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2021, 70 (10): 100703.
doi: 10.7498/aps.70.20210023
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柔性压阻式压力传感器作为柔性压力传感器的重要分支, 具有结构简单、灵敏度高、工作范围大、响应速度快及稳定性高等特点, 在人类运动行为探测、健康监测、仿生电子皮肤开发及人机交互等领域均具有潜在发展需求. 但是截至目前, 如何同时实现低成本、高性能、低能耗和自驱动仍旧是柔性压阻式压力传感器未来所面临的挑战, 而新型传感机制的开发、新型功能化纳米材料的融合及柔性器件的新型制备工艺将是未来发展的方向. 本文综述了近年来柔性压阻式压力传感器的研究进展, 从传感机制出发, 对柔性压阻式压力传感器的活性层材料种类和微结构设计类型进行了总结, 最后对其未来的潜在应用进行了展望.
2021, 70 (1): 010501.
doi: 10.7498/aps.70.20200899
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为提高混沌时间序列的预测精度, 提出一种基于混合神经网络和注意力机制的预测模型(Att-CNN-LSTM), 首先对混沌时间序列进行相空间重构和数据归一化, 然后利用卷积神经网络(CNN)对时间序列的重构相空间进行空间特征提取, 再将CNN提取的特征和原时间序列组合, 用长短期记忆网络(LSTM)根据空间特征提取时间特征, 最后通过注意力机制捕获时间序列的关键时空特征, 给出最终预测结果. 将该模型对Logistic, Lorenz和太阳黑子混沌时间序列进行预测实验, 并与未引入注意力机制的CNN-LSTM模型、单一的CNN和LSTM网络模型、以及传统的机器学习算法最小二乘支持向量机(LSSVM)的预测性能进行比较. 实验结果显示本文提出的预测模型预测误差低于其他模型, 预测精度更高.
2021, 70 (24): 244303.
doi: 10.7498/aps.70.20211729
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6G无线网络预计在未来提供全球覆盖、高频谱效率、低成本、高安全性、更高智能水平的服务, 为人类社会打造一个无处不在的智能移动网络. 太赫兹无线通信具有高数据传输速率、低延时和抗干扰等特点, 有望在6G技术中得到广泛的应用. 本文主要介绍了6G技术的规划愿景、发展现状及其关键技术, 分析了太赫兹器件、信道、通信系统以及6G技术可能的发展趋势.
2021, 70 (3): 034101.
doi: 10.7498/aps.70.20200937
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磁偶极子理论在缺陷漏磁场解释中被成功广泛使用. 由于磁荷密度等参数不易定量, 磁偶极子理论在应用中常常进行归一化处理, 被认为不适用于对应力相关的磁记忆信号做量化分析. 本文通过建立力磁耦合型磁偶极子理论模型, 以适用于分析磁记忆检测中应力对磁信号的影响. 基于铁磁学理论确定应力和磁场联合作用下的等效场强度, 基于弱磁化状态的一阶近似, 获得了各向同性铁磁材料微弱环境磁场下的应力磁化解析解. 结合磁信号二维问题中矩形和V形磁荷分布假定, 建立了光滑与破坏试件表面磁信号、矩形和V形表面缺陷所诱导磁信号的力磁耦合型磁偶极子理论分析模型, 并获得其解析解. 基于力磁耦合型磁偶极子理论的解析解, 对拉伸实验中试件破坏前后的信号差异、矩形和V形表面缺陷诱导磁信号, 以及磁信号的影响因素和规律等进行了详细分析. 理论研究表明, 基于本文理论模型的解析解可实现对磁记忆检测中的一些基本实验现象和规律的解释.
2021, 70 (9): 095210.
doi: 10.7498/aps.70.20201676
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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): 095203.
doi: 10.7498/aps.70.20202233
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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 (1): 018502.
doi: 10.7498/aps.70.20202131
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超导现象是一种宏观量子现象. 磁通量子化和约瑟夫森效应是两个最能体现这种宏观量子特性的物理现象. 超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)是利用这两个特性而形成的超导器件. SQUID器件在磁信号灵敏探测方面具有广泛的应用. 本文简要介绍低温超导和高温超导SQUID器件的相关背景和发展现状以及应用领域.
2021, 70 (2): 026802.
doi: 10.7498/aps.70.20201398
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近年来, 二维层状材料由于其丰富的材料体系和独特的物理化学性质而受到人们的广泛关注. 后摩尔时代要求器件高度集成化, 大面积、高质量的二维材料可以保证器件中结构和电子性能的连续性. 要实现二维材料工业级别的规模化生产, 样品的可控制备是其前提. 化学气相沉积是满足上述要求的一种强有力的方法, 已广泛应用于二维材料及其复合结构的生长制备. 但是要实现多种二维材料大尺寸以至晶圆级的批量制备仍然是很困难的, 因此, 需要进一步建立对各种二维材料生长控制的系统认识. 本文基于材料生长机理分析了化学气相沉积反应中的物质运输、成核、产物生长过程对二维材料尺寸的影响, 以及如何通过调控这些过程实现二维材料大面积薄膜的可控制备. 通过对目前研究成果的总结分析, 讨论了如何进一步实现二维材料的高质量大面积制备.
2021, 70 (21): 216401.
doi: 10.7498/aps.70.20210979
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复杂网络中节点重要性的评估是网络特性研究中的一项重要课题, 相关研究具有广泛的应用. 目前提出了许多方法来评估网络中节点的重要性, 然而大多数方法都存在评估角度片面或者时间复杂度过高的不足. 为了突破现有方法的局限性, 本文提出了一种基于Tsallis熵的复杂网络节点重要性评估方法. 该方法兼顾节点的局部和全局拓扑信息, 综合考察节点的结构洞特征和K壳中心性, 并充分考虑节点及其邻域节点的影响. 为了验证该方法的有效性, 本文采用单调性指标、SIR模型和Kendall相关系数作为评价标准, 在8个来自不同领域的真实网络上与其他方法进行比较. 实验结果表明, 此方法能更有效和准确地评估网络节点的重要性, 可以显著区分不同节点的重要性. 此外, 该方法的时间复杂度仅为$ O({n^2}) $ , 适用于大型复杂网络.
2021, 70 (23): 230302.
doi: 10.7498/aps.70.20211255
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近年来, 图像加密技术备受关注. 随着人们对通信隐私及网络安全重视程度的提高, 对信息加密技术的要求更加严格, 图像作为信息的载体之一, 因携带信息的有效性和生动性而受到重视. 本文提出一种基于DNA编码与交替量子随机行走的彩色图像加密算法. 量子随机行走作为出色的密码学工具参与算法流程中各个部分, DNA编码作为核心加密方式完成算法. 本文详细描述加密、解密流程, 并对所提出算法进行仿真实验验证与结果分析. 仿真阶段设计模拟密钥参数, 编码进行彩色图像加密、解密实验, 并进行了相关分析. 实验结果表明, 本文提出的彩色图像加密算法能够进行安全有效的彩色图像加密, 且相关分析表示其加密后图像直方图平稳、像素相关性系数趋近于0、密钥空间${2^{ 128}} $ , 三通道信息熵达到7.997以上, 能够抵御统计攻击、穷举攻击等攻击手段. 此外, DNA编码除新颖的编码及运算方式之外还有其独特的生物学特性, 为密码学的研究提供了新的思路与方向.
2021, 70 (6): 068101.
doi: 10.7498/aps.70.20201917
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原子级加工制造是实现半导体晶圆原子尺度超光滑表面的有效途径. 作为大尺寸高精密功能材料的原子级表面制造的重要加工手段之一, 化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)凭借化学腐蚀和机械磨削的耦合协同作用, 成为实现先进材料或器件超光滑无损伤表面平坦化加工的关键技术, 在航空、航天、微电子等众多领域得到了广泛应用. 然而, 为了实现原子层级超滑表面的制备, CMP工艺中常采用的化学腐蚀和机械磨削方法需要使用具有强烈腐蚀性和高毒性的危险化学品, 对生态系统产生了不可逆转的危害. 因此, 本文以绿色环保高性能抛光液作为对象, 对加工原子量级表面所采用的化学添加剂进行分类总结, 详尽分析在CMP过程中化学添加剂对材料表面性质调制的作用机理, 为在原子级尺度下改善表面性质提供可参考的依据. 最后, 提出了CMP抛光液在原子级加工研究中面临的挑战, 并对未来抛光液发展方向作出了展望, 这对原子尺度表面精度的进一步提升具有深远的现实意义.
2021, 70 (1): 018501.
doi: 10.7498/aps.70.20202121
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超导体的发现距今已有近110年了, 高温超导体的发现也已经有30多年了. 超导材料的电子学应用在最近一二十年取得了突破性进展. 高温超导微波器件显示了比传统微波器件更优越的性能, 已经在移动通信、雷达和一些特殊通信系统中取得了规模化应用. 超导量子干涉器件以其磁场和电流测量的超高灵敏度, 成为地质勘探、磁共振成像和生物磁成像等领域不可替代的手段. 包括超导隧道结混频器、超导热电子混频器、超导转变沿探测器及超导单光子探测器等在内的超导传感器/探测器可以探测全波段的电磁波及各种宇宙辐射, 具有接近量子极限的超高灵敏度, 在地球物理、天体物理、量子信息技术、材料科学及生物医学等众多前沿领域发挥越来越重要的作用. 超导参量放大器已经成为实现超导量子计算的关键器件. 超导集成电路技术已被列入国际器件与系统技术路线图, 成为后摩尔时代微电子领域的前沿阵地之一. 在计量科学中, 超导约瑟夫森效应及约瑟夫森结阵器件被广泛应用于量子电压基准和国际单位制基本单位的重新定义中. 在当前的量子信息技术热潮中, 超导电子学扮演重要角色, 同时量子热潮也大力推动了超导电子学的发展. 本文主要对近几年我国超导电子学研究和应用的现状与进展进行概括总结.
2021, 70 (16): 160702.
doi: 10.7498/aps.70.20210685
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基于石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)的气体传感技术具有系统体积小、成本低、环境适应性强等优点, 是目前一种重要的光谱式痕量气体检测方法. 探测灵敏度是传感器系统的重要指标, 关系到能否满足实际应用, 因此, 本文从提高QEPAS传感系统灵敏度的角度出发, 总结了常见的技术手段, 包括采用高功率激发光源增大激发强度、采用与分子基频/强吸收带相匹配的激光源来增大吸收强度、采用声波共振腔增大音叉处的声波强度、采用低共振频率石英音叉提高能量积累时间、采用多光程来增大光与气体的相互作用长度等方法, 并对其优缺点分别进行了阐述. 针对工程应用问题, 本文主要讨论了全光纤化和传感系统小型化, 并以载人航天领域的应用为例进行了例证. 最后, 对进一步提高QEPAS传感技术灵敏度的方法进行了展望.
2021, 70 (10): 106801.
doi: 10.7498/aps.70.20201918
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液滴撞击超亲水表面铺展之后形成的薄液膜铺展直径是喷雾冷却、降膜蒸发等传热传质过程的一项关键控制参数. 以往模型在预测超亲水表面惯性力驱动下的最大铺展直径时, 存在低韦伯数下呈反常趋势、高韦伯数下预测值偏低等问题. 针对上述问题, 本文采用高速摄像技术研究液滴撞击过程中的铺展水力学特性, 发现了以往模型未完全考虑超亲水表面的铺展特性: 球冠状液膜、高黏性阻力及重力势能做功. 本文考虑了液膜球冠形态、重力势能、辅助耗散, 修正了以往最大铺展直径的预测模型, 并建立了适用于超亲水表面最大铺展直径的预测模型. 通过对铺展过程中各能量成分分析发现, 在超亲水表面上动能、表面能、重力势能均转化为黏性耗散能, 其中: 在低韦伯数下, 表面能转化为黏性耗散能占主要作用; 在高韦伯数下, 动能转化为黏性耗散能占主要作用. 并且, 在低韦伯数下, 重力势能和辅助耗散的引入对于准确预测超亲水表面最大铺展直径具有重要作用. 将模型预测结果与实验结果比较发现, 本模型成功消除了以往模型在低韦伯数下的反常趋势, 且能较好预测宽韦伯数范围下超亲水表面最大铺展直径. 同时, 本模型可以预测亲水和疏水固体表面的液滴最大铺展直径. 超亲水表面最大铺展直径的准确预测模型的提出对喷雾冷却, 降膜蒸发中提高和控制流体铺展距离和传热效率具有重要意义.
2021, 70 (4): 040201.
doi: 10.7498/aps.70.20201520
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利用激光诱导击穿光谱技术结合机器学习算法, 对东北5个产地(大兴安岭、集安、恒仁、石柱、抚松)的人参进行产地识别, 建立了主成分分析算法分别结合反向传播(BP)神经网络和支持向量机算法的人参产地识别模型. 实验采集了5个产地人参共657组在200—975 nm的激光诱导击穿光谱, 经光谱数据预处理后, 对C, Mg, Ca, Fe, H, N, O等元素的8条特征谱线进行主成分分析, 原光谱数据的前3个主成分累积贡献率达到92.50%, 且样品在主成分空间中呈现良好的聚集分类. 降维后的前3个主成分以2∶1进行随机抽取, 分别作为分类算法的训练集和测试集. 实验结果表明主成分分析结合BP神经网络及支持向量机的平均识别率分别为99.08%和99.5%. 发生误判的原因是集安和石柱两地地理环境的接近而导致的H, O两元素在Ca元素离子发射谱线下的归一化强度相似. 本研究为激光诱导击穿光谱技术在人参产地的快速识别提供了方法和参考.
2021, 70 (12): 127801.
doi: 10.7498/aps.70.20202146
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以石墨烯和二硫化钼为代表的二维材料, 由于具有良好的电学、热学、光学以及力学性质, 近年来成为了科学界一大研究热点. 而作为二维材料的分支, 二维磁性材料由于具有磁各向异性、单层磁有序等特殊性质, 特别是磁性还可借助多种物理场进行调控, 使其具有丰富的物理特性和潜在的应用价值, 逐渐受到研究者的普遍关注. 本文详细总结了二维磁性材料的种类类型、合成方法、基本特性以及表征手段, 系统归纳了关于二维磁性材料物性调控方面的研究工作, 并对二维磁性材料的未来研究方向和挑战进行简单的展望.
2021, 70 (5): 054702.
doi: 10.7498/aps.70.20201384
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为了研究液体横向射流在气膜作用下的破碎过程, 采用背景光成像技术及VOF TO DPM方法进行了实验研究和仿真研究, 模拟介质为水和空气. 研究结果表明, 液体射流在气膜作用下主要存在两种破碎过程: 柱状破碎和表面破碎. Rayleigh-Taylor (R-T)不稳定性产生的表面波是液体射流发生柱状破碎的主要原因, 气流穿透表面波的波谷导致射流柱破碎, 破碎后的液丝沿流向逐渐发展呈带状分布. Kelvin-Helmholtz (K-H)不稳定性产生的表面波是液体射流发生表面破碎的主要原因, 液丝和液滴从射流表面剥离. 局部动量比对液体横向射流的破碎过程具有重要影响, 当局部动量比较低时, 液体射流的破碎由K-H不稳定性主导; 随着局部动量比的增大液体射流的破碎逐渐由R-T不稳定性主导. 液体射流的破碎长度及穿透深度均随局部动量比的增大而增大.
2021, 70 (1): 017405.
doi: 10.7498/aps.70.20201881
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超导态是一个宏观量子相干态, 其载流子是库珀对. 在没有外加磁场和电流的时候, 这些库珀对的运动行为用统一的波函数$ \psi = {\psi _{\rm{0}}}{{\rm{e}}^{{\rm{i}}\varphi }}$ 进行描述, 其相位φ在宏观尺度上是相同的. 当磁场低于一定值的时候, 在超导体的边界处穿透深度内会出现一个屏蔽电流来对抗外磁场的侵入, 样品处于迈斯纳态. 然而, 当磁场超过一定值的时候, 磁场会进入到超导体中, 迈斯纳态被破坏掉, 在超导体内形成超导区和正常区及其相应的界面. 根据此时这个界面处能量的正负, 把超导体分成I类和II类超导体, 分别对应正和负界面能. 目前发现的绝大多数超导体都是II类超导体, 因为界面能为负值, 因此进入到超导体的磁场会分离成最细小的单元, 以保证最大的界面面积, 降低系统能量. 该最小的磁通束被称为磁通量子, 其磁通量是$ {\varPhi _0} = h/2e$ (h为普朗克常数, e为电子电量). 这些磁通线之间有一定的排斥力, 因此它们会形成点阵. 当外加输运电流的时候, 这些磁通线会受到一个洛伦兹力作用而运动, 但是运动就会造成能量的损耗, 超导体就会因此失去电阻为零的优良品质. 通过在超导体中引入一些缺陷、杂质或位错, 就可以把磁通钉扎住, 超导体仍然可以有零损耗特性, 而这个特性可以用于超导体的强电应用. 本文将对磁通钉扎和磁通动力学及其研究方法做一点简单介绍.
2021, 70 (1): 018901.
doi: 10.7498/aps.70.20201065
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随着社会经济的快速发展, 社会成员及群体之间的关系呈现出了更复杂、更多元化的特点. 超网络作为一种描述复杂多元关系的网络, 已在不同领域中得到了广泛的应用. 服从泊松度分布的随机网络是研究复杂网络的开创性模型之一, 而在现有的超网络研究中, 基于ER随机图的超网络模型尚属空白. 本文首先在基于超图的超网络结构中引入ER随机图理论, 提出了一种ER随机超网络模型, 对超网络中的节点超度分布进行了理论分析, 并通过计算机仿真了在不同超边连接概率条件下的节点超度分布情况, 结果表明节点超度分布服从泊松分布, 符合随机网络特征并且与理论推导相一致. 进一步, 为更准确有效地描述现实生活中的多层、异质关系, 本文构建了节点超度分布具有双峰特性, 层间采用随机方式连接, 层内分别为ER-ER, BA-BA和BA-ER三种不同类型的双层超网络模型, 理论分析得到了三种双层超网络节点超度分布的解析表达式, 三种双层超网络在仿真实验中的节点超度分布均具有双峰特性.
2021, 70 (4): 040304.
doi: 10.7498/aps.70.20201522
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重力场是反映地球质量分布及变化的重要参数, 动态重力测量在地质调查、地球物理、资源勘探等领域有着重要应用. 目前动态重力测量均基于相对测量原理, 动态相对重力仪存在零点漂移问题, 影响其测量性能. 动态绝对重力仪可以为相对重力仪提供同步同址校准, 解决其长漂问题, 因此备受关注. 本文基于原子重力仪和惯性稳定平台, 搭建了一套船载绝对重力动态测量系统, 并在船载系泊状态下开展了绝对重力动态测量实验. 经评估, 船载系泊环境下的重力测量灵敏度为16.6 mGal/Hz–1/2, 1000 s积分时间内重力测量的分辨率可达0.7 mGal. 通过两周的绝对重力测量, 评估了系统的稳定性. 为了评估绝对重力的动态测量精度, 将船上测量点与码头高精度绝对重力基准点的绝对重力值进行了比较, 两点之间的绝对重力值差及其不确定度评估结果为(–0.072 ± 0.134) mGal. 本文结果为海洋相对重力仪的同时同船校准提供了一种新方案.
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