Vol. 61, No. 19 (2012)
2012年10月05日
总论
2012, 61 (19): 190201.
doi: 10.7498/aps.61.190201
摘要 +
为了克服现有复杂网络鲁棒性研究模型只考虑节点失效的局部影响性和网络拓扑鲁棒性的缺陷, 提出了一种利用节点效率来评估复杂网络功能鲁棒性的方法. 该方法综合考虑节点失效的全局影响性, 利用网络中节点的效率来定义各节点的负载、极限负载和失效模型, 通过打击后网络中最终失效节点的比例来衡量网络的功能鲁棒性, 并给出了其评估优化算法. 实验分析表明该方法对考虑节点负载的复杂网络功能鲁棒性的评定可行有效, 对于大型复杂网络可以获得理想的计算能力.
2012, 61 (19): 190202.
doi: 10.7498/aps.61.190202
摘要 +
提出了一种新的算法高阶辛时域有限差分法(SFDTD(3, 4): symplectic finite-difference time-domain)求解含时薛定谔方程.在时间上采用三阶辛积分格式离散, 空间上采用四阶精度的同位差分格式离散, 建立了求解含时薛定谔方程的高阶离散辛框架;探讨了高阶辛算法的稳定性及数值色散性.通过理论上的分析及数值算例表明:当空间采用高阶同位差分格式时, 辛积分可提高算法的稳定度;SFDTD(3, 4)法和FDTD(2, 4)法较传统的FDTD(2, 2)法数值色散性明显改善.对二维量子阱和谐振子的仿真结果表明: SFDTD(3, 4)法较传统的FDTD(2, 2)法及高阶FDTD(2, 4)法有着更好的计算精度和收敛性, 且SFDTD(3, 4)法能够保持量子系统的能量守恒, 适用于长时间仿真.
2012, 61 (19): 190203.
doi: 10.7498/aps.61.190203
摘要 +
为了扩展谐振管内非线性驻波在工程中的应用, 以及克服现有数值计算方法仅局限于求解直圆柱形和指数形谐振管内非线性驻波的问题. 根据变截面的非稳态可压缩热黏性流体Navier-Stokes方程和空间守恒方程, 并基于求解压力速度耦合方程的半隐式算法和交错网格技术, 构建一种能够计算任意形状轴对称谐振管受活塞驱动时内部非线性驻波的有限体积算法. 分别对圆柱形、指数形和圆锥形谐振管内的非线性驻波进行仿真计算. 通过与现有试验结果以及数值仿真结果的对比, 验证了该方法的正确性.并获得除驻波声压之外的另外一些新的物理结果, 包括速度、密度、温度的瞬时变化.在直圆柱形谐振管内产生冲击声压波, 速度波形中出现钉状结构.而在指数形和圆锥形谐振管内产生高声压幅值的驻波, 没有出现冲击波, 速度波形中均未发现钉状结构. 计算结果表明谐振管内非线性驻波的物理属性与谐振管形状之间有密切关系.
2012, 61 (19): 190501.
doi: 10.7498/aps.61.190501
摘要 +
在Luo-Rudy的心脏模型中引入了记忆效应, 该记忆效应表现为膜间电压的延迟耦合. 研究了记忆效应对螺旋波的影响, 数值模拟结果表明:心脏记忆可导致螺旋波无规则漫游;当延迟时间适当选取时, 增加记忆强度会导致螺旋波的频率减小, 如果记忆强度超过临界值, 心脏记忆效应还可以使螺旋波和时空混沌消失, 因为含时外行钾离子电流被心脏记忆过度抑制.
2012, 61 (19): 190502.
doi: 10.7498/aps.61.190502
摘要 +
自然界存在诸多的非光滑现象, 如海岸线、岩石的裂隙和截面形貌等.经典的微积分理论和欧氏几何中的常用方法无法用来刻画其可微性.局部分数阶导数是局部化的分数阶导算子, 是潜在的研究非光滑曲线微尺度性态的工具之一.本文首先回顾了基于分数阶积分和类Cantor集生成的阶梯曲线, 然后利用一般的二项式展开, 从分数阶可微函数的角度得到了非光滑热曲线的分数阶次可微性.
2012, 61 (19): 190503.
doi: 10.7498/aps.61.190503
摘要 +
主要研究了分段分数布朗运动(PFBM)模型在雷达海杂波分形建模中的应用.由于自然界和人造系统中研究对象不具有数学上完美的分形特性, 从而研究对象的分形特性无法在整个尺度区间上成立, 传统上, 海杂波的单一分形模型仅利用无标度区间内海杂波的自相似信息进行参数估计, 并没有考虑海杂波在无标度区间以外的尺度下所包含的信息.分段分数布朗运动从频域角度对海杂波频谱进行分段描述, 对应到时域即从粗略尺度和精细尺度两方面描述海杂波时间序列.结合海杂波产生的物理背景, 该模型可以为海杂波时间序列在粗略尺度和精细尺度下表现出的不同粗糙度提供机理性解释.在此基础上, 还研究了具有不同多普勒频率的运动目标对海杂波的影响, 结果表明运动目标对粗略尺度和精细尺度下海杂波的影响程度是不同的.
2012, 61 (19): 190504.
doi: 10.7498/aps.61.190504
摘要 +
提出光电反馈混沌状态下的混沌脉冲同步.首先, 对激光器的混沌动力学方程进行了数值分析, 通过改变反馈系数和脉冲系数来观测混沌状态的变化, 实现了对混沌激光器的控制;然后, 对脉冲同步方程进行数值分析, 给出了同步的模拟图.实验结果表明此方法能实现混沌同步.
2012, 61 (19): 190505.
doi: 10.7498/aps.61.190505
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在Chen-Lai算法和Wang-Chen算法中, 模函数的定义域均为(-∞, +∞). 然而, 在电子电路等技术实现中, 模函数定义在有限区域上则更符合实际情况. 本文以有限区域条件下模函数为正弦函数的离散时间系统反控制为典型实例,给出了受控系统在Li-Yorke意义下混沌的充分条件和严格的理论证明,从而能根据定理给出的充分条件和器件自身规定的一个有限区域或动态范围的约束条件来共同确定电路的具体参数范围,为电路设计与技术实现提供理论依据.基于这一方法, 设计了有限区域条件下模函数为正弦函数的离散时间系统反控制电路,给出了电路实验结果,证实了本方法的可行性. 本文的这种方法也可用于解决有限区域条件下模函数为其他非线性函数的离散时间反控制与电路实现问题.
2012, 61 (19): 190506.
doi: 10.7498/aps.61.190506
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在心率变异性的非线性分析中, Poincaré散点图分析是一种重要手段.本文基于Poincaré差值散点图(modified Poincaré plot)提出了两个参数——区域分布熵和区域分布系数, 用于定量描述所考察区域内散点的分布趋势, 并提出对散点在4个象限中的分布进行分别计算.通过对MIT-BIH数据库中健康年轻人、健康老年人和充血性心力衰竭患者样本数据的分析, 发现两参数值均呈现显著的组间差异;同时, 不同象限的分析结果显示了四个象限具有不同的区分敏感性, 而其中尤以第一象限的区分度为最高, 反映出充血性心力衰竭患者相对健康人迷走神经调控功能的改变最为显著, 与以往的生理学研究结论相符.经验证, 该方法可用于短时数据, 更易于扩展至临床应用.
2012, 61 (19): 190507.
doi: 10.7498/aps.61.190507
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为揭示风电功率序列内在的动态特性, 利用非线性方法对风电时间序列混沌特性进行识别, 为对风电功率进行预测提供了基础.首先对某风电场的风电功率时间序列的日相关性进行了分析;然后在相空间重构的基础上计算了风电序列的最大Lyapunov指数, 验证了风电时间序列的混沌特性;由于采用Volterra滤波器多步预测法对风电功率进行超短期预测误差较大, 利用局域多步预测法以及最大Lyapunov指数法的预测结果并结合加权马尔科夫链和有序算子对Volterra滤波器的预测结果进行校正.最后以某实际风电场的风电功率预测为算例, 仿真结果表明校正预测模型有效的提高了预测精度, 其为利用Volterra滤波器多步法进行风电预测提供了有益的参考.
2012, 61 (19): 190508.
doi: 10.7498/aps.61.190508
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非线性Schrdinger方程是物理学中具有广泛应用的非线性模型之一. 本文采用相似变换, 将具有色散系数的(2+1)维非线性Schrdinger方程简化成熟知的Schrdinger方程, 进而得到原方程的有理解和一些空间孤子.
2012, 61 (19): 190509.
doi: 10.7498/aps.61.190509
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舆论形成是个体因素与外部影响共同作用的结果. 个体因素包括个体理性的认知与非理性的情绪因素, 外部影响则包括文化、认知以及行为模式的作用和社会网络上个体之间的影响, 而文化、认知等背景因素往往与空间地域相关联. 本文通过构建一个同时具有空间位置特征与小世界特征的无标度网络以及网络上的Ising模型, 全面考察了空间与网络共同作用对舆论形成的影响, 研究了舆论形成中的相变行为, 重点分析了与区域文化或认知背景以及与整体社会情绪等相关的参数在舆论形成过程中的作用. 计算机数值模拟结果表明, 区域间的认知背景差异足够大时, 会导致公共舆论形成明显的区域性特征, 此时, 空间因素和社会网络具有同样的影响强度时, 会有利于全局一致舆论的形成. 同时, 非理性因素引发的社会情绪可以通过提高个体影响力及降低背景差异使得一致性公共舆论快速形成.
2012, 61 (19): 190510.
doi: 10.7498/aps.61.190510
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为分析公交复杂网络的拓扑性质, 本文以北京市为例, 选取截止到2010年7月的北京全市(14区、2县)的1165条公交线路和9618个公交站点为样本数据, 运用复杂网络理论构建起基于邻接站点的有向加权复杂网络模型. 该方法以公交站点作为节点, 相邻站点之间的公交线路作为边, 使得网络既具有复杂网络的拓扑性质同时节点(站点)又具有明确的地理坐标. 对网络中节点度、点强度、强度分布、平均最短路径、聚类系数等性质的分析显示, 公交复杂网络的度和点强度分布极为不均, 网络中前5%和前10%节点的累计强度分布分别达到22.43%和43.02%; 点强度与排列序数、累积强度分布都服从幂律分布, 具有无标度和小世界的网络特点, 少数关键节点在网络中发挥着重要的连接作用. 为分析复杂网络中的关键节点, 本文通过承载压力分析和基于"掠夺" 的区域中心节点提取两种方法, 得到了公交复杂网络中两类不同表现的关键节点. 这些规律也为优化城市公交网络及交通规划发展提供了新的参考建议.
2012, 61 (19): 190601.
doi: 10.7498/aps.61.190601
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原子光刻实验中, 激光驻波场能起到原子透镜的效果, 实现原子汇聚. 激光驻波场与沉积基片间的距离对形成纳米条纹结构的质量具有重要影响. 利用高斯光束传播规律, 提出了一种能够定量判断激光驻波场与沉积基片相对位置的实验方法. 该方法通过调节装载有凸透镜和反射镜的精密位移台改变驻波场距基片的距离, 利用光电探测器接收反射光强的变化, 将位移改变量转变为接收器的电压信号. 利用驻波场激光束光斑直径值, 实现准确定位驻波场与基片的距离. 对上述实验过程进行数值模拟, 数值计算的结果和实验结果高度符合. 该方法实现了准确定位驻波场距基片的距离, 为后续深入研究驻波场和基片间距离对沉积纳米条纹结构质量的影响提供实验基础.
2012, 61 (19): 190701.
doi: 10.7498/aps.61.190701
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热冲击下红外焦平面探测器的高碎裂概率制约着其成品率.为明晰碎裂机理, 基于等效设想, 利用小面阵等效大面阵解决了128×128面阵探测器三维结构建模所需单元数过多的问题, 同时综合考虑材料线膨胀系数的温度依赖性、材料强度的各向异性、表面加工损伤效应, 合理选取InSb材料性能参数, 建立起128×128面阵探测器结构有限元分析模型.模拟结果表明:热冲击下最大Von Mises 应力值出现在N电极区域, 其极值呈非连续分布, 这意味着热冲击下128×128面阵探测器的裂纹起源于N电极区域, 且不止一条.上述结论与碎裂统计分析报告中典型裂纹起源地及裂纹分布这两方面相符合, 这为后续面阵探测器碎裂诱因的研究及结构可靠性设计提供了切实可行的研究思路．
核物理学
2012, 61 (19): 192901.
doi: 10.7498/aps.61.192901
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用高温熔融法制备了以SiO2-B2O3-Al2O3-Gd2O3为基质系统Ce3+掺杂的玻璃样品, 测试样品的密度、紫外——可见透射光谱、紫外激发光谱和主要的闪烁性能, 并且把一部分闪烁性能和PbWO晶体及BGO晶体做比较. 着重研究了不同Ce3+掺杂浓度与Gd3+ 离子的含量对玻璃样品闪烁性能的影响规律. 结果表明: 玻璃样品具有较大的密度; 样品的X射线激发发射光谱发射峰位置都在390 nm左右, 当Ce3+ 离子的掺杂浓度为1.0 mol%(摩尔分数)、Gd2O3含量为15 mol%时, 玻璃样品的发光峰强度达到BGO晶体发光强度的90%; 同样验证了Ce3+ 离子具有浓度猝灭效应; Gd3+可以敏化Ce3+离子发光, 但是Gd3+离子到达一定浓度时, 反而会产生猝灭效应, 降低了Ce3+ 离子的发光. Ce3+ 离子掺杂SiO2-B2O3-Al2O3-Gd2O3系统的闪烁玻璃有望替代闪烁晶体广泛应用于高能物理中.
原子和分子物理学
2012, 61 (19): 193101.
doi: 10.7498/aps.61.193101
摘要 +
使用全相对论组态相互作用方法, 能级-能级细致计算了0.1 EI ≤ kTe≤ 10 EI (EI是类钠离子基态的第一电离能) 温度范围内类氖离子基态双电子复合(DR)速率系数, 双激发自电离能级考虑了(2s2p)73ln'l', (2s2p)74l4l' 以及(2s2p)74l5l'组态. 对于(2s2p)73ln'l'双激发自电离组态, 轨道角量子数l' >8 的(2s2p)73ln'l'双激发自电离态对双电子复合速率系数的贡献可以忽略不计; (2s2p)73ln'l'双激发自电离组态的高里德堡态对双电子复合速率系数的贡献满足 n'-3组态-组态外推法, 并且核电荷数越大, 趋于n'-3标度的n'值越小; 对细致能级计算得到的类氖离子基态的总DR速率系数进行了拟合, 得到类氖离子基态的总DR速率系数随核电荷数 Z和电子温度变化的经验公式, 该拟合公式与细致计算结果的偏差在2%以内, 能较准确的计算任意核电荷数Z的类氖离子在0.1EI ≤ kTe ≤ 10EI电子温度范围的DR速率系数. Burgess-Merts(BM)近似公式不适用于估算低温(kTeEI)类氖离子的DR速率系数, 在高温(kTe>2EI)时, 类氖离子的DR速率系数可以用BM近似公式表示.
2012, 61 (19): 193102.
doi: 10.7498/aps.61.193102
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近年来的理论和实验研究表明,通过不同离子共掺杂TiO2是减小其禁带宽度的一种有效方法.本文采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了C和Zn共掺杂TiO2的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明C-Zn共掺杂导致导带相对Fermi能级发生了明显的下降,同时在TiO2的导带下方与价带上方形成了新的杂质能级,使TiO2的禁带宽度变小, TiO2的光学吸收带边产生红移. 杂质能级可以降低光激发产生的电子-空穴对的复合概率, 提高TiO2的光催化效率. 此外, 掺杂后TiO2在可见光区的吸收系数有明显增加, 能量损失也明显减小.
2012, 61 (19): 193201.
doi: 10.7498/aps.61.193201
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在兰州重离子加速器国家实验室分别测量了H+, He2+, Ar11+和Xe20+离子轰击Ta表面过程中辐射的X射线谱, 并得到了Ta特征X射线谱中M (M3N5)和N (M4,5N6,7)线的强度, 即I和I. 分析结果表明, 强度比值I/I 随着入射离子原子序数的增加而显著增加, 这是由于碰撞过程中Ta原子的多电离效应使M3支壳层的荧光产额3产生了显著增强.
2012, 61 (19): 193301.
doi: 10.7498/aps.61.193301
摘要 +
大气臭氧层破坏越来越严重, 卤代烷烃在太阳紫外线辐射下解离生成破坏臭氧的游离态卤素原子, 是主要元凶之一. 本文选用碘甲烷作为校准分子, 利用离子速度成像技术和共振增强多光子电离技术测得碘甲烷在266 nm紫外光解离下产生的基态碘原子I(2P3/2)在不同聚焦电压下的离子速度影像, 得到离子速度成像系统的放大系数N=1.13. 并利用该系统研究了1, 4-氯溴丁烷在 ～234 nm紫外辐射下的解离动力学, 分析讨论了解离产生的基态Br (2P3/2)和激发态Br* (2P1/2)的速度和角度分布信息, 揭示了1, 4-氯溴丁烷在 ～234 nm紫外光解离产生基态Br原子和激发态Br* 原子的通道都是源于C-Br键排斥势能面上的快速解离. 文中通过计算碎片影像角度分布的各项异性参数值, 得到了生成基态Br(2P3/2)和激发态Br* (2P1/2) 两个解离通道中的平行跃迁和垂直跃迁比例. 另外, 本文还对氯溴甲烷, 1, 2-氯溴乙烷, 1, 3-氯溴丙烷和1, 4-氯溴丁烷在 ～234 nm下的光解动力学进行比较, 分析得到双卤代烷烃分子解离机理对烷基支链长度的依赖关系.
2012, 61 (19): 193302.
doi: 10.7498/aps.61.193302
摘要 +
本文以高激发态原子为研究对象, 由基态、激发态和高激发态能级形成阶梯型三能级系统, 理论上求解阶梯型三能级系统的密度矩阵方程, 研究了高激发态原子的相干效应, 计算获得探测光的吸收和色散曲线. 并研究了高激发态原子间相互作用以及外加电场对相干效应的影响. 结果表明, 外加场可以使吸收和色散曲线产生频移.
2012, 61 (19): 193601.
doi: 10.7498/aps.61.193601
摘要 +
利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法, 本文对小尺寸团簇Tan(B3N3H6)n+1 (n ≤ 4)的磁性和量子输运性质进行了系统的研究. 计算结果表明, 此类体系采用三明治结构作为其基态并且具有较高的稳定性. 体系的磁矩随团簇尺寸的增大而线性增大. 当把Tan(B3N3H6)n+1团簇耦合到Au电极上时, 形成的Au-Tan(B3N3H6)n+1-Au体系在有限偏压下展示出了较强的自旋过滤能力, 因而可以被看做是一类新型的低维自旋过滤器.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2012, 61 (19): 194201.
doi: 10.7498/aps.61.194201
摘要 +
开环谐振器阵列由于结构庞大, 难以实现小型化, 而逆开环谐振器则由于刻蚀在接地板上, 容易对微波电路中其他部件造成干扰. 针对上述问题, 提出了一种新型双层介质复合左右手传输线结构, 并提取了其等效相对介电常数和等效相对磁导率, 然后分析了新结构的尺寸参数对其传输特性的影响程度, 最后将一种新型Minkowski分形曲线应用于该结构, 设计和制作了两款双频滤波器, 验证了该复合左右手传输线的双频特性.
2012, 61 (19): 194202.
doi: 10.7498/aps.61.194202
摘要 +
从光束角谱理论出发建立了描述光自旋霍尔效应的傍轴传输模型, 利用这一模型分析了光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性. 通过分析交叉偏振效应强度和入射角变化的规律, 发现交叉偏振效应越强, 光自旋霍尔效应中的自旋分裂越大. 为便于实验观察, 将入射角选在光自旋霍尔效应较强的布儒斯特角附近, 观测到了强的交叉偏振效应. 增大交叉偏振分量的同时减小初始偏振分量, 可显著增强光自旋霍尔效应. 这一调控方法为研制基于光自旋霍尔效应的新型光子器件提供了理论基础.
2012, 61 (19): 194203.
doi: 10.7498/aps.61.194203
摘要 +
基于交叉相位调制的时间透镜可实现精确的二次相位调制, 但是它在光脉冲压缩领域的应用受到了抽运光脉冲的峰值功率过高的限制. 对该峰值功率的表达式进行了推导, 提出使用带有正色散的传输介质来实现输出段色散, 从而降低了抽运光脉冲的峰值功率.并进一步指出, 可以将基于交叉相位调制的时间透镜应用于4f系统, 来实现光脉冲压缩, 从而更有效地降低了抽运光脉冲的峰值功率. 推导了该系统的抽运光脉冲的峰值功率和分辨率的表达式, 并进行了光脉冲压缩的仿真分析.研究结果表明, 在基于交叉相位调制的4f系统中, 可以利用峰值功率较低的抽运光脉冲产生飞秒量级超短光脉冲; 随着压缩系数的提高, 输出光脉冲的脉冲宽度主要受到4f系统分辨率的限制, 并对4f系统分辨率的提高进行了讨论.
2012, 61 (19): 194204.
doi: 10.7498/aps.61.194204
摘要 +
有效的全色图像和多光谱图像的融合方法必须保证光谱和空间信息的最大化. 采用HIS小波融合算法框架, 提出了新的高频系数提取方法和一种新的全色和多光谱图像融合方法. 根据小波变换后高频中的细节以及边缘信息都具有方向性, 而噪声点一般都是孤立点这一物理特性, 设计了一种基于一阶高斯微分的高频系数提取方法.以多个融合评价指标为目标函数, 对HIS小波融合算法中采用不同融合规则得到的结果图像, 通过多目标粒子群优化算法优化加权组合得到最终结果. 对实际TM多光谱图像和SPOT全色图像进行了融合实验比较研究, 结果表明, 改进的高频系数提取方法得到的融合图像在光谱信息和空间信息上都有较好的改善, 用多目标粒子群优化算法得到的结果图像在光谱信息保留上具有较明显的优势且空间信息也得到了较大的提高.
编辑推荐
2012, 61 (19): 194205.
doi: 10.7498/aps.61.194205
摘要 +
本文从非线性薛定鄂方程出发,提出了一种全光学的相位预加重来抑制非线性克尔效应的新方法,通过在发射端将输入光脉冲的初始相位上叠加一个平方相位值,改变光脉冲的初始相位值,从而提高光脉冲在光纤传输中抗非线性克尔效应能力.通过理论研究,仿真分析以及实验验证了该方法的可行性,实验验证在接收端可以提高误码率2个数量级以上.在长距离大容量光纤通信系统中有很好的应用前景.
2012, 61 (19): 194206.
doi: 10.7498/aps.61.194206
摘要 +
本文讨论了光学参量频率转换过程中对相干态的演化问题, 获得了对相干态时间演化的解析表达式及在位形空间的波函数, 发现通过适当调节系统元件及相互作用时间, 对相干态在位形空间中的波包能呈现出量子涡态特性, 并且与这样涡态相关的波函数具有修正Bessel-Gaussian形式的结构, 即非高斯型波函数. 在相干态表象下, 这一量子化涡态是两模湮没算符平方和的本征态. 这一讨论揭示了产生量子化涡态的另一可实现方案.
2012, 61 (19): 194207.
doi: 10.7498/aps.61.194207
摘要 +
以激光原理为基础, 以大量精确的实验数据为依据;考虑被忽略的自发辐射的影响, 对加长到抽运腔外的钕玻璃棒, 未受到抽运, 反而产生光放大异常实验现象的机理进行了理论研究.理论研究结果与实验结果基本相符.
2012, 61 (19): 194208.
doi: 10.7498/aps.61.194208
摘要 +
通过对NO与He流动混合气体放电, 产生了激发态的NO(a4Πii) 分子. 利用光外差-浓度调制吸收光谱技术测量了NO分子在12530-12850 cm-1波段内的吸收光谱, 并标识出b4Σ--a4Πi(4,0)带在该波段内的324条光谱跃迁谱线. 采用标准4Σ--4Πi哈密顿量模型, 通过非线性最小二乘法拟合其中267条谱线, 拟合残差(0.0071 cm-1) 接近实验系统测量误差(0.007 cm-1). 获得的主要分子常数与文献提供的常数符合, 并且拟合得到了精细结构分子常数.
2012, 61 (19): 194209.
doi: 10.7498/aps.61.194209
摘要 +
根据激光脉冲在双折射光纤中传输时, 拉曼效应和参量放大共同作用下所所遵循的耦合模方程, 基于平行拉曼增益的洛伦兹模型, 给出了输入抽运波偏振方向沿相互正交的双折射轴时, 拉曼效应和参量放大共同作用所导致的增益. 讨论并分析了在不同色散区相关参量对增益谱特性的影响. 结果表明, 拉曼效应改变了非线性和色散的相互平衡, 使得参量放大斯托克斯波与反斯托克斯波增益谱彼此不对称; 当输入功率一定时, 其增益谱结构确定, 非线性系数和色散系数两者之间相对变化时, 增益谱的强度和展宽有所改变.
2012, 61 (19): 194210.
doi: 10.7498/aps.61.194210
摘要 +
利用多极法对光子晶体光纤的色散特性进行了模拟, 通过设计合适的结构参数, 得到了具有3个零色散波长的单模光纤.对中心纤芯有1个微小空气孔光子晶体光纤的色散特性进行了分析, 设计出了具有4个零色散波长的色散曲线.分析了零色散波长随光纤结构的变化规律, 这些零色散波长的位置和间距可以在很大波长范围内灵活调节. 具有多个零色散波长的光纤可以得到色散值极低的超平坦色散曲线. 多个零色散波长光纤能产生丰富的相位匹配曲线, 可以有效地控制光孤子及超短脉冲的四波混频及共振散射产生的光谱特性.
2012, 61 (19): 194211.
doi: 10.7498/aps.61.194211
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条纹相机通常采用微通道板的内增强或外增强这两种方式来提高信号探测阈值, 也由此引入了微通道板饱和效应对系统动态范围的限定. 通过一个非连续电阻电容打拿极链的通道模型, 对微通道板的饱和效应进行了描述,说明了在条纹相机中, 微通道板输入输出的线性范围限定于通道的贮存电荷, 即使是在外增强方式中采用低阻抗微通道板,传导电流的补偿作用也极其有限, 微通道板内增强和外增强条纹相机应具有相近的动态范围, 低阻抗微通道板仅在高重复率的连续拍摄时方可发挥功效, 同时还说明了微通道板增益的正确设置对条纹相机动态范围的重要影响.
2012, 61 (19): 194212.
doi: 10.7498/aps.61.194212
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本文对基于光注入半导体激光器的单周期动力学态产生光子微波并利用光反馈压缩其线宽进行了实验研究. 研究结果表明: 通过适当调节注入参数, 能对该方法产生的光子微波频率在数十GHz范围内进行连续、大范围地调节; 通过引入光反馈并精细调节反馈强度, 光子微波的线宽能够从40—100 MHz的范围被压缩约两个数量级至300—900 kHz范围;反馈长度对光子微波的线宽几乎没有影响, 但当反馈长度精细变化时, 光子微波频率会出现一定范围内的周期性漂移.
2012, 61 (19): 194301.
doi: 10.7498/aps.61.194301
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本文利用集中质量法对弹性纵波在一维指数形截面有限周期声子晶体中的传播进行了研究, 得到了频率响应函数的表达式. 与一维等截面的声子晶体相比, 指数形变截面声子晶体带隙内的衰减值随着输出端截面积的增大而减小, 同时带隙的起始频率降低而截止频率升高, 也即带隙的宽度会得到拓展. 晶格常数和材料组份比变化时, 变截面声子晶体带隙的起始频率和截止频率的变化趋势与等截面时的声子晶体相同. 希望本文的研究能够推动声子晶体在减振降噪等领域中的应用.
2012, 61 (19): 194302.
doi: 10.7498/aps.61.194302
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本文推导了四边简支矩形板的辐射阻抗表达式, 利用高斯数值积分方法, 计算了其相对辐射阻抗的数值解. 由不同模态下相对辐射阻抗与频率以及不同长宽比对应的相对辐射阻抗与频率的关系可知, 在中低频段, 模态越低, 辐射阻抗越大, 也就意味着辐射声功率和同振质量越大; 对于一定面积和模态的矩形板, r (r=a/b, 长与宽之比)值越接近1, 即越接近正方形, 辐射阻和辐射抗越大. 本文的方法能对其他复杂边界条件下的、无振动解析解的矩形板的辐射阻抗数值量级大小提供一个参考, 也可由计算弯曲振动的阻抗自然地过渡到活塞振动阻抗的计算.
2012, 61 (19): 194303.
doi: 10.7498/aps.61.194303
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在气泡-液柱一维耦合振动模型的基础上对刚性微管两侧声压不相等时管内柱状气泡的轴向一维受迫振动进行了理论探索. 声压不均匀分布不影响气泡线性振动时的共振频率, 但振动幅度受到有效声压幅值的影响. 利用逐级近似法分析了管内非线性振动气泡的基频、三倍频和三分之一分频振动的幅-频响应关系, 结果表明当驱动声压超过0.1 MPa时, 气泡振动处于非线性状态. 非线性声响应特征主要表现为:基频和分频振动幅值响应的多值性; 三倍频振动在低频区响应强于高频区; 三分频振动在大于共振频率的频域内出现的概率更大.
2012, 61 (19): 194501.
doi: 10.7498/aps.61.194501
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研究一类高维相对转动非线性动力系统的降维与分岔特性. 在考虑转动系统中间隙非线性影响因素的基础上, 基于广义耗散系统拉格朗日原理, 建立了一类高维相对转动非线性系统动力学模型.采用Lyapunov-Schmidt(LS)约化方法, 通过对高维非线性动力系统进行降维处理, 得到能够揭示系统非线性动力特性与系统参数之间规律的低维等价分岔方程. 运用奇异性理论对分岔方程进行普适开折, 分析了系统的分岔特性.结合实例参数, 对分岔特性进行仿真分析, 得到相对转动非线性动力系统发生动力失稳的参数区域及系统参数对动力失稳的影响规律.
2012, 61 (19): 194502.
doi: 10.7498/aps.61.194502
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在室内行人疏散过程中,行人博弈对疏散效率有着重要的影响.本文把抵制博弈策略更新的强度定义为抵制强度. 为了研究抵制强度对疏散效率的影响, 通过在行人博弈策略更新的概率中引入抵制强度,基于元胞自动机模型数值计算在不同的行人密度, 出口宽度下疏散总时间随抵制强度变化的关系.结果表明: 室内行人疏散过程中, 抵制强度小会使得争抢行为极其容易蔓延. 当行人密度小且出口宽大时, 输入以急速疏散为主的规范信息,鼓励行人模仿优胜者更新博弈策略, 当行人密度大且出口狭小时, 输入以避让为主的规范信息抑制行人争抢,都能提高疏散效率. 最后找出不同条件下与最短疏散总时间相对应的优化抵制强度, 为提高室内行人疏散效率提供一个新的视角.
2012, 61 (19): 194701.
doi: 10.7498/aps.61.194701
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利用辅助场时域有限差分(FDTD)方法分析色散周期结构的斜入射问题. 主要基于Floquet定理, 在FDTD迭代式中引入辅助场量, 结合变换的周期及吸收边界条件,解决了周期结构斜入射问题的电磁特性仿真. 进一步将辅助场FDTD方法引入至色散周期结构的模拟, 结合Z变换方法,给出了基于Drude色散模型的具体迭代公式. 数值计算结果表明所构建方法的有效性及普适应.
2012, 61 (19): 194702.
doi: 10.7498/aps.61.194702
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本文测试了人工构建的一维短沟槽复合准晶结构对流体的减阻性能,并与一维短沟槽复合周期结构和一维沟槽周期结构的流阻进行了对比.实验结果表明,一维短沟槽复合准晶结构的减阻效果优于一维短沟槽复合周期结构,其中一维短沟槽十二重复合准晶结构的减阻效果最佳,同时与一维沟槽周期结构具有同样的减阻效果.在机理分析方面,建立了二维光栅的夫琅禾费衍射波模型,对通过一维短沟槽复合准晶结构的波谱特征进行模拟分析. 频谱分析表明,经过二维准周期光栅的相干波强度谱具有谱带结构特征,抑制了大角度方向上的强峰形成.这一结果与流体流过一维短沟槽复合准晶结构相对应,展向上的准周期结构在激活边界层微扰动的同时,也使得二次涡分布比较均匀,从而抑制了展向强扰动的形成,所以能够有效减小流阻.
2012, 61 (19): 194703.
doi: 10.7498/aps.61.194703
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本文研究了硅柱在MnFe2O4磁性液体背景中排列成六边形结构的二维光子晶体的可调谐负折射特性. 利用平面波展开法和时域有限差分法理论研究了硅柱-磁性液体体系二维光子晶体的带隙结构、等频曲线和负折射现象随外磁场强度的变化关系. 模拟结果表明, 硅柱-磁性液体体系二维光子晶体工作在TE模式时, 其负折射特性可由外磁场调节. 在固定背景溶液的磁性颗粒体积分数和入射光频率时, 所研究的折射光束的偏转角和光子晶体的负折射率绝对值随外磁场的增大而增大, 而在固定背景溶液的磁性颗粒体积分数和外磁场强度时, 负折射角和负折射率的绝对值随入射光归一化频率增大而减小. 固定外场强度和入射光频率时, 所研究结构的负折射特性随背景溶液的磁性颗粒体积分数增大而变弱.
前沿领域综述
2012, 61 (19): 194213.
doi: 10.7498/aps.61.194213
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有机聚合物/富勒烯本体异质结光伏电池以其不断提高的能量转换效率受到了研究人员的广泛关注, 近年来成为光伏电池研究领域的热点之一. 本文主要通过对聚合物/富勒烯太阳能电池的内部机理,包括光吸收、激子扩散和解离以及自由载流子输运和提取等关键科学问题, 从器件材料和结构优化、形貌控制和界面修饰等不同侧面介绍了提高聚合物/富勒烯太阳能电池性能的方法, 讨论了各种器件的结构和能量转换效率, 对于进一步开展这方面的研究工作指明了方向, 最后对其未来的发展前景做出了展望.
气体、等离子体和放电物理
2012, 61 (19): 195201.
doi: 10.7498/aps.61.195201
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以5—20 kHz交流电源作为等离子天线激励源, 建立了一款U形等离子体天线. 在详细阐述天线结构的同时并对其部分电特性进行了测量.结果发现, 在50—300 MHz频率范围内, 同工频交流与直流电源激励相比, 该天线的噪声电平非常低, 与相同构造的金属天线的噪声电平相接近.同时, 该等离子体天线具有很好的阻抗带宽特性, 且在较宽频带范围内也表现出了良好的增益特性.
2012, 61 (19): 195202.
doi: 10.7498/aps.61.195202
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在介质阻挡放电体系中产生辉光放电可以有效的提高放电体系产生高能电子的性能, 为等离子体化学反应提供更加丰富的活性粒子.本文对针-板介质阻挡放电体系下的放电模式进行了研究,实验发现放电正负半周期表现出不同的放电模式, 激励电压为3 kV时放电正负半周期分别为微流注放电和电晕放电(或者Trichel脉冲放电),激励电压为6 kV时放电正负半周期分别为微流注放电和微辉光放电.微辉光放电形貌具有与典型辉光放电相同的分层次放电结构, 分析了激励电压6 kV时的放电过程,认为足够强的阴极电场强度和裸露针状电极形成的有效的二次电子发射过程是形成微辉光放电的主要因素,绝缘介质层的存在避免了微辉光放电向弧光放电过渡.
2012, 61 (19): 195203.
doi: 10.7498/aps.61.195203
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获得覆盖较宽温度和压力范围内的等离子体输运性质是进行等离子体传热和流动过程数值模拟的必要条件.本文采用Saha方程计算等离子体组分, 采用基于将Chapman-Enskog方法扩展到高阶近似的方法, 计算获得了电子温度(Te)不等于重粒子温度(Th)的情形下, 在300 K到40000 K的温度范围内氦等离子体的黏性、热导率和电导率. 研究结果表明压力和热力学非平衡参数(θ =Te/Th)对氦等离子体的输运性质有较大的影响. 在局域热力学平衡条件下,计算获得的氦等离子体输运性质和文献报道的数据符合良好.
2012, 61 (19): 195204.
doi: 10.7498/aps.61.195204
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利用背光阴影成像技术研究了降温速率对惯性约束聚变(ICF)球形氘氘冷冻靶中燃料冰层均化的影响.实验中,首先对ICF冷冻靶温度场进行标定以确定靶丸处的温度,然后利用背光阴影成像系统对降温过程中靶丸内燃料冰层的空间变化进行实时原位测量,得到了不同降温条件下冷冻靶背光阴影成像图像中亮环的功率谱.实验结果表明:相比快速降温,台阶式缓慢降温有利于形成均匀的燃料冰层;同时验证了背光阴影成像技术表征ICF冷冻靶内冷冻冰层均化的有效性.
2012, 61 (19): 195205.
doi: 10.7498/aps.61.195205
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在强光一号装置开展小倾角单层锥形钨丝阵实验, 获得了锥形丝阵在消融阶段, 拉链内爆阶段和滞止阶段的辐射参数和辐射图像. 消融阶段的物理图像映证了使用火箭模型对锥形丝阵消融过程及先驱等离子体形成的分析. 结合分幅像、针孔像和条纹像, 解释了锥形丝阵在内爆箍缩阶段阴极部分首先发生内爆并产生硬X射线成分的原因. 观察到的锥形丝阵的拉链内爆速度达到2.59 107 cm/s, 拉链内爆及滞止的持续时间达到40 ns, 远大于相近尺寸的柱形丝阵. 通过特殊构型丝阵内爆特性的研究, 为进一步验证基于柱形丝阵建立的Z-pinch理论模型, 完善MHD模型的普适性提供必要的实验数据.
2012, 61 (19): 195206.
doi: 10.7498/aps.61.195206
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本文利用微波相位法和光谱诊断法, 研究了ICP放电等离子体在圆台状夹层等离子体中E模和H模相互转换的物理现象. E模和H模的之间转换过程是一个瞬间突变的, 转换点的输入功率随真空室压强的变化而变化. H模向E模转换的阈值功率低于E模向H模转换的值, 等离子体参数随输入功率变化曲线类似于铁磁物质中的磁滞回线. Ar II 408.2 nm谱线的强度的变化规律和电子密度随功率变化的规律基本一致. 通过本实验可以获得一种电子密度范围为3.85×1011 cm-3 ne 11 cm-3, 外表面积为0.3 m2, 厚度为2 cm稳定工作的等离子体源.
2012, 61 (19): 195207.
doi: 10.7498/aps.61.195207
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在"强光一号"装置上, 利用微型磁探针系统测量了钨丝阵负载内部的消融等离子体携带的电流, 对比了有无泡沫柱两种负载条件下内部电流分布的差异, 获得了稳定可靠的实验数据. 实验中使用了由42 根4.2 μm 钨丝组成的直径12 mm 的丝阵负载, 脉冲电流峰值为1.34 MA, 上升时间约70 ns. 结果表明: 在电流放电开始约20 ns 后, 半径3.2 mm 处的磁探针有明显的信号输出, 随后的20 ns 内, 内部等离子体分流比迅速上升至约20%, 并在30—40 ns 内基本保持稳定. 丝阵加载泡沫柱后, 内部电流值在Z 箍缩前期没有明显变化.
2012, 61 (19): 195208.
doi: 10.7498/aps.61.195208
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在实验上研究了高压交流电弧发生器电极间隙的气体放电及等离子体振荡, 观察到了气体放电过程中的纳秒脉冲.以电子的流体运动方程和麦克斯韦方程为理论基础, 利用函数来描述交变外电场作用下电极处的电子堆积现象,建立了常压下气体放电时等离子体在外电场中振荡的理论模型,通过Laplace变换求解出电极间的放电电压.理论与实验结果基本符合, 从而可估算出实验中等离子体的电子数密度为1.3 1012/m3.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
编辑推荐
2012, 61 (19): 196101.
doi: 10.7498/aps.61.196101
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以氮气为雾化气体采用喷射成形工艺制备了FGH4095高温合金沉积坯, 记录了沉积过程坯体表面温度曲线, 并采用定量金相法、排水法测试了坯体致密度, 观察了坯体晶粒及'相的形貌. 结果表明采用氮气作为雾化介质进行喷射成型喷射沉积坯基体致密度可达99%以上, 但也存在着较大的(12m)的气孔, 经热等静压和近等温锻后宏观气孔闭合, 氮以尺寸不超过1 m的碳氮化物形式存在. 喷射沉积坯以等轴晶组织为主, 坯体内部平均晶粒尺寸约为2040 m, 近表面区域晶粒较细, 约为13 m; 一次' 相多数呈尺寸约0.30.5 m不规则块状形貌. 喷射成形坯组织结构的形成与喷射成形过程的降温过程有密切关系.
2012, 61 (19): 196102.
doi: 10.7498/aps.61.196102
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本文采用顶部籽晶熔渗方法(TSIG), 研究了不同粒径纳米Y2Ba4CuBiOy粒子对单畴YBCO超导块材的生长形貌、微观结构及其磁悬浮力的影响.实验所用纳米Y2Ba4CuBiOy粉体的平均粒度分别为283.0 nm, 170.4 nm以及82.5 nm, 每种粉体在YBCO超导块材中的含量均为2 wt%. 研究结果表明: 在掺杂量为2 wt%的情况下, Y2Ba4CuBiOy粉体的粒度并不影响样品的宏观形貌, 均可制备出单畴YBCO块材; 并且成功地将纳米Y2Ba4CuBiOy粒子引入单畴YBCO块材中, 且使其均匀分布, 但样品中的Y2Ba4CuBiOy粒子均小于其初始粉体的粒度, 分别减小到270 nm, 150 nm和50 nm; 随着Y2Ba4CuBiOy粉体初始粒度的减小, 样品的磁悬浮力逐渐增大, 分别为10 N, 17 N, 22 N. 该结果为进一步研究纳米磁通钉扎中心的引入方法及提高YBCO超导块材的性能有重大意义.
2012, 61 (19): 196103.
doi: 10.7498/aps.61.196103
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随着尺寸不断缩减, 串扰对单粒子效应的影响越来越重要. 为了量化串扰效应对单粒子瞬态(SET)的影响, 基于SET等效电路和互连线的6 结点模型, 利用所定义的导纳的四种规则, 简化计算, 推导了单粒子串扰(SEC)的解析模型. 通过求导和泰勒公式, 导出了串扰电压峰值的表达式. 仿真结果显示, 该解析模型与SPICE电路的一致性较好, 平均相对误差为2.51%, 最大误差为5.11%.
2012, 61 (19): 196201.
doi: 10.7498/aps.61.196201
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利用轻气炮加载技术和光透射测量技术, 观测了冲击加载过程中水/石英界面处的水结构变化.实验发现,冲击条件(0.5—2 GPa, 335—375 K)下水在液相区内能够发生结构改变且起始于水/石英界面,结构改变的速率和程度与石英界面的特性有关.证实在固/液相边界一定区域内的液态水,在经历高温高压状态的变化中表现出特殊的相转变现象.同时,研究表明液态水结构转变的过程区分为明显的四个动力学阶段.
2012, 61 (19): 196202.
doi: 10.7498/aps.61.196202
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进行了1027 GPa应力范围内Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金属玻璃的平面冲击实验以研究其高压-高应变率加载下的塑性行为.由样品自由面粒子速度剖面的分析获得了冲击加载过程的轴向应力,并通过轴向应力与静水压线的比较获得剪应力.实验结果表明,尽管存在明显的松弛效应,但Zr基金属玻璃的Hugoniot弹性极限随着冲击应力的增加而增加.然而,塑性波阵面上的剪应力则显示先硬化而后软化现象,而且软化的幅度随冲击应力的增加而增加.冲击加载下Zr基金属玻璃的上述剪应力变化特征与分子动力学模拟结果比较一致,但与压剪实验结果和一维应力冲击实验结果明显不同.
2012, 61 (19): 196203.
doi: 10.7498/aps.61.196203
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本文通过差示扫描量热分析(DSC)法测试了经4 GPa压力处理前后, T8钢在加热过程中固态相变温度和转变时间,计算其相变激活能和Avrami指数, 并结合金相组织观察, 探讨了4 GPa压力处理对T8钢在加热过程中固态相变动力学的影响.结果表明: 4 GPa压力处理能使T8钢组织中形成奥氏体的温度向低温移动, 相变时间和Avrami指数减小, 相变激活能增大, 有利于形成尺寸细小的晶粒, 但对其相变机理的影响不大.
2012, 61 (19): 196301.
doi: 10.7498/aps.61.196301
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兰姆波在声子晶体薄板中的传播特性因其在无损检测、 减振技术和传感器件等领域的潜在应用价值而受到越来越多的关注. 本文采用超原胞平面波展开法和有限元法系统地研究了复合对称结构声子晶体薄板中的兰姆波超宽部分禁带. 结果表明: 对于在薄板侧面对称地嵌入双层矩形空气柱构成的复杂系统, 低阶兰姆波部分带隙结构极为丰富. 将晶格常数(L)和板厚(H) 比值具有匹配关系的兰姆波声子晶体衔接构成复合结构, 低阶兰姆波部分禁带宽度因各组分结构的部分禁带交叠而得到显著拓宽, 可在低频超宽频带内实现对特定低阶兰姆波模式良好的模式选择功能. 该研究结果对兰姆波缺陷无损检测中模式优化选择及兰姆波单向导通器件设计等方面具有重要意义.
2012, 61 (19): 196401.
doi: 10.7498/aps.61.196401
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以SCN-30wt%H2O, SCN-50 wt%H2O和SCN-80 wt%H2O三组透明体系, 在恒温场下实现了形核和调幅分解两种过程; 在此基础上, 施加温度梯度, 研究了第二相液滴的迁移运动规律. 结果表明, 相分离在临界成分体系以调幅分解方式进行, 在另外两种体系中以形核长大方式进行; 调幅分解与形核过程相比, 反应进行得更快, 液滴长大到同一尺寸所需时间仅为形核所需时间的1/3—1/2. 且临界成分体系有更大的不混溶间隙, 所以第二相液滴具有更多迁移时间, 揭示了偏晶体系相分离过程中在临界成分处易获得壳-核组织的内在机理. 在单向温度场中, 测量了不同半径的液滴迁移速率, 并且与理论Marangoni迁移速率值作比较, 发现液滴迁移速率和Marangoni理论迁移速率符合较好. 说明了在较好地抑制自然对流条件下Marangoni迁移对于相分离过程起主要作用.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2012, 61 (19): 197101.
doi: 10.7498/aps.61.197101
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采用基于第一性原理的赝势平面波方法系统地计算了LiBX2 (B= Ga, In; X= S,Se,Te) 晶体的光学性质与力学性质. 由禁带宽度推断出晶体抗激光损伤阈值的大小顺序为LiGaS2 > LiInS2 > LiGaSe2 > LiInSe2 > LiGaTe2 > LiInTe2. 六种晶体在常压下均满足机械力学稳定性要求, 且铟化合物可塑性及延展性强于镓化合物. 这些晶体的静态电介电常数 ε1(0)、静态折射率n(0)和双折射率Δn 理论计算值与实验值相符. LiGaS2, LiInS2, LiGaSe2, LiInSe2和LiGaTe2五种化合物双折射率较高, 并且它们的吸收谱与反射谱在中远红外区是透过的, 因此可推断出这五种化合物可以成为优异的中远红外非线性光学材料.
2012, 61 (19): 197102.
doi: 10.7498/aps.61.197102
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本文采用第一性原理框架下的赝势平面波方法结合振动类德拜模型研究了α,β和γ-Si3N4在高温下的点阵常数,弹性常数和弹性模量.研究发现三种同质异相体的体模量都很高.β-Si3N4在低温下表现出脆性,在高温下则表现出延展性.γ-Si3N4在低温和高温下都是脆性的共价化合物.β → γ 相变的相界斜率为正值,说明在较高温度时合成γ-Si3N4所需的压强也较高.α → γ 相变的相界可以表示成 P=16.29- 1.835-10-2 T+9.33945-10-5T2-2.16759-10-7T3+2.91795-10-10T4.本文还分析了Si3N4同质异相体在高压下的态密度和能带.在α-Si3N4中主要是Si-s, p和N-s,p的轨道杂化对晶体的稳定性起作用.α和β-Si3N4都具有ΓV-ΓC类型的间接带隙(分别是4.9~eV和4.4~eV)而γ-Si3N4具有直接带隙(3.9~eV). 研究还发现α-Si3N4和β-Si3N4的价带顶分别沿着Γ-M和Γ-A方向.本文的计算结果和已有的实验数据是一致的.
2012, 61 (19): 197201.
doi: 10.7498/aps.61.197201
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在室温下制备了基于氧化铟锡(ITO)的底栅结构无结薄膜晶体管. 源漏电极和沟道层都是同样的ITO薄膜材料,没有形成传统的源极结和漏极结, 因而极大的简化了制备流程,降低了工艺成本.使用具有大电容的双电荷层SiO2作为栅介质, 发现当ITO沟道层的厚度降到约20 nm时, 器件的栅极电压可以很好的调控源漏电流. 这些无结薄膜晶体管具有良好的器件性能: 低工作电压(1.5 V), 小亚阈值摆幅(0.13 V/dec)、 高迁移率(21.56 cm2/V·s)和大开关电流比(1.3× 106). 这些器件即使直接在大气环境中放置4个月, 器件性能也没有明显恶化:亚阈值摆幅保持为0.13 V/dec,迁移率略微下降至18.99 cm2/V·s,开关电流比依然大于106.这种工作电压低、工艺简单、 性能稳定的无结低电压薄膜晶体管非常有希望应用于低能耗便携式电子产品以及新型传感器领域.
2012, 61 (19): 197301.
doi: 10.7498/aps.61.197301
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该文分别研究了在三种极限情况下费米超流气体在幺正极限区域的非线性Ramsey干涉图样的频率与系统参数之间的关系, 研究发现费米子间的相互作用以及双势阱间最低能量差对干涉图样的角频率有显著的影响. 通过数值模拟和理论分析, 得到了干涉图样的角频率和系统参数之间的关系, 发现数值和解析结果符合得很好.
2012, 61 (19): 197401.
doi: 10.7498/aps.61.197401
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利用混合物理化学气相沉积法(hybrid physical-chemical vapor deposition, HPCVD)可以制备出高性能的MgB2超导薄膜, 再对薄膜进行钛(Ti)离子辐照处理.经过辐照处理后的样品被掺入了Ti元素, 与未处理的干净MgB2样品相比,其超导转变温度没有出现大幅度的下降, 而在外加磁场下的临界电流密度得到了明显的提高,同时样品的上临界磁场也得到了提高. 在温度5 K, 外加垂直磁场为4 T的情况下, Ti离子辐照剂量为1 1013/cm2的样品的临界电流密度达到了1.72 105 A/cm2, 比干净的MgB2要高出许多,而其超导转变温度仍能维持在39.9 K的较高水平.
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2012, 61 (19): 197501.
doi: 10.7498/aps.61.197501
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采用化学镀方法制备出纳米磁性金属包覆碳纤维吸收剂, 分析比较了包覆前后纳米纤维长度对吸收剂电磁参数和比饱和磁化强度的影响. 在此基础上优化制备了雷达波吸收涂层样板, 检测结果表明, 制备的样板具有较好的雷达波吸收性能.
2012, 61 (19): 197701.
doi: 10.7498/aps.61.197701
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弛豫铁电体铁电相变的介电弛豫性涉及外来离子掺杂或原有离子的有序排列, 需要深入理解和有效统一的表征. 针对高浓度施主掺杂在晶粒中产生金属离子缺位, 降低居里温度并引起钛酸钡基铁电材料扩散相变的现象, 分析了高斯型的杂质分布、居里温度分布和金属离子缺位分布的等效对应关系, 得出了在介电常数峰值温区金属离子缺位浓度随温度降低而作用增大的结论, 认为金属离子缺位引起的单极电荷在电场作用下的跳跃运动有可能引起介电弥散和介电损耗. 提出了用‘弛豫度’表征铁电弛豫程度.
2012, 61 (19): 197702.
doi: 10.7498/aps.61.197702
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本文研究了在真空、空气和氧气中烧结制备的三种 CaCu3Ti4O12陶瓷材料的介电特性. 交流阻抗测量结果表明在10—300 K温度范围, 三种样品的介电温谱中均出现三个平台, 其电阻实部和电容虚部在相应温度出现损耗峰, 真空条件烧结的样品具有较高的介电平台和较明显的电阻实部与电容虚部峰值, 表明氧含量和氧空位对CaCu3Ti4O12的介电性质具有重要影响, 介电温谱出现的三个平台分别源于晶粒、晶界及氧空位陷阱.温谱分析表明晶粒的激活能与烧结气氛有较大关系,氧空位引起的电子短程跳跃及跳跃产生的极化子是晶粒电导和电容的主要起源.氧空位陷阱的激活能基本与烧结气氛无关,约为0.46 eV. 氧空位对载流子的陷阱作用是CaCu3Ti4O12 低频高介电常数的重要起源.
2012, 61 (19): 197703.
doi: 10.7498/aps.61.197703
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采用传统固相烧结工艺, 结合特殊的气氛控制技术,制备了铌酸钾钠(KNN)基无铅透明陶瓷 xBa(Sc0.5Nb0.5)O3-(1-x) (K0.5N0.5)NbO3 (简写xBSN-(1-x)KNN). 并对其微观结构、介电、铁电性能和光学透光率进行了研究. 结果表明该体系陶瓷具有准立方钙钛矿结构, 没有其他杂相, 晶粒大小与可见光波长相当, 高度致密, 无明显的晶界存在. 在 x=0.05时, d33最高可达到110 pC/N, 2Pr达到25.4 C/cm2. 同时该材料具有良好的透明性, 在可见光范围内,透过率达到54%左右, 近红外2500 nm处,透过率接近83%, 是一种有望取代铅基透明陶瓷的环境友好型无铅透明陶瓷.
2012, 61 (19): 197801.
doi: 10.7498/aps.61.197801
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在水相合成CdTe以及CdTe/CdS核壳结构量子点基础上, 利用基于抽运-探测技术的瞬态差分透射技术研究了CdTe量子点以及不同CdS壳层厚度的CdTe/CdS量子点的最低激子能态的超快激发与弛豫动力学. 研究表明:相比于CdTe,CdTe/CdS量子点的电子空穴由于空间分离,其所需的激发时间要长于电子空穴空间重叠态所需要的激发时间.随着壳层厚度的增加, 量子点表面的钝化有效地减少了表面态相关弛豫机理,并延长相对应的弛豫时间.
2012, 61 (19): 197901.
doi: 10.7498/aps.61.197901
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采用波长为355 nm的纳秒紫外重复脉冲激光对单晶硅片进行了盲孔加工实验, 观测了随脉冲增加激光烧蚀硅片的外观形貌和盲孔孔深、孔径的变化规律, 并对紫外激光辐照硅片的热力学过程进行了分析. 研究结果表明:紫外激光加工硅盲孔是基于热、力效应共同作用的结果, 热效应会使得硅材料熔化、气化甚至发生电离产生激光等离子体,为材料的去除提供条件;激光等离子体冲击波以及高温气态物向外膨胀会对熔化材料产生压力致使其向外喷射,为重复脉冲的进一步烧蚀提供了条件;力效应主要沿着激光传输的方向,垂直于硅表面,使得去除部位主要集中在孔的深度方向,达到较高的孔径比,实验观察孔径比可达8:1;此外,激光等离子体的产生也阻止了激光对靶面的作用,加之随孔深的增加激光发生散焦,使得烧蚀深度有一定的限制,实验观察烧蚀脉冲个数在前100个时加工效率较高.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2012, 61 (19): 198101.
doi: 10.7498/aps.61.198101
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本文采用磁控溅射法, 衬底温度500 ℃下在硅衬底上分别制备具有Ge填埋层的a-Si/Ge 薄膜和a-Si薄膜, 并进行后续退火, 采用Raman光谱、X射线衍射、原子力显微镜及场发射扫描电镜等对所制薄膜样品进行结构表征. 结果表明, Ge有诱导非晶硅晶化的作用, 并得出以下重要结论: 衬底温度为500 ℃时生长的a-Si/Ge薄膜, 经600 ℃退火5 h Ge诱导非晶硅薄膜的晶化率为44%, 在相同的退火时间下退火温度提高到700 ℃, 晶化率达54%. 相同条件下, 无Ge填埋层的a-Si薄膜经800 ℃退火5 h薄膜实现晶化, 晶化率为46%. 通过Ge填埋层诱导晶化可使在相同的条件下生长的非晶硅晶薄膜的晶化温度降低约200 ℃. Ge诱导晶化多晶Si薄膜在Si(200)方向具有高度择优取向, 且在此方向对应的晶粒尺寸约为76 nm. 通过Ge诱导晶化制备多晶Si薄膜有望成为制备高质量多晶Si薄膜的一条有效途径.
2012, 61 (19): 198102.
doi: 10.7498/aps.61.198102
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采用直流三极溅射装置制备获得了CuInS2薄膜, 其中溅射靶采用一定面积比的[Cu]/[In]混合靶,反应气体采用CS2气体. 本文中主要研究了0.02 Pa分压反应气体条件下不同面积比的[Cu]/[In]混合靶和沉积基板温度对CuInS2薄膜结构和成分的影响, 其中CuInS2薄膜制备所用时间为2 h生长的厚度为1—2 μm. 通过对CuInS2薄膜的EPMA, X射线衍射测试分析表明, 最佳的CuInS2薄膜可在面积比[Cu]/[In]混合靶为1.4:1和可控温度(150, 250和350 ℃)的条件下制备获得, 并且其结构被确认为黄铜矿结构. 通过实验结果计算出CuInS2薄膜层有约为8.9%的C杂质含量.
2012, 61 (19): 198103.
doi: 10.7498/aps.61.198103
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本文以Zn(CH3COO)22H2O, Mn(CH3COO)24H2O和氨水缓冲溶液为原料, 在4 T脉冲磁场下利用水热法制备了Mn掺杂ZnO稀磁半导体晶体, 通过X射线衍射、 扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱、荧光分光光度计及振动样品磁强计等对样品的微观结构及磁性能等进行了表征, 结果表明: Mn掺杂ZnO稀磁半导体晶体仍保持ZnO六方纤锌矿结构, 4 T脉冲磁场下合成的Mn掺杂ZnO稀磁半导体晶体具有明显的室温铁磁性, 其饱和磁化强度(Ms)为0.028 emu/g, 比无脉冲磁场下制备的样品提高一倍以上, 且4 T 脉冲磁场将样品的居里温度提高了15 K.
2012, 61 (19): 198104.
doi: 10.7498/aps.61.198104
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本文研究了150 ℃, 1.0× 104 A/cm2条件下电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Au/Pd/Ni-P倒装焊点界面反应的影响. 回流后在solder/Ni和solder/Ni-P的界面上均形成(Cu,Ni)6Sn5类型金属间化合物. 时效过程中两端界面化合物都随时间延长而增厚, 且化合物类型都由(Cu,Ni)6Sn5转变为(Ni,Cu)3Sn4. 电迁移过程中电子的流动方向对Ni-P层的消耗起着决定性作用. 当电子从基板端流向芯片端时, 电迁移促进了Ni-P层的消耗, 600 h后阴极端Ni-P层全部转变为Ni2SnP层. 阴极界面处由于Ni2SnP层的存在, 使界面Cu-Sn-Ni三元金属间化合物发生电迁移脱落溶解, 而且由于Ni2SnP层与Cu焊盘的结合力较差, 在Ni2SnP/Cu界面处会形成裂纹. 当电子从芯片端流向基板端时, 阳极端Ni-P层并没有发生明显的消耗. 电流拥挤效应导致了阴极芯片端Ni层和Cu焊盘均发生了局部快速溶解, 溶解到钎料中的Cu和Ni原子沿电子运动的方向往阳极运动并在钎料中形成了大量的化合物颗粒. 电迁移过程中(Au,Pd,Ni)Sn4的聚集具有方向性, 即(Au,Pd,Ni)Sn4因电流作用而在阳极界面处聚集.
2012, 61 (19): 198701.
doi: 10.7498/aps.61.198701
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昼夜生理节律使得生物体的生理和行为能够适应外界环境的昼夜循环变化. 实验发现在果蝇的细胞质中存在由PER-TIM复合体组成的间隔计时器. 本文提出了这个间隔定时器的一种可能的数学模型. 模型的特点是大聚合物, 快速交换, 不同磷酸化位点有不同功能. 模拟结果基本与实验相符, 符合PER-TIM间隔定时器的主要时间特征并重现了perL 变异细胞系中定时器的特点, 以及PER和TIM蛋白进入细胞核的三种不同类型的过程.
2012, 61 (19): 198801.
doi: 10.7498/aps.61.198801
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在柔性聚酰亚胺衬底上低温制备Cu(In,Ga)Se2薄膜太阳能电池, Na的掺入会改善电池特性, 但不同的掺Na工艺对Cu(In,Ga)Se2薄膜和器件特性的改善机理不同. 本实验通过对比前掺NaF和后掺NaF工艺发现, 在前掺Na工艺下, 由于Na始终存在于Cu(In,Ga)Se2薄膜生长过程中, Na存在于多晶 Cu(In,Ga)Se2 薄膜晶界处, 起到了扩散势垒的作用, 导致晶粒细碎、加剧两相分离, 同时减小了施主缺陷的形成概率; 而在后掺Na工艺下, 掺入的Na对薄膜的结构及生长不产生影响, 仅仅起到了钝化施主缺陷、改善薄膜缺陷态的作用. 同时, 研究表明, 后掺Na工艺中, NaF必须依靠外界能量辅助才能扩散进Cu(In,Ga)Se2内部, 实验结果证实, 只有衬底温度达到350 ℃以上时, 掺入的NaF才能较好地改善薄膜特性. 最终经掺Na工艺的优化, 得到低温工艺制备的柔性聚酰亚胺衬底器件效率达10.4%.
地球物理学、天文学和天体物理学
2012, 61 (19): 199201.
doi: 10.7498/aps.61.199201
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在全球气候变暖背景下1980年代中期中国西北西部气候发生了年代际突变,降水明显增加且主要是极端降水的贡献. 本文用欧洲中期预报中心再分析资料ERA-40计算了瞬变涡动、环流、水汽输送及其散度等的年代际变化并进行了分解分析. 结果表明, 1987年后大气环流年代际变化形成"东高西低"环流背景场,西风带向该区的水汽输送增加, 水汽辐合增强,其中主要是定常波水汽输送的贡献, 其结果是造成该区及周边空气水汽含量上升, 有利于降水或极端降水的增加. 夏季该区瞬变涡动增强且造成水汽辐合, 增加了降水天气出现的频率; 冬季瞬变涡动减弱, 天气过程减少, 说明降雪增加的原因应该是空气水汽含量增加, 导致降雪强度增加. 因此该区降水的增加即有中高纬度大气变暖变湿的贡献,也有瞬变涡动的动力作用. 未来西北西部降水的趋势主要取决于瞬变涡动与大气水汽含量变化的竞争．
2012, 61 (19): 199202.
doi: 10.7498/aps.61.199202
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在低对流层,传统的闭环模式容易造成较大的信号追踪误差. 开环模式通过内部或外部方式消除导航资料调制(navigation data modulation, NDM)对大气反演的影响,能够准确地恢复信号的相位. 内部和外部方式的区别是,前者通过信号相邻采样的内在联系移除NDM, 后者利用卫星导航位元数据进行处理. 通过内部和外部两种方式处理COSMIC (constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)掩星数据,利用全谱反演方法获得弯曲角,通过Abel积分变换计算折射率. COSMIC掩星个案分析表明,在低对流层,内部方式可能会导致信号的半周跳现象, 从而造成反演的折射率出现误差. 分别用上述两种方式对2007年第71天至73天共约3130个COSMIC掩星开环数据进行处理. 将折射率反演结果与ECMWF(european centre for medium-range weather forecasts)分析场资料进行统计比较,结果显示:外部处理方式的探测深度比内部方式低100 —200 m. 在热带的3 km以下,内部方式具有比外部方式稍大的折射率负偏差. 因此,外部方式能够得到比内部方式略优的反演结果.
2012, 61 (19): 199203.
doi: 10.7498/aps.61.199203
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集合预报是考虑初始条件和模式不确定性的有效途径. 结合延伸期可预报性特征,对具有不同特性的可预报分量和随机分量采用不同的集合预报方案和策略,发展了一种基于延伸期可预报性的集合预报新方法(PBEP).该方法以延伸期数值预报模式为平台,对可预报分量采用多个模式误差订正方案,从考虑模式不确定性的角度进行集合;而对随机分量则利用历史资料从气候概率的角度给出集合概率分布,避免模式误差对随机分量概率分布的影响.试验结果表明,相比于国家气候中心的业务动力延伸集合预报系统,该集合预报方法对全球各区域环流预报技巧均有提高,对不同空间尺度的波也有不同程度的改进,显示出潜在的业务应用前景.
2012, 61 (19): 199401.
doi: 10.7498/aps.61.199401
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通过大功率极低频(ELF)/甚低频(VLF)高频调幅波能有效地扰动低电离层电流, 形成等效的ELF/VLF电离层虚拟天线,辐射ELF/VLF波, 所辐射出的低频信号能够传播进入到磁层,对其传播特性的研究对于理解辐射带高能电子沉降具有重要意义.本文基于磁层射线追踪理论,通过数值模拟得到在低纬地区所激发出的ELF波在磁层中的射线路径,并对其特征进行分析.数值模拟结果表明, 从低纬激发的ELF波在南北半球来回弹跳,并逐渐传播到更远处,对于不同频率的ELF波, 频率越高,传播距离越近,频率越低,传播距离越远,在传播过程中, ELF波会逐渐倾向于在一个固定的磁层区域附近来回反射,在此过程中波法向角也逐渐变为90°,射线方向倾向于沿着背景磁场方向传播.
