一性原理和蒙特卡罗模拟方法, 系统地研究了氧化铝晶体内部O空位缺陷和Al空位缺陷对二次电子发射特性的影响. 密度泛函计算结果表明, 空位缺陷会导致能带结构发生改变, 其中Al空位缺陷的存在使得禁带宽度变窄, 费米能级降低至价带内部. 在此基础之上, 获得了不同晶体结构下的弹性和非弹性平均自由程. 氧化铝中存在Al空位缺陷时的弹性平均自由程最大, 而存在O空位缺陷时的非弹性平均自由程最大. 为了分析不同缺陷浓度下的二次电子发射特性, 对已有蒙特卡罗模拟算法进一步优化. 模拟结果表明, 随着O空位和Al空位缺陷占比的增加, 最大二次电子发射系数随之而下降. 相比于Al空位缺陷, 相同缺陷占比下O空位缺陷导致二次电子发射系数降低更多.
基于第一性原理和蒙特卡罗模拟方法, 系统地研究了氧化铝晶体内部O空位缺陷和Al空位缺陷对二次电子发射特性的影响. 密度泛函计算结果表明, 空位缺陷会导致能带结构发生改变, 其中Al空位缺陷的存在使得禁带宽度变窄, 费米能级降低至价带内部. 在此基础之上, 获得了不同晶体结构下的弹性和非弹性平均自由程. 氧化铝中存在Al空位缺陷时的弹性平均自由程最大, 而存在O空位缺陷时的非弹性平均自由程最大. 为了分析不同缺陷浓度下的二次电子发射特性, 对已有蒙特卡罗模拟算法进一步优化. 模拟结果表明, 随着O空位和Al空位缺陷占比的增加, 最大二次电子发射系数随之而下降. 相比于Al空位缺陷, 相同缺陷占比下O空位缺陷导致二次电子发射系数降低更多.
2024, 73(15): 158201.
doi: 10.7498/aps.73.20231753
摘要:
常见的柱状电极模型中, 在轴向方向一般采用无限长假设广义平面应变分析方法, 本文考虑恒流充电下有限柱形电极模型, 基于力-化耦合一般方程, 推导出位移与扩散诱导应力解析解. 有限柱体电极中浓度分布由仅考虑径向扩散和仅考虑轴向扩散两部分叠加求解. 将浓度函数代入力学方程, 使用Boussinesq-Papkovich函数得到应力分量解析解. 计算了表面自由柱状电极中浓度和应力场, 并将其结果与有限元软件计算的结果进行对比计算. 结果表明, 理论解和数值解中浓度分布一致, 应力分量趋势一致数值相差较小, 在荷电状态为17.9%时径向应力在中心处相对误差最大约为4%. 本文分析了不同长径比柱状电极中径向和轴向单向扩散对应力场的影响, 结果表明, 随着长径比的增大, 轴向扩散对浓度分布影响下降, 径向扩散对应力场影响上升.
常见的柱状电极模型中, 在轴向方向一般采用无限长假设广义平面应变分析方法, 本文考虑恒流充电下有限柱形电极模型, 基于力-化耦合一般方程, 推导出位移与扩散诱导应力解析解. 有限柱体电极中浓度分布由仅考虑径向扩散和仅考虑轴向扩散两部分叠加求解. 将浓度函数代入力学方程, 使用Boussinesq-Papkovich函数得到应力分量解析解. 计算了表面自由柱状电极中浓度和应力场, 并将其结果与有限元软件计算的结果进行对比计算. 结果表明, 理论解和数值解中浓度分布一致, 应力分量趋势一致数值相差较小, 在荷电状态为17.9%时径向应力在中心处相对误差最大约为4%. 本文分析了不同长径比柱状电极中径向和轴向单向扩散对应力场的影响, 结果表明, 随着长径比的增大, 轴向扩散对浓度分布影响下降, 径向扩散对应力场影响上升.
2024, 73(15): 158202.
doi: 10.7498/aps.73.20240650
摘要:
活性物质是典型的非平衡态系统, 其组成单元能够利用自身存储的能量或者周围环境的能量实现自驱动. 在活性系统中, 物体间的受力情况直接影响其结构和动力学行为, 因此深入了解物体间的有效作用力是理解活性物质一切复杂现象的基础. 本文通过光镊显微镜实验分别研究了活性大肠杆菌溶液中惰性球形聚苯乙烯胶体粒子间和板状粒子间的有效作用力, 发现球形粒子间有效作用力的性质一直是短程排斥力, 而板状粒子间的有效作用力则为长程吸引力, 这说明惰性粒子间的有效作用力受粒子形状的影响. 惰性粒子间的有效作用力主要来源于两部分的贡献, 即细菌-惰性粒子间的直接碰撞, 以及细菌运动产生的流场. 在实验上通过对比粒子之间、粒子外侧细菌的浓度和取向有序性发现, 球形粒子间的有效排斥力主要来源于细菌-粒子的直接碰撞, 而板状粒子间的长程吸引力则主要源于细菌流场的贡献. 本文通过光镊显微镜实验证明了惰性粒子间的有效作用力与惰性粒子的几何构型有关, 为调控活性物质中的动态自组装提供了实验支撑.
活性物质是典型的非平衡态系统, 其组成单元能够利用自身存储的能量或者周围环境的能量实现自驱动. 在活性系统中, 物体间的受力情况直接影响其结构和动力学行为, 因此深入了解物体间的有效作用力是理解活性物质一切复杂现象的基础. 本文通过光镊显微镜实验分别研究了活性大肠杆菌溶液中惰性球形聚苯乙烯胶体粒子间和板状粒子间的有效作用力, 发现球形粒子间有效作用力的性质一直是短程排斥力, 而板状粒子间的有效作用力则为长程吸引力, 这说明惰性粒子间的有效作用力受粒子形状的影响. 惰性粒子间的有效作用力主要来源于两部分的贡献, 即细菌-惰性粒子间的直接碰撞, 以及细菌运动产生的流场. 在实验上通过对比粒子之间、粒子外侧细菌的浓度和取向有序性发现, 球形粒子间的有效排斥力主要来源于细菌-粒子的直接碰撞, 而板状粒子间的长程吸引力则主要源于细菌流场的贡献. 本文通过光镊显微镜实验证明了惰性粒子间的有效作用力与惰性粒子的几何构型有关, 为调控活性物质中的动态自组装提供了实验支撑.
2024, 73(15): 158401.
doi: 10.7498/aps.73.20240561
摘要:
宽带隙钙钛矿与晶硅电池结合制备叠层太阳电池, 其效率可以超越单结太阳电池的理论极限. 然而, 宽带隙钙钛矿薄膜结晶速率快, 导致薄膜结晶质量差且具有大量缺陷, 严重降低电池的光电转换性能. 本文采用温和的气淬法制备宽带隙钙钛矿薄膜, 并引入丙胺盐酸盐作为添加剂改善钙钛矿薄膜的结晶质量. 丙胺阳离子与钙钛矿组分相互作用生成了二维钙钛矿相, 钙钛矿以二维相作为生长模板降低了α相钙钛矿的形成能, 同时辅助钙钛矿均匀成核和择优取向生长, 增大了晶粒尺寸. 使用该策略制备的带隙为1.68 eV的钙钛矿太阳电池实现了21.48%的光电转换效率. 此外, 制备的8 cm×8 cm的宽带隙钙钛矿薄膜具有良好的均匀性. 本工作为高效、大面积钙钛矿基的光伏器件的制备工艺提供了新的策略.
宽带隙钙钛矿与晶硅电池结合制备叠层太阳电池, 其效率可以超越单结太阳电池的理论极限. 然而, 宽带隙钙钛矿薄膜结晶速率快, 导致薄膜结晶质量差且具有大量缺陷, 严重降低电池的光电转换性能. 本文采用温和的气淬法制备宽带隙钙钛矿薄膜, 并引入丙胺盐酸盐作为添加剂改善钙钛矿薄膜的结晶质量. 丙胺阳离子与钙钛矿组分相互作用生成了二维钙钛矿相, 钙钛矿以二维相作为生长模板降低了α相钙钛矿的形成能, 同时辅助钙钛矿均匀成核和择优取向生长, 增大了晶粒尺寸. 使用该策略制备的带隙为1.68 eV的钙钛矿太阳电池实现了21.48%的光电转换效率. 此外, 制备的8 cm×8 cm的宽带隙钙钛矿薄膜具有良好的均匀性. 本工作为高效、大面积钙钛矿基的光伏器件的制备工艺提供了新的策略.
