专题: 柔性电子
2020, 69 (17): 170202.
doi: 10.7498/aps.69.20200867
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随着电子器件向着小型化、功能化的方向迈进, 可穿戴电子器件受到越来越多的关注, 但是可穿戴电子器件的能源供给问题目前仍亟待解决. 基于摩擦起电与静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机具有成本低、选材广、柔性等特点, 可以收集人体的低频、不规律能量并高效地转化为电能, 在可穿戴带能源器件领域有着巨大的发展潜力. 本文将首先介绍摩擦纳米发电机的四种基本工作模式以及摩擦起电机理的最新研究, 然后从贴敷于人体皮肤的直接式能源收集与附着于衣物、鞋子等人体附属物的间接式能源收集两个部分详细综述基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件的研究进展. 最后, 对用于驱动电子器件的能量管理模块进行系统介绍, 分析讨论目前可穿戴能源器件发展中的问题和瓶颈, 探讨未来的发展方向.
2020, 69 (17): 170701.
doi: 10.7498/aps.69.20200784
摘要 +
柔性电子与柔性传感器件未来将广泛应用在物联网、可穿戴、可植入系统中, 例如人体健康监控、触觉感知人造感官以及智能机器人电子皮肤等. 柔性压电纳米发电机的能量转换特性, 使其不仅可以作为供能器件, 而且可以作为传感器件提供传感信号, 可以解决柔性电子与自驱动技术中存在供能与性能的限制. 纳米发电机利用调控界面与表面的极化电场可以获得高性能传感与能量存储, 提供自驱动特性, 同时具有与目前电子技术相媲美的高性能. 本文综述了柔性压电纳米发电机在柔性传感与能量存储领域的最新研究进展.
2020, 69 (17): 177401.
doi: 10.7498/aps.69.20200632
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可拉伸导体因能够适应较大的变形以及与三维不规则表面实现无缝接触, 受到了广泛关注, 在信息、能源、医疗、国防等领域具有广阔的应用前景. 在过去的几十年中, 人们开发出了很多性能优异的导电纳米材料, 如金属纳米线、碳纳米管、石墨烯和导电聚合物等. 将导电纳米填料均匀分散到聚合物基质中是制备弹性导体的一种有效方法, 可以实现导电性和拉伸性; 另一种方法则是对导电复合物进行结构设计, 引入可拉伸结构(如褶皱, 网型, 蛇形等), 实现大形变下的性能稳定. 本文主要总结了近五年来在弹性导体领域的最新进展, 并指出了当前弹性导体领域存在的挑战. 另外还讨论了一些柔性电子器件, 如发光二极管、传感器、加热器等的研究现状, 指明了柔性电子器件的发展趋势.
2020, 69 (17): 178102.
doi: 10.7498/aps.69.20200987
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柔性压力传感器作为一种新型的电子器件, 它在人机交互、医疗健康、机器人触觉等应用领域具有比刚性传感器更大的优势, 但也对材料提出了更严格的要求. 例如, 它要求构成器件的材料很薄、较软, 在某些情况下可贴合于人体皮肤表面或者植入体内, 这进一步要求材料具有良好的生物相容性, 并能与生物组织实现良好的力学匹配. 在器件性能方面, 柔性压力传感器的设计主要关注于灵敏度、响应时间、检测限、稳定性等性能的提高. 最近, 研究者们又将目光拓展到了器件的压力响应范围、压力分辨率、空间分辨率及拉伸性能等, 使得传感器具有更广阔的应用前景. 本篇综述介绍了近年来柔性压力传感器研究的进展, 主要包括柔性压力传感器的传感原理、传感性能及应用前景, 并最后对该类器件的发展进行了展望.
2020, 69 (17): 178201.
doi: 10.7498/aps.69.20200159
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随着柔性电子产品的不断发展, 纤维状超级电容器(fiber-shaped supercapacitors, FSCs)凭借其重量轻、体积可控、弯曲拉伸性能好、可编织等优点引起了广泛关注. FSCs凭借着独特的一维纤维结构, 可以与其他各类用电器件和发电器件等复合成多功能集成柔性电子器件, 在可穿戴电子织物领域有着巨大的应用前景, 被人们寄予了厚望. 本文叙述了FSCs的最新进展, 首先介绍了不同的纤维基底并分析了各自的优缺点; 接着, 总结了用于FSCs的碳材料、金属氧化物、金属硫化物、导电聚合物和混合纳米复合材料等电极材料, 通过分析不同电极材料之间的区别和特性, 表明不同的电极材料适用于不同用途的FSCs; 然后, 总结了FSCs在与其他元器件复合形成集成器件方面的应用, 包括与一般用电器件、传感器、其他光电转化等发电器件集合成复合器件并应用到实际场景; 最后, 通过总结近年来FSCs研究所取得的成果, 概述该领域当前面临的挑战, 针对性地提出了目前FSCs发展的瓶颈和问题, 并提出了对未来发展方向的设想和建议.
2020, 69 (17): 178701.
doi: 10.7498/aps.69.20200664
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柔软、轻薄的皮肤电子器件是当今的研究热点之一, 在健康监测、疾病预防及治疗方面有诸多应用. 但是目前柔性能量供给器件从厚度和尺寸上仍然无法满足皮肤电子的集成要求. 本文主要阐述一种应用压电橡胶复合材料的柔性皮肤电子器件, 采用压电陶瓷材料锆钛酸铅(PZT)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和石墨烯的混合体系组成柔性传感器. 混合后的压电橡胶材料柔软, 轻薄, 延展性良好, 结合优化力学性能的蛇形结构叉指电极以及PDMS柔性基底, 使该器件柔软、可拉伸, 能与皮肤无缝紧密贴合. 该触觉感知柔性皮肤电子器件不仅可以准确测量2.84—11.72 kPa范围的压力, 且能够适应弯曲、拉伸等机械变化, 并且在不同方向上的拉伸应变达到20%时都仍然能保持良好的压电性能, 证明该器件可以在人体日常动作造成的皮肤应变下保持良好的稳定性能. 该器件可以贴于体表以监测并区分触摸、点按、轻拍、敲击等动作, 输出的电能足够点亮15个LED灯泡, 在自供能皮肤电子领域有巨大发展和应用潜力.
2020, 69 (17): 178702.
doi: 10.7498/aps.69.20200617
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忆阻器作为一种可实现高密度、多功能、低功耗、多级数据存储的新型电子元器件, 为电路结构设计、信息存储理论及突触仿生模拟等领域带来了重大变革. 在广泛的忆阻器种类中, 蛋白质基忆阻器由于具有结构可控降解、原料丰富低廉、生物兼容等优势, 在可植入计算、人机交互、人机结合等前沿信息技术领域有着其他材料基忆阻器无可比拟的天然优势, 因此被视为是构建下一代高科技信息电子产品最具潜力的候选者. 本文归纳了近期蛋白质基忆阻器的研究进展, 首先总结了部分蛋白质的研究进展, 包含被广泛研究的鸡蛋白蛋白及性能优越的人工重组蛋白等, 然后进一步介绍了蚕丝蛋白基忆阻器的研究历程, 详细介绍了功能化策略所带给蚕丝蛋白基介观忆阻器的性能提升, 并分析了功能化蚕丝蛋白结构与性能之间的构效关系. 最后对蛋白质基忆阻器性能进行了综合分析, 并展望了该生物电子器件的未来发展契机.
2020, 69 (17): 178703.
doi: 10.7498/aps.69.20200818
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近年来, 可穿戴电子产品得到了广泛的研究, 为健康监测、人类疾病诊断和治疗以及智能机器人提供了新的机会. 传感器是可穿戴电子产品的关键组成部分之一. 蚕丝(bombyx mori)材料具有高产量、优异的拉伸强度(0.5—1.3 GPa)和韧性(6 × 104—16 × 104 J/kg)、良好的生物相容性、可降解性以及易加工性等特征. 随着生物材料和相关制造技术的快速发展, 蚕丝基先进材料被研究应用在可穿戴传感器中. 本文首先介绍了蚕丝自下而上的层结构以及蚕丝基先进材料的形态和特点, 随后综述了近年来蚕丝在可穿戴传感领域的研究进展, 包括机械(应力、应变)传感器、电生理传感器、温度传感器及湿度传感器等. 讨论和总结了不同传感器的工作机制、结构和性能, 蚕丝蛋白在其中的作用以及它们在健康监测中的应用. 最后, 提出蚕丝基可穿戴传感器在实际应用中所面临的挑战和未来展望.
2020, 69 (17): 178704.
doi: 10.7498/aps.69.20201012
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柔性传感器是生物医学领域的研究热点, 受到了广泛的关注. 然而, 柔性传感器需要外部电池供能, 续航时间短, 这成为了制约其发展的瓶颈. 自驱动电子器件概念的提出, 为解决续航问题提供了重要思路. 本文梳理了自驱动柔性生物医学传感器的最新研究进展, 从原理、材料、器件和生物医学应用等角度出发, 概述了不同自驱动技术在人体生理信号传感方面的技术特点与研究现状, 重点介绍了部分穿戴式和植入式自驱动柔性传感器在人体的呼吸、脉搏、温度监测和人工感觉器官中的代表性研究工作. 最后, 本文还对自驱动柔性生物医学传感器当前的挑战和未来的发展趋势进行了展望和总结.
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2020, 69 (17): 178801.
doi: 10.7498/aps.69.20200881
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可拉伸超级电容器因在可穿戴电子和健康监测等领域的潜在应用而受到人们的广泛关注, 它不但具备普通超级电容器功率密度高、循环寿命长、安全、成本低等优点, 而且良好的柔软性和可拉伸性使其能够很好地与可穿戴系统进行集成. 本文对已有文献中可拉伸电极/器件的制备方法进行归类、分析, 详细总结了可拉伸电极/器件的三种制备方法, 即弹性聚合物基底、可拉伸结构设计以及弹性聚合物和可拉伸结构结合; 另外, 还介绍了多功能可拉伸超级电容器和高弹性凝胶电解质的研究进展; 最后, 分析总结了可拉伸超级电容器未来发展中仍需面临的一些挑战. 期望能够激发更多的研究创造以推动可拉伸超级电容器的实际应用.
综述
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2020, 69 (17): 177801.
doi: 10.7498/aps.69.20200724
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用于核反应堆的金属结构材料中氢/氦泡的前躯体——(氢/氦)-空位复合体的形成受到温度、辐照剂量等多方面因素的影响, 研究其在材料中的形成和演化行为对气泡形核的理解及先进核反应堆材料的发展起着至关重要的作用. 然而, 受到分辨率的局限, 这种原子尺度的微结构很难用电镜等常规方法进行表征, 以致于该问题的研究上可利用的数据相对较少. 正电子湮没谱学是一种研究材料中微观缺陷的特色表征方法, 近些年来慢正电子束流和新型核探测谱仪技术的不断发展以及基于慢束发展起来的多种实验测试方法的改进, 使正电子湮没技术应用已拓展到金属材料中氢/氦行为的研究领域, 在金属材料表面氢/氦辐照损伤的研究中发挥了重要作用. 本文结合国内外相关进展以及本课题组的一些研究成果评述了正电子湮没谱学在金属材料氢氦行为研究中的应用, 着重讨论了正电子湮没寿命谱、多普勒展宽谱、符合多普勒展宽三种测量方法在如下金属材料氢/氦行为研究中的优势: 1)氢/氦气泡尺寸和浓度的估算; 2)高能氢/氦离子辐照损伤缺陷及缺陷的退火、时效的演化行为; 3)不同形变程度样品中氢/氦与形变缺陷的相互作用; 4)不同能量或剂量氢/氦离子辐照对材料造成的损伤以及氢氦协同作用.
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2020, 69 (17): 177101.
doi: 10.7498/aps.69.20200656
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缺陷调控是影响半导体太阳能电池光电转换效率的关键因素. 缺陷与掺杂直接决定半导体中载流子的类型、浓度、传输以及光生载流子的非辐射复合. 真实半导体中存在的缺陷种类繁多, 浓度各异, 使得缺陷, 特别是单个点缺陷性质的实验表征非常困难, 因而理论与计算在缺陷研究中起到了重要的作用. 本文首先介绍了基于第一性原理的缺陷计算方法, 然后以典型太阳能电池材料CdTe, Cu(In, Ga)Se2, Cu2ZnSnS(Se)4和CH3NH3PbI3为例, 详细介绍了如何从理论计算角度认识和调控太阳能电池材料的缺陷性质.
总论
2020, 69 (17): 170201.
doi: 10.7498/aps.69.20191920
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Kalman滤波时间尺度算法是一种实时的原子钟状态估计方法, 在时间保持工作中具有重要的实用价值. 本文引入自适应因子改进Kalman滤波时间尺度算法, 对Kalman滤波时间尺度算法中状态预测协方差矩阵引入自适应因子, 利用统计量实时计算自适应因子的量值, 控制状态预测协方差矩阵的增长, 降低原子钟状态估计的扰动, 从而提高时间尺度的准确度和稳定度. 模拟数据和实测数据表明, 原子钟噪声强度变化时或噪声强度估计存在误差时改进的Kalman滤波时间尺度算法有效地提高了时间尺度的准确度和长期稳定度.
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2020, 69 (17): 170501.
doi: 10.7498/aps.69.20200394
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耦合相振子的同步研究对理解复杂系统自组织协同的涌现具有重要的理论意义. 相比于传统耦合振子的两体成对耦合, 多重耦合近年来得到广泛的关注. 当相振子间的多重耦合机制起主要作用时, 系统会涌现一系列去同步突变, 这一新颖的动力学特性对理解复杂系统群体动力学提供了重要的理论启示. 本文研究了平均场的三重耦合Kuramoto系统的同步动力学, 发现了去同步转变具有不可逆性, 并利用平均场自洽方法和无序态线性稳定性分析揭示了不可逆去同步突变的动力学机制. 进一步研究发现, 随着振子自然频率分布半宽度的变化, 系统会经历一系列去同步驻波态的转变. 在相变临界点, 系统在高维相空间会通过鞍结分岔导致同步态失稳而塌缩至稳定的低维不变环面. 本文的研究揭示了多重耦合函数作用的振子系统的各种协同态及其相变机制, 同时可为理解其他复杂系统(如超网络结构)协同态的动力学转变提供理论借鉴.
封面文章
2020, 69 (17): 172901.
doi: 10.7498/aps.69.20200718
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在基于白光中子源的中子核反应测量中, 伴随中子束的伽马射线是重要的实验本底之一. 本文对中国散裂中子源反角白光中子源的束内伽马射线进行了研究. 通过蒙特卡罗模拟, 得到了伽马射线的能量分布和时间结构. 通过直接测量和间接测量两种方法测得低能中子区的束内伽马射线的时间结构. 直接测量实验中, 将载6Li的ZnS(Ag)闪烁体探测器置于束流线上, 通过飞行时间法直接测量束内的中子和伽马射线的时间结构, 并利用波形甄别技术进行粒子鉴别. 间接测量法是将铅样品置于束流线上, 利用C6D6闪烁体探测器测量样品上的散射伽马射线, 从而得到入射伽马射线的时间结构. 实验测量结果与模拟结果在12 μs—2.0 ms的时间区间内具有较好的一致性.
原子和分子物理学
2020, 69 (17): 173401.
doi: 10.7498/aps.69.20200218
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太赫兹辅助光电离瞬态测量方法可以分辨超快量子拍频, 同时对复杂量子系统的超快密度矩阵演化进行成像. 本文依据这种方法提出了一种具体的实验方案, 利用紫外脉冲(脉宽为30 fs)和高强度太赫兹脉冲(峰值场强: 约1 MV/cm)组成复合探测电场, 探测铷原子$5 {\mathrm{S}}_{1/2} $ 和$5 {\mathrm{P}}_{3/2} $ 叠加态振荡周期约为2.6 fs的量子拍频过程, 量子体系密度矩阵演化的布居项和相干项投影在光电子动量谱的不同位置, 可以对密度矩阵演化实现完全信息测量. 本文设计的实验方案不需要阿秒高次谐波或自由电子激光等复杂的先进光源, 可以成为探索复杂量子体系超快相干动力学过程的新方案.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2020, 69 (17): 174201.
doi: 10.7498/aps.69.20200200
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提出了基于银纳米棒、银纳米盘和石墨烯耦合的多频段等离激元诱导透明(PIT)电磁模型, 通过时域有限差分和辐射双振荡器(RTO)模型从数值计算和理论研究两方面分析了模型的电磁特性. 结果表明: 由于银纳米棒与银纳米盘、银纳米棒与银纳米棒之间的明模-明模耦合, 可以实现在单频段PIT效应的基础之上, 进一步产生双频段和三频段的PIT效应. 其次, 通过改变石墨烯的化学电位势, 可以在单频段、双频段和三频段PIT模型中同时实现谐振频率和透射振幅的可调性. 当化学势增大时, 各频段PIT窗口的谐振频率将会逐渐增大, 发生蓝移. 此外, 随着化学势增加, 银盘和银棒表面电荷数会不断增加、表面电场将不断增强. 同时, 银盘和银棒、银棒和银棒之间的耦合强度也将逐渐增强. 因此, 各频段PIT的透射振幅将会逐渐减小, 振幅调制深度逐渐增大. 进一步研究了单频段PIT模型的传感特性, 该模型随背景材料折射率变化的灵敏度达到了3906.6 nm/RIU. 这为多频带滤波、超灵敏传感器的设计提供了理论参考.
2020, 69 (17): 174202.
doi: 10.7498/aps.69.20200224
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作为相干衍射成像技术的一种, 相干调制成像(coherent modulation imaging, CMI)是一种无透镜相位成像技术, 不同于多光斑相位恢复技术, 通过引入已知的强波前调制, CMI可以实现单次曝光下对入射波前的快速重建, 同时结构简单不需要参考光. 除了能够用于相位成像、解决脉冲光束的在线测量问题外, 本文将其用于精密光学元件(峰谷值(peak value, PV) ≤ 0.5λ, λ = 632.8 nm)的面型检测. 为验证其测量能力, 对10片口径80 mm、PV值介于0.1λ和0.5λ之间的石英窗口进行了重复测量, 相比于商业干涉仪的测量结果, CMI算法测量结果的峰谷比值的标准偏差是0.0305λ (λ = 632.8 nm), 均方根(root-mean-square, RMS)的标准偏差为0.0052λ, 对于PV和RMS的测量精度可达到0.1λ和0.01λ, 为研究其极限性能, 同时对PV = λ/20的平行平晶进行了对比测量, 分析了其噪声来源, 考虑到CMI测量算法仍有很大的改进空间, 其有望成为一种区别于干涉测量的新型高精度光学元件检测技术.
2020, 69 (17): 174203.
doi: 10.7498/aps.69.20200141
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基于现有实验, 本文构建一束弱线性偏振光在平行于传播方向的磁场作用下分裂为两正交偏振光, 当其与三角形三量子点相互作用后形成五能级M型三量子点电磁感应透明介质模型. 随后, 利用多重尺度结合傅里叶积分方法研究体系中的光孤子传播及两孤子间的碰撞特性, 结果发现孤子间的碰撞方式是由其初始相位差所决定. 当孤子间初相位差为0时, 孤子间的碰撞为周期性弹性碰撞; 当初相位差为$\text{π} /4$ , $ \text{π} /2$ 和$ \text{π} $ 时, 孤子间会产生排斥作用力而使两孤子分离. 有趣的是, 孤子间的碰撞特征受量子点间的隧穿强度的调控. 当点间隧穿强度的增加, 初相位差为0的孤子间的碰撞周期减小; 而初相位差为$ \text{π} /4$ , $ \text{π} /2$ 和$ \text{π} $ 时孤子间的排斥力增大. 这为实验上如何操控半导体量子点器件中的孤子动力学提供了一定的理论依据.
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2020, 69 (17): 174204.
doi: 10.7498/aps.69.20200325
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利用双Hanbury Brown-Twiss探测系统理论分析并在实验上精确测量了不同光场的高阶光子关联g(n) (n > 2). 探测系统通过四个单光子计数模块, 探测分析光子时间关联的联合分布概率. 在理论上, 考虑实际探测系统背景噪声和系统效率的影响, 分析研究了热态、相干态、压缩真空态和Fock态的三阶及四阶光子关联的结果, 及其随光场入射光强、压缩参数及光子数的变化. 并在实验中研究了探测系统分辨时间和计数率对相干态和热态的三阶及四阶光子关联的影响. 在分辨时间为210 ns, 计数率为80 kc/s时, 准确测量得到在零延迟处热态的三阶及四阶光子关联, 相对理论值的统计偏差分别为0.3%和0.8%. 此外还测量得到了不同延迟时间下热态的高阶光子关联的结果. 实验表明综合对各种影响因素的分析可精确测量光场的高阶光子关联, 该方法在量子关联成像及光场特性分析中有着重要的应用.
2020, 69 (17): 174205.
doi: 10.7498/aps.69.20200105
摘要 +
根据Drude模型在理论上计算了太赫兹(THz)波段二维黑磷(2D BP)在扶手椅方向(X )和锯齿方向(Y )上电导率随频率的色散及吸收. 发现2D BP在X和Y两个方向上电导率不同, 从而导致了其介电常数的不同, 进而可以对不同偏振方向的THz波起到不同的调制作用. 利用2D BP对THz波具有偏振依赖的特性, 设计了2D BP-SiO2三明治周期结构, 通过三维电磁场仿真软件CST Microwave Studio计算了这种结构对THz波的调控特性, 研究发现, 这种结构对不同偏振方向入射的THz波有不同的吸收; 改变结构中底层SiO2层的厚度, 结构的吸收率也发生了相应的变化. 基于此, 研究提出了这种结构对偏振平行于2D BP扶手椅方向和锯齿方向的THz脉冲有最大吸收率差时的底层SiO2层厚度. 结果表明这种结构可以用于设计新型结构紧凑的THz吸收器和偏振器.
2020, 69 (17): 174206.
doi: 10.7498/aps.69.20200336
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本文发现很有趣的量子效应, 纳米硅表面掺杂氧而形成的电子局域态中电子自旋能级间隔会有明显的展宽, 被约束在局域态中的电子自旋 ±1/2能态间距被展宽两个数量级, 达到100 meV左右. 本文用纳秒脉冲激光在氧氛围中制备了掺杂氧纳米硅结构并形成电子局域态, 在实验检测中探测到了电子自旋能级展宽效应; 用第一性原理模拟计算方法研究了电子自旋能级展宽效应, 具体地对于纳米硅量子点和量子层结构表面的硅氧双键与硅氧桥键局域态中的电子自旋量子态分别进行了模拟计算研究, 证实了实验结果. 结合实验与计算研究结果分析, 建立起电子自旋能级展宽效应的物理模型. 这些工作在量子信息高保真存储与处理上会有很好的应用.
2020, 69 (17): 174207.
doi: 10.7498/aps.69.20200087
摘要 +
为深入理解挖掘ArF准分子激光系统运转机制, 进而获得ArF准分子激光系统设计优化的理论及方向性指导, 文章基于流体模型, 以气体高压放电等离子体深紫外激光辐射过程为主要研究对象, 研究了放电抽运ArF准分子激光系统的动力学特性, 分析了不同缓冲气体中, ArF准分子激光系统极板间电压、电流、光子数密度变化趋势及电子数密度空间分布情况, 讨论了光电离在系统放电过程中的重要作用. 结果表明, Ne作为缓冲气体时, 电子耗尽层及阴极鞘层宽度更小, 放电更加稳定. 在Ne中添加杂质气体Xe, 可以通过光电离加速放电区域的扩展, 减小电子耗尽层及阴极鞘层的宽度, 降低放电发生的阈值电压, 提高放电稳定性.
2020, 69 (17): 174208.
doi: 10.7498/aps.69.20200482
摘要 +
磷酸二氢钾晶体中的缺陷对晶体的激光诱导损伤起着重要作用. 晶体的激光诱导损伤限制了大功率激光系统的发展. 本文用真空紫外光致发光发射谱研究了不同通量辐照下磷酸二氢钾晶体的缺陷. 与11.5 J/cm2辐照下的晶体及退役元件相比, 9 J/cm2辐照下晶体的荧光谱中在231.55 nm处出现了一个新峰. 它可能源于自捕获激子的辐照湮灭. 9.0 J/cm2辐照晶体中主要是短链结构, 而退役元件的损伤较复杂, 有短链、中链和长链结构. 短链中的P—O键比长链中的短, 磷的3s轨道与氧的2p轨道重叠增加, 则自捕获激子的辐照湮灭增强. 结果显示出退役元件与9 J/cm2辐照下晶体的结构不同. 对研究磷酸二氢钾晶体的激光诱导损伤机制有重要意义.
2020, 69 (17): 174701.
doi: 10.7498/aps.69.20200073
摘要 +
采用高效并行的直接数值模拟方法计算了三个Pr数的系列Ra数的二维热对流. 对所有计算结果的平均场温度边界层特性进行研究, 采用考虑脉动作用的双参数温度边界层理论对温度边界层剖面进行拟合, 得到了拟合参数a和参数c的分布. 参数a决定了温度剖面的基本特性, 而参数c起到了对温度剖面外区的修正作用, 使得在5个边界层厚度温度边界层剖面的计算值与理论解符合良好. 参数c的变化特性与参数a的相反, a值增大则c值减小. 不同的Pr数拟合参数a随Ra数变化具有不同的分布特性, 但都存在突然减小的间断. 参数a的间断变化是由湍流热对流流动状态由椭圆形大尺度环流突变到圆形大尺度环流造成的, 且随着Pr数变大间断点的特征Ra数增高. 相同Ra数时Pr数越大温度剖面的拟合参数a值越小, 表明温度边界层中脉动的影响越小. 传热特性$Nu/R{a^{0.3}}$ 、表征羽流运动特性的大尺度环流路径周长, 及温度边界层拟合参数a三者随Ra数的变化都存在转折或间断, 且对应相同的特征Ra数, 显示三者具有很好的相关性并与流动形态变化直接关联.
气体、等离子体和放电物理
2020, 69 (17): 175201.
doi: 10.7498/aps.69.20200468
摘要 +
研究磁化尘埃等离子体的波动机理, 对相关实验、工业加工、天体空间探测等具有重要的价值. 本文研究了非均匀磁化尘埃等离子体系统的线性和非线性波动特性. 对处于均匀外磁场中的非均匀尘埃等离子体系统, 存在密度和温度梯度的非均匀环境, 考虑尘埃和中性粒子的强碰撞作用, 得到了一个二维非线性磁流体动力学方程. 通过线性化得到了色散关系, 系统既有强碰撞引起的阻尼波, 又有粒子漂移产生的谐波; 典型的数值参量分析结果表明, 量子参量修改了系统的尺度; 实频与漂移频率成正比关系, 而虚频与尘埃和中子间的碰撞频率有着比较复杂的关系, 粒子的碰撞引起了系统的耗散效应. 通过函数变换法, 获得了漂移的冲击波和爆炸波的解析解. 详细讨论了静电势随着主要物理量的变化, 研究结果显示, 静电冲击波的幅度和爆炸波的宽度都随尘埃密度和外界磁场强度的增大而增大, 随着碰撞频率的增大而减小, 随漂移速度而变化. 当时空相位较小时, 静电势变化很快, 一旦足够大时, 静电势将趋于稳定值, 最终达到稳定的状态. 最后对系统的稳定性问题进行了分析, 发现尘埃电荷量、量子参量、漂移速度都出现在扰动解中. 本文所得结果表明, 强碰撞效应、量子效应、粒子漂移和外界磁场等主要物理量都对尘埃漂移波的产生、演化和稳定性产生了重要的作用.
2020, 69 (17): 175202.
doi: 10.7498/aps.69.20200215
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质子背光成像技术是一种诊断等离子体电磁场的重要诊断手段. 当质子穿过等离子体的电磁场, 质子受洛伦兹力影响在成像板上重新分布. 如何从质子成像结果中重构电磁场是一个非常重要的研究课题. 本文以激光驱动电容线圈靶为例介绍和对比了粒子追踪法和流量分析法这两种通过质子成像结果重构磁场的方法. 激光驱动电容线圈靶通过激光打靶在电容靶两侧产生电势, 然后很强的电流流过线圈, 最后产生高达千特斯拉的感应磁场, 在激光等离子体实验中这是一种重要的产生磁场的手段. 本工作中先使用粒子追踪法在不同强度的理论磁场环境下得到质子成像结果, 然后使用流量分析法从这些理论质子成像结果重构磁场, 最后对比理论磁场和重构磁场以获得两种方法的优缺点. 粒子追踪法可以重现实验中质子源、等离子体磁场和成像板的布局结构, 但是依赖于精确的理论磁场的计算和庞大的计算量来模拟质子的轨迹, 并需要不断修正理论磁场来获得最接近实验结果的模拟结果. 流量分析法可以直接从实验的质子成像结果重构磁场结构. 但是, 流量分析法只适用于磁场较小的情况, 当磁场较大时其重构的磁感应强度会误差较大. 可以使用一个无量纲参量μ来衡量质子穿过作用区域单位长度后在成像板上的偏折距离, 流量分析法适用于$\mu\ll 1$ 的情况. 并且靶的结构在质子成像上形成的阴影区域也会造成磁场重构时磁场结构的失真.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2020, 69 (17): 176101.
doi: 10.7498/aps.69.20200318
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利用小型脉冲功率装置CQ-4, 实现了RDX单晶(210), (100)两种晶向15 GPa内的斜波压缩加载. 利用激光干涉测速技术, 实验获得了RDX单晶样品与LiF界面的速度历史曲线. 速度曲线表现出明显的三波结构, 表明出现了弹塑性转变和α-γ相变. 分别计算了两种晶向的应力屈服极限和屈服强度, 不同晶向的RDX单晶的屈服极限表现出明显的差别. 并对斜波加载下的α-γ相变特征进行了分析, 两种晶向的相转变起始压力基本相同, α-γ相变起始压力在3.5—4.0 GPa之间, 相变起始压力至5 GPa内均为相转变区, 5—15 GPa为稳定新相.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
编辑推荐
2020, 69 (17): 177102.
doi: 10.7498/aps.69.20200497
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随着金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的尺寸进入到纳米量级, 器件的噪声机理逐渐开始转变. 传统的热噪声与漏源电流模型精度出现下降, 散粒噪声成为器件噪声不可忽略的因素. 本文通过求解能量平衡方程, 推导了短沟道MOSFET器件的沟道电子温度和电子速度表达式, 由此建立了漏源电流模型; 基于漏源电流模型建立了适用于40 nm以下器件的散粒噪声模型和热噪声模型. 研究了n型金属-氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)器件在不同偏置电压下, 器件尺寸对散粒噪声抑制因子和噪声机理的影响. 研究表明: 已有的热噪声模型与散粒噪声模型的精度随着器件尺寸的减小而下降, 导致相应的散粒噪声抑制因子被高估. 当NMOSFET器件的尺寸减小到10 nm时, 器件的噪声需由热噪声与受抑制的散粒噪声共同表征. 本文建立的短沟道器件散粒噪声模型可应用于纳米尺寸NMOSFET器件噪声性能的分析与建模.
2020, 69 (17): 177103.
doi: 10.7498/aps.69.20200359
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提出了一种基于BSIM4的屏蔽栅沟槽MOSFET紧凑型模型. 在直流模型中使用两端电势建立JFET区等效电阻模型, 并引入电子扩散区等效电阻, 解决了因忽视JFET区源端电势导致的电流存在误差的问题. 在电容模型中, 漏源电容模型在BSIM4的基础上添加了屏蔽栅-漏等效电容模型, 栅漏电容模型将栅漏偏置电压修改为栅极同栅-漂移区重叠区末端节点的电势差. 使用泊松方程求解该节点电势, 并引入栅氧厚度因子k1、屏蔽栅氧化层厚度因子k2、等效栅-漂移区重叠长度Lovequ和等效屏蔽栅长LSHequ对栅和屏蔽栅的结构进行等效, 以简化泊松方程的计算并确保该节点电势曲线的光滑性. 使用Verilog-A编写模型程序, 搭建实验平台测试屏蔽栅沟槽MOSFET的直流特性、电容特性和开关特性, 模型仿真结果与测试数据有较好的拟合, 验证了所建模型的有效性.
2020, 69 (17): 177301.
doi: 10.7498/aps.69.20200305
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设计制备了不同大小的单颗微缩化发光二极管(Micro-LED)和Micro-LED阵列. 其中, 单颗Micro-LED尺寸为40—100 μm, 其电极结构为共N极, P极单独引出; 阵列像素数量为8 × 8, 被动驱动结构, 像素大小为60 μm. 器件制备过程中使用厚光刻胶作掩膜, 刻蚀N型GaN外延片至衬底, 形成隔离槽. 通过优化电极结构和厚度, 提高了P电极在隔离槽爬坡处的可靠性; 使用现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)对Micro-LED被动阵列进行了驱动显示. 对于不同尺寸的单颗Micro-LED进行了电学、光学、热学等方面的测试分析. 结果表明: 随着尺寸的减小, Micro-LED所能承受的电流密度越大; Micro-LED与普通蓝光LED相比具有较大的k系数, 并且随着尺寸的减小, k系数的数值增大, 热稳定性不如传统蓝光LED. FPGA可以实现对Micro-LED被动阵列的良好驱动.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2020, 69 (17): 178101.
doi: 10.7498/aps.69.20200555
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在钙钛矿电池中, ZnO纳米棒的垂直性是影响器件效率的关键因素. AZO(ZnO:Al)玻璃作为一种廉价的透明导电衬底, 由于与ZnO纳米棒无晶格失配, 有望获得最佳垂直性. 然而目前在大气环境下, 以AZO为衬底、ZnO纳米棒为电子传输层的钙钛矿太阳能电池还鲜有报道. 本文通过水热法制备ZnO纳米棒作为电子传输层, 系统研究不同条件对ZnO纳米棒的形貌及结晶性能的调控规律, 分析其微观生长机理. 并在此基础上于大气环境下制备太阳能电池, 将以AZO为衬底在大气条件下制备的钙钛矿光伏器件的最佳效率从目前文献报道的7.0%提高到9.63%. 这对丰富钙钛矿电池的设计思路及进一步降低成本具有重要意义.
