专题: 纳米电介质电-热特性
2024, 73 (2): 027702.
doi: 10.7498/aps.73.20230614
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聚合物电介质材料因其高功率密度、耐击穿、安全柔韧、易加工和自愈性等特点, 被广泛应用于智能电网、新能源汽车、航空航天、国防科技等领域. 其中, 基于三明治结构设计获得具有更高储能密度和储能效率的柔性电介质材料成为近年来聚合物储能电介质领域的研究热点和常用策略. 本文从电介质的材料构成、结构设计以及制备方法等角度综述了基于三明治结构聚合物电介质薄膜在储能密度提升方面的研究进展, 阐述了三明治结构电介质材料性能调控的微观机制和协同增强机理, 并展望了其发展趋势和应用前景.
2024, 73 (2): 027301.
doi: 10.7498/aps.73.20230556
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目前常见聚合物电介质电容器的储能性能在高温下会急剧劣化, 难以满足航空航天和能源等领域的需求. 为提高介质高温储能性能, 常掺杂纳米填料对电介质改性, 通过改变电介质内部陷阱参数来调控电荷输运过程, 但其内部陷阱的能级和密度与储能性能间的定量关系仍需进一步研究. 本文构建线性聚合物纳米复合电介质中指数分布陷阱电荷跳跃输运的储能与释能模型并进行了仿真. 纯聚醚酰亚胺在150 ℃的体积电阻率和电位移矢量-电场强度回线的仿真结果与实验符合, 证明了模型的有效性. 不同陷阱参数纳米复合电介质的仿真结果表明, 增大总陷阱密度和最深陷阱能级, 会降低载流子迁移率、电流密度和电导损耗, 提升放电能量密度和充放电效率. 在150 ℃和550 kV/mm外施场强下, 1.0 eV最深陷阱能级和1×1027 m–3总陷阱密度的纳米复合电介质放电能量密度和充放电效率分别为4.26 J/cm3和98.93%, 相比纯聚醚酰亚胺提升率分别为91.09%和227.58%, 显著提升了高温储能性能. 本研究为耐高温高储能性能电容器的研发提供了理论和模型支撑.
2024, 73 (2): 027703.
doi: 10.7498/aps.73.20230708
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向环氧树脂基体中加入纳米填料是实现其多功能化的常用手段, 其中拥有一维纳米结构的氮化硼纳米管 (BNNTs), 因具有超高导热系数、宽能级带隙、高长径比、高力学强度而备受关注. 然而, 表面惰性、易团聚、与环氧树脂之间界面作用弱等缺点极大地制约了BNNTs进一步应用. 基于此, 本文提出采用表面包覆介孔二氧化硅 (mSiO2), 并接枝硅烷偶联剂功能分子的方法, 优化BNNTs表面特性. 结果表明, 通过表面结构设计及功能化, 可显著改善BNNTs的分散特性, 提升其与环氧树脂的界面作用. 以此所制备的环氧复合电介质可实现力学韧性和导热系数的同步提升, 并兼具较低的介电常数与损耗. 此外, mSiO2独特的纳米介孔结构赋予复合电介质大量的深陷阱, 有效阻碍了电子的迁移, 进而提高复合电介质的电气强度. 本文为环氧树脂的多功能化提供了新思路, 亦对揭示纳米填料表面特性-复合电介质微观结构-宏观性能之间的关联关系提供了一定实验数据支撑.
总论
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2024, 73 (2): 020201.
doi: 10.7498/aps.73.20231164
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多数投票模型是观点动力学研究中的常用模型, 本文在多数投票模型的基础上引入了具有层级结构的集体影响力, 以节点周边层级结构上的节点的度衡量中心节点的观点权重, 即为集体影响力参数. 通过蒙特卡罗模拟, 研究了具有集体影响力的多数投票模型在ER (Erdos and Rényi)随机网络与无标度网络上观点的演化, 发现系统观点均出现了有序-无序相变, 且相比原始多数投票模型更容易趋于无序, 即相变临界点更小. 原因是考虑具有层级结构的集体影响力时, 系统的集体影响力参数值整体减小, 且分布数目随着参数值的增大而减少, 呈“长尾”趋势, 占少数的高影响力个体使周围节点的观点产生跟随现象, 随着噪声参数的增大, 当少数的高影响力个体趋于无序时, 整个系统也会趋于无序, 即系统更容易达到无序状态. 最后通过有限尺寸标度法, 发现无论在ER随机网络或在无标度网络中, 具有集体影响力的多数投票模型的相变均为Ising模型普适类.
2024, 73 (2): 020202.
doi: 10.7498/aps.73.20231231
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利用线性自旋波理论和量子蒙特卡罗方法研究了弯曲应变下六角晶格量子反铁磁体的赝朗道能级. 通过线性自旋波理论, 发现磁赝朗道能级出现在磁子能谱的高能端, 其能级间距与能级指数的平方根成正比. 线性自旋波理论和量子蒙特卡罗方法都显示, 尺寸相同时随着应变强度的逐渐增加, 局域磁化强度逐渐减弱, 应变强度相同的条件下反铁磁序在y方向上连续减弱, 因为上边界处的海森伯链解耦为孤立的垂直链, 导致上边界附近的磁序被破坏. 量子蒙特卡罗方法提供了更精确的反铁磁序演化: 在特定应变强度下上边界处垂直关联不变, 水平关联增加, 从而影响磁化强度, 使局域磁化在上边界处呈上翘趋势. 研究结果有助于理解弯曲应变对自旋激发的影响, 并可能在二维量子磁性材料实验中得以实现.
2024, 73 (2): 020203.
doi: 10.7498/aps.73.20231351
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本文提出并设计了一种用于提高彩色透明显示性能的球形双曲色散超材料(HMM)腔. 该腔由介质/银层交替包裹银核组成, 具有深度亚波长性质, 并支持和银层数目相同的同阶回音廊模式. 这些模式能够将电磁波能量高度局域在不同介质壳层内, 从而降低欧姆损耗, 减小共振线宽. 针对5层银/介质交替包裹形成的HMM腔, 详细分析了结构参数对回音廊模式的调谐作用. 发现仅改变最外层介质或银层厚度, 几乎不影响TM1,2和TM1,3模式的共振位置, 但对TM1,1模式的共振位置及3个模式的强度产生明显调谐. 通过优化HMM腔, 在红绿蓝波段实现三重窄带共振, 且在三重共振位置均具有偶极辐射特点, 能够将散射光限制在和入射光夹角为–45°—+45°范围内. 该HMM腔不仅支持红绿蓝三重窄带共振, 并具有宽的散射角, 可应用于实现高透明度、高亮度和宽视角的全彩透明显示.
2024, 73 (2): 020301.
doi: 10.7498/aps.73.20231190
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量子数字签名(quantum digital signature, QDS)能够以信息论安全保证签名消息的不可伪造性、不可否认性和可转移性, 近年来备受关注与研究. 其中, 利用正交编码方式提出的信息论安全的实用化QDS协议, 成为目前QDS研究的主流范式. 然而, 现有QDS理论和实验都忽视了态制备过程中由于调制器件的不完美性可能引入调制误差. 本文针对此问题提出态制备误差容忍的QDS协议. 仿真结果表明, 相比原来的QDS协议, 本协议对态制备误差具有较好的容忍度, 能实现更高的签名率和签名距离. 另外, 本协议在密钥产生阶段只需要制备3个量子态, 降低了实验要求和难度. 因此, 本协议将对未来QDS的实际应用提供重要的参考价值.
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2024, 73 (2): 020302.
doi: 10.7498/aps.73.20231425
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基于严格解方法, 研究了一维排斥相互作用单自旋翻转费米气体的基态和淬火动力学性质. 借助Bethe波函数, 基态和不同本征态之间的单体关联函数和两体关联函数可以表示为简单函数之和, 这一简洁形式可以极大地降低计算难度. 系统初始状态为无相互作用的基态, 当迅速把相互作用强度调节为有限大时, 动量分布和关联函数出现周期性的振荡行为; 当相互作用调节为比较弱时, 振荡周期性好且振荡幅度小, 系统可以用二能级模型近似; 当相互作用调为非常强时, 振荡周期性变差且振荡幅度大, 但是依然存在主周期. 此时整体偏离初态较远, 但是在时间为$ mL^2/(2\pi\hbar)$ 时系统非常接近初态.
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2024, 73 (2): 020303.
doi: 10.7498/aps.73.20231289
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量子计算可以解决经典计算难于求解的问题, 在物理原理允许范围内扩大了可有效计算的问题范围, 对经典计算的扩展丘奇图灵论题提出了挑战. 这里我们讨论一个有趣的问题: 通过突破物理原理限制来实现更强大的计算机, 进一步扩展量子计算机的能力. 我们考虑一种全新的操纵能力, 让量子计算可以实现时间穿梭旅行的量子控制门. 这是量子门线路图形语言的一个符合直觉的扩展, 作为例子, 我们展示了一个可以有效求解SAT难题的扩展量子算法. 我们的结果有助于更深刻地理解计算和物理原理之间的关系.
2024, 73 (2): 020304.
doi: 10.7498/aps.73.20230138
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连续变量量子秘密共享方案基于物理学基本定律, 能够保证密钥信息的无条件安全. 然而, 在实际连续变量量子秘密共享方案中, 量子态的制备往往并非是理想、完美的, 会引入额外的过噪声, 影响方案的安全性, 因此有必要对其进行分析. 本文提出基于非理想量子态制备的实际连续变量量子秘密共享方案. 具体而言, 在所提出的方案中假定有多个用户, 并且任意一个用户的非理想量子态制备, 可以描述为相对应的不可信第三方采用相位非敏感放大器, 对该用户的理想调制器与激光器进行放大操作. 每个用户由于非理想量子态制备所引入的等效过噪声, 可以通过相对应的相位非敏感放大器的增益参数进行全面与定量地计算. 研究结果表明, 连续变量量子秘密共享方案对非理想量子态制备所引入的过噪声非常敏感, 因此不可避免地会降低其性能和安全性. 幸运的是, 本文利用相位非敏感放大器特定的增益公式, 获得所提出方案对非理想量子态制备所引入的额外过噪声容忍度的上界限, 有效解决由非理想量子态制备所带来的安全隐患. 由于考虑了非理想量子态制备所引入的额外过噪声, 因此相比于理想连续变量量子秘密共享方案, 所提出的方案能够得到更紧的密钥率曲线. 这些结果表明, 本文所提出的方案能够对连续变量量子秘密共享方案的实际安全性进行改进与完善, 为其实用化发展提供理论依据.
2024, 73 (2): 020401.
doi: 10.7498/aps.73.20231277
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本文研究了带有整体单极的Reissner-Nordstrom-AdS黑洞在扩展相空间中出射粒子的量子隧穿辐射过程. 其中, 将宇宙学参数视为动态变量而不同于之前研究工作中将其视为常数而忽略其贡献. 具体地, 在计算出射粒子隧穿率时将宇宙学参数引入计算并将其解释为热力学压强. 计算结果表明, 出射粒子的隧穿率与粒子出射前后黑洞的贝肯斯坦-霍金熵差成正比, 辐射谱偏离了纯热谱, 该结果与将宇宙学参数视为常数的情况完全相同. 这意味着在扩展相空间中可以得到粒子的隧穿概率, 并且隧穿过程不依赖于热力学状参量, 这一工作自然地进一步将霍金辐射推广到了带有整体单极Reissner-Nordstrom-AdS黑洞扩展相空间中. 结果表明, 整体单极子尽管影响粒子的动力学行为和热力学量, 但并不影响熵变和隧穿率.
2024, 73 (2): 020701.
doi: 10.7498/aps.73.20231265
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氢气传感器是化工生产中重要的安全监控设备. 低成本低功耗高灵敏的微型氢气($ {{\mathrm{H}}}_{2} $ )气体传感器有重要的实用价值. 本研究工作基于微热板原位合成的方法获得一种金掺杂二氧化锡($ {\mathrm{S}}{\mathrm{n}}{{\mathrm{O}}}_{2} $ )纳米结构超灵敏高特异性的微纳传感器. 研究表明, 该微纳传感器对浓度为50 ppm (1 ppm = 10–6)的$ {{\mathrm{H}}}_{2} $ 灵敏度高达100, 对重要干扰气体乙醇在同浓度的条件下灵敏度仅为$ {{\mathrm{H}}}_{2} $ 的1/22, 具有明显的抑制效果. 对同浓度的一氧化碳、甲烷不产生响应. X射线光电子能谱表征表明, 材料的缺陷氧比例是传感器超灵敏的主要原因. 同时原位制备的方法可以灵活且可扩展用于制备具有各种空心球纳米结构金属氧化物的高性能小型化气体传感器, 以获得优越的灵敏度和可调选择性 .
2024, 73 (2): 020702.
doi: 10.7498/aps.73.20231224
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CO2是主要的温室气体之一, 它的排放和累积导致温室效应加强, 进而引起全球气候变化, 因此获取大气环境中CO2的浓度变化对研究气候变化意义重大. 针对低成本、快速和在线精确测量大气环境CO2的技术需求, 本文构建了基于法布里-珀罗干涉仪的CO2大气浓度在线测量系统, 并研究了精确获取其浓度反演方法. 采用基于微机电系统(MEMS)技术的热辐射源作为法布里-珀罗干涉仪系统光源, 设计透射式光路代替常见的折射式光路. 通过静电控制两镜片的间距, 改变干涉谱, 实现10 nm步长的中心波长的干涉峰调节, 扫描获得CO2实时在线吸收光谱, 基于差分吸收光谱原理获取了CO2气体的浓度. 利用样气标定系统, 并用商用光声光谱多气体分析仪校验系统, 结果表明, 该系统检测限达1.09 ×10–6, 检测精度为±1.13×10–6, 测量误差小于1%. 在煤城淮北开展了大气环境CO2实时在线检测, 并与商用光声光谱分析仪开展比对观测实验, 二者相关系数R = 0.92. 实验结果表明, 研发的法布里-珀罗干涉仪系统能够满足大气环境CO2浓度的快速、在线高精度测量技术需求.
原子和分子物理学
2024, 73 (2): 023101.
doi: 10.7498/aps.73.20231304
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运用玻恩-奥本海默分子动力学模型结合密度泛函理论研究了气相下硫脲嘧啶与低能电子吸附解离动力学过程, 发现硫脲嘧啶及其互变异构体在吸附解离过程中一个重要的脱氢现象, 即特定位置的化学键N—H键, C—H键断裂, 使其在N位点和C位点失去氢原子, 形成解离过程中最主要的负离子碎片——闭壳层脱氢负离子(TU-H)–. 为了更深刻地认识脱氢现象, 分别对断裂的化学键进行势能曲线扫描, 对键解离能、电子亲和能、负离子(TU-H)–出现势进行计算对比发现, 在所有断裂的化学键中N—H键最容易发生断裂, 而负离子(TU-H)–的形成主要源于N—H键的断裂.
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2024, 73 (2): 023301.
doi: 10.7498/aps.73.20230742
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作为非对称多原子分子制冷的一个重要目标分子, CaSH的冷却有望打破双原子分子及线性三原子分子在激光冷却中的技术局限. 本文使用高精度的EA-EOM-CCSD (electron attachment equation-of-motion coupled cluster singles and doubles)方法, 通过cc-pVXZ/cc-pCVXZ (X = T, Q)系列基组外推至基组极限, 得到了CaSH基态和3个最低激发态精确的几何结构及基态到激发态的跃迁能. 其中, 基态$ {\tilde{{\mathrm{X}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}' $ 几何结构参数分别为RCaS= 2.564 Å; RSH= 1.357 Å; ∠CaSH= 91.0°; 从$ {\tilde{{\mathrm{X}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}^{\prime} $ 到$ {\tilde{{\mathrm{A}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}^{\prime} $ , $ {\tilde{{\mathrm{B}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}^{{\prime\prime} } $ 和$ {\tilde{{\mathrm{C}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}^{\prime} $ 的垂直激发能分别为1.898, 1.945和1.966 eV, 与已有实验符合得很好. 进一步, 在3ζ级别基组上, 计算了该分子4个最低电子态的势能面, 并通过求解核运动方程给出CaS键伸缩、CaSH弯曲两个振动模的频率. 最后, 理论计算给出的$ {\tilde{{\mathrm{X}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}^{\prime} ({\mathrm{0, 0}}, 0) $ 态到激发态$ {\tilde{{\mathrm{A}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}^{\prime} ({\mathrm{0, 0}}, 0) $ , $ {\tilde{{\mathrm{B}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}^{{\prime\prime} }({\mathrm{0, 0}}, 0) $ 和$ {\tilde{{\mathrm{C}}}}^{2}{{\mathrm{A}}}^{\prime} ({\mathrm{0, 0}}, 0) $ 跃迁的Frank-Condon (FC)因子分别为0.9268, 0.9958和0.9248. 结合Frank-Condon因子和激发态寿命分析, 本文给出了可能用于CaSH冷却的光学循环, 为CaSH的激光冷却提供了理论参考.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
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2024, 73 (2): 024201.
doi: 10.7498/aps.73.20231365
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满足宽带、极化和入射角度稳定、轻薄和强吸收等高性能要求的电阻膜频率选择表面(FSS)吸波体设计难度大, 且易因加工中方阻波动导致吸波性能变化. 为此, 本文首先分析了方阻波动影响电阻膜FSS吸波体性能的机理, 提出抗方阻波动的FSS吸波体设计方法. 在此基础上, 提出利用不同层FSS阻抗随频率变化互补的扩展带宽方法, 结合弯折小型化设计, 获得了超宽带、极化和角度稳定的轻薄型抗方阻波动FSS吸波体. 该FSS吸波体在TE和TM极化下, 90%吸波带宽为1.50—20.50 GHz (相对带宽173%), 厚度仅为0.093λL. TE极化波80%吸波的角度稳定性可达45°, 而TM极化波90%吸波的角度稳定性可达70°. 当每层FSS方阻在12—30 Ω/sq范围内波动时, 吸波体的90%吸波带宽仍保持在167.0%. 实验测试结果与仿真结果基本吻合, 证明了所提方法的有效性.
2024, 73 (2): 024202.
doi: 10.7498/aps.73.20231254
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剪切光束成像是一种非传统地基光学成像技术, 在对位姿快速变化的目标成像时, 为重构目标高分辨率清晰图像, 其成像系统的回波数据采样速率仍不够快. 本文提出一种五光束快速采样的图像重构方法, 通过改变成像系统编码和解码方法, 采用中心对称结构呈“十”字形排布的发射光束阵型, 利用所提的快速图像重构算法, 单次采样的回波数据所能重构的目标图像从1幅增加到8幅, 快速抑制了重构图像的散斑效应. 仿真结果表明, 与传统三光束图像重构方法相比, 获得相同质量图像所需的回波数据采样次数从20次减少至5次, 大幅减少了回波数据采样次数, 提高了回波数据采样速率.
2024, 73 (2): 024203.
doi: 10.7498/aps.73.20231408
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相干布居囚禁(CPT)振荡是一种基于CPT态而产生的瞬态振荡现象, 与相干双色光频差和Λ型三能级结构原子基态能级间隔之间的拉曼失谐有关. 本文采用锯齿波对微波信号进行频率调制, 实现拉曼失谐均匀变化和阶跃变化. 并通过建立频率调制速率和拉曼失谐变化速率之间的关系, 分析拉曼失谐变化速率和变化方式对CPT振荡的影响. 结果表明, 当拉曼失谐均匀变化时, 激发CPT态原子产生振荡现象需要满足变化速率较快的条件, 且激发产生的振荡呈现非谐波振荡行为. 当拉曼失谐发生阶跃变化时, 激发产生的CPT振荡为阻尼振荡且振荡频率与失谐量相等. 利用锯齿波进行微波频率调制, 进而实现对拉曼失谐的调制, 实现CPT态的完全建立和CPT振荡的完全衰减过程, 在弱磁场测量和原子钟领域具有较大的应用潜力.
2024, 73 (2): 024204.
doi: 10.7498/aps.73.20231235
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散斑光场在非线性领域有特别的作用, 它可用于抑制强光条件下的非线性过程. 为了深入了解散斑的参量非线性作用机制, 引入了具有波数失配的耦合波方程, 讨论了方程的解, 波数或位相匹配条件, 波数不完全匹配时的增益阈值条件, 以及完整解的待定系数. 待定系数由边界场决定, 如果边界的三个非线性波的复振幅都不为零, 还存在边界位相匹配条件, 满足该条件的待定系数最大. 散斑光场的波数随机起伏, 需要分段处理, 这种波数随机起伏还会破坏边界位相匹配条件, 从而抑制非线性增益. 理论研究和数值计算的结果一致表明了散斑对受激布里渊散射参量过程的抑制作用.
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2024, 73 (2): 024205.
doi: 10.7498/aps.73.20231214
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动态偏振控制器能够实现输入光场任意偏振态到输出光场任意偏振态的控制, 可以动态补偿长距离单模光纤导致的双折射效应, 是量子通信和相干通信系统中的重要器件. 本文设计并实验验证了基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器, 芯片采用标准的绝缘体上硅工艺制作, 器件整体尺寸为5.20 mm × 0.12 mm × 0.80 mm, 整体损耗为5.7 dB, 最大功耗为0.2 W. 基于可变步长模拟退火算法、低噪声探测器和高静态消光比的器件, 动态偏振消光比可锁定至30 dB以上. 芯片采用热相移器对TE0光场的相位延迟量进行控制, 整体为0°/45°/0°/45°结构, 可实现无端偏振控制. 基于Lumerical 软件对核心部件偏振旋转分束结构进行了优化, 该结构将以端面耦合方式进入波导中的TM0模式光场转化至另一波导中的TE0模式光场, 而原单波导中TE0模式光场不发生转化, 实验测得动态偏振控制器的静态偏振消光比可达40 dB以上. 该器件具有小体积、低功耗和低成本的特点, 可以广泛应用于量子通信和相干通信等领域, 特别是需要考虑体积、功耗和成本的应用场合.
2024, 73 (2): 024401.
doi: 10.7498/aps.73.20231142
摘要 +
本文基于拟沸腾理论研究了超临界二氧化碳(sCO2)在水平和垂直向上管中的流动和传热特性差异. 比较了不同质量流量、热流密度和压力下水平管与垂直向上管的流动和换热特性差异. 与以往超临界流体的经典单相流体假设不同, 本文引入拟沸腾理论来处理sCO2在两管中的流动和传热, 将超临界流体视为多相结构, 包括近壁区的类气层和管芯中的类液流体. 结果发现, 传热方面, 在正常传热模式下垂直向上管内壁温和水平管底母线内壁温基本一致. 当垂直向上管发生传热恶化时, 垂直向上管的壁温峰值会随着超临界沸腾数(SBO)的增大超过对应焓值位置的水平管顶母线内壁温. 垂直向上管中SBO区分了正常传热和传热恶化. 而在水平管中, 当弗劳得数小于100时, SBO主导顶底壁面最大壁温差. 相比于垂直向上管, 相同压力下的超临界流体在水平管内发生传热恶化需要更高的热流密度和质量流量的比值. 流动方面, 引起垂直向上管压降斜率增高的机理是孔口收缩效应. 主导水平管压降变化的机理是分层效应, 并用弗劳得数在水平管中顶底壁温差异与压降之间建立联系.
气体、等离子体和放电物理
2024, 73 (2): 025201.
doi: 10.7498/aps.73.20231056
摘要 +
激光维持等离子体作为一种光照强度高、光谱范围宽、发光稳定的新型辐射光源, 在光学检测(半导体晶圆检测)等领域具有重要的应用价值. 本文回顾了激光维持等离子体研究的发展历程, 介绍了其基本物理过程及数学描述方程, 建立了基于多物理场耦合的二维流体模型. 利用该模型研究了激光在等离子体中的传播过程, 探讨了激光维持等离子体的初始演化过程、能量注入机制、稳态特性及不稳定性等关键问题. 通过与高气压氙气等离子体实验结果对比, 确定了仿真模型的有效性. 相关仿真结果有助于深入理解激光维持等离子体的底层物理机制, 为实现光源系统设计、多参数优化提供理论依据.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2024, 73 (2): 026101.
doi: 10.7498/aps.73.20231101
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采用分子动力学方法对6种不同压强下Pd82Si18高温熔体快速凝固形成非晶固体的过程进行模拟, 并采用团簇类型指数法和逆向追踪法对其进行微结构特征和遗传演化分析. 研究结果表明: 加压能够提高体系的玻璃转变温度, 在高压条件下, 凝固形成的结构中存在大量的二十面体, 中心原子为Pd的二十面体与中心原子为Si的二十面体更易形成嵌套共享联结中程序. 遗传分析结果表明加压有利于提高团簇的遗传起始温度和遗传分数, 以Si原子为中心的团簇比以Pd为中心的团簇具有更强的遗传能力, 对玻璃形成能力的影响更大.
2024, 73 (2): 026102.
doi: 10.7498/aps.73.20231357
摘要 +
由于碳纳米管具有优异的电学和光学特性, 因此在光电子学领域具有广泛的应用前景. 本文使用真空抽滤法, 将单壁碳纳米管粉末分散液通过真空过滤的方式, 制备了一种各向同性的单壁碳纳米管薄膜; 进而提取了薄膜在0.4—2.0 THz范围内介电参数, 并设计了一种基于单壁碳纳米管薄膜的新型太赫兹超表面窄带吸收器, 这种超表面吸收器是由方形与工字形狭缝谐振器构成. 实验和仿真结果表明, 提出的太赫兹超表面吸收器在0.65, 0.85, 1.16和1.31 THz处存在4个明显的共振吸收峰, 实现了最高可达90%的完美吸收. 利用多重反射干涉理论阐明了这种多频带新型太赫兹超表面的吸收机制. 通过在超表面器件表面覆盖具有不同折射率的介质层, 深入研究了超表面作为折射率传感器的传感性能. 研究结果表明, 这种新型超表面吸收器用于折射率传感具有较高的灵敏度, 为进一步开发新型碳基太赫兹超表面吸收器提供了新的思路和方案 .
2024, 73 (2): 026103.
doi: 10.7498/aps.73.20231440
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本文针对第四代双沟槽型碳化硅场效应晶体管开展了不同源漏偏置电压下208 MeV锗离子辐照实验, 分析了器件产生单粒子效应的物理机制. 实验结果表明, 辐照过程中随着初始偏置电压的增大, 器件漏极电流增长更明显; 在偏置电压为400 V时, 重离子注量达到9×104 ion/cm2, 器件发生单粒子烧毁, 在偏置电压为500 V时, 重离子注量达到3×104 ion/cm2, 器件发生单粒子烧毁, 单粒子烧毁阈值电压在器件额定工作电压的34% (400 V)以下. 对辐照后器件进行栅特性测试, 辐照过程中偏置电压为100 V的器件泄漏电流无明显变化; 200 V和300 V时, 器件的栅极泄漏电流和漏极泄漏电流都增大. 结合TCAD仿真模拟进一步分析器件单粒子效应微观机制, 结果表明在低偏压下, 泄漏电流增大是因为电场集中在栅氧化层的拐角处, 导致了氧化层的损伤; 在高偏压下, 辐照过程中N–外延层和N+衬底交界处发生的电场强度增大, 引起显著的碰撞电离, 由碰撞电离产生的局域大电流密度导致晶格温度超过碳化硅的熔点, 最终引起单粒子烧毁.
2024, 73 (2): 026104.
doi: 10.7498/aps.73.20231103
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先进铅冷快堆和加速器驱动次临界系统商业化的关键材料问题是结构材料与铅基冷却剂之间的相容性问题, 结构钢材料需要在高温液态铅铋共晶中具有优异的抗腐蚀能力. 含铝强化奥氏体钢(alumina-forming austenite steel, AFA钢)因其表面可以形成Al2O3膜而在极端环境中具有良好的耐蚀性能. 本文研究了降低Ni元素成分和高温预氧化对AFA钢耐铅铋腐蚀性能的影响, 利用扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱仪、X射线衍射技术, 对AFA钢在550 ℃液态铅铋饱和溶氧条件下腐蚀600 h的氧化层形貌及结构进行表征. 结果表明: 降低合金中Ni含量和高温预氧化处理都会促进样品表面形成保护性Al2O3氧化膜, 进而降低腐蚀层厚度, 提升材料耐铅铋腐蚀性能.
2024, 73 (2): 026401.
doi: 10.7498/aps.73.20231141
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采用耦合电场模型的相变格子Boltzmann模型, 数值研究了电场作用下锥翅结构表面的饱和池沸腾换热. 为了定量分析电场对锥翅结构表面沸腾换热影响的机理, 首先在无电场作用下对比调查了平滑表面和锥翅表面的沸腾换热现象. 发现锥翅结构在核态沸腾阶段有更多的成核点, 沸腾换热性能增强, 临界热流密度(critical heat flux, CHF)提高. 而在过渡沸腾阶段以及膜态沸腾阶段, 由于锥翅结构增加了锥翅表面流体的流动阻力, 阻碍了气液交换, 换热性能低于平滑表面. 基于以上发现, 通过对锥翅表面池沸腾过程施加电场, 进一步强化了锥翅表面沸腾换热. 结果表明, 在起始核态沸腾阶段, 电场的存在稍微延后了气泡开始成核时间, 气泡尺寸减小, 沸腾轻微被抑制; 充分核态沸腾阶段, 由于电场力的作用以及电场与锥翅结构协同表现出的尖端效应, 阻止了加热表面干斑的扩散和蔓延, 促进沸腾换热; 过渡沸腾以及膜态沸腾阶段, 尖端效应更加明显, 逐渐增大的电场强度使沸腾在更高过热度下处于核态沸腾状态, 沸腾换热性能大幅度提高, 且CHF逐渐提高.
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2024, 73 (2): 027501.
doi: 10.7498/aps.73.20231374
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电流驱动的面内交换偏置场翻转具有无需外磁场辅助、抗磁场干扰以及强磁各向异性等优势, 受到广泛关注. 然而, 在纳米级厚度薄膜系统中, 反铁磁/铁磁异质结的阻塞温度较低, 同时电流脉冲会产生大量的焦耳热, 理论上电流热效应对于交换偏置场翻转有着显著作用, 但是其作用机制缺乏相关研究和验证. 我们制备了一系列反铁磁IrMn厚度不同的Pt/IrMn/Py异质结, 系统性地研究了热效应在电流翻转交换偏置场中的作用机制. 结果表明, 在毫秒级电流脉冲下, 焦耳热能够使得器件升温至阻塞温度以上, 解除反铁磁/铁磁界面的交换耦合, 同时电流产生的奥斯特场和自旋轨道矩能够翻转铁磁磁矩, 在降温过程中完成交换偏置场的翻转. 并且, 在翻转过程中, 反铁磁/铁磁异质结的各向异性磁阻曲线呈现与温度相关的两步磁化翻转现象, 分析表明该现象起源于交换偏置耦合与铁磁直接交换作用之间的竞争关系. 本文的研究结果厘清了热效应在电流驱动交换偏置场翻转过程中的重要作用, 有助于推动基于电控交换偏置场的自旋电子器件发展.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2024, 73 (2): 027701.
doi: 10.7498/aps.73.20231353
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空间电荷包现象是一种特殊的空间电荷现象, 具体表现为空间电荷以包的形态沿着极化电场的方向进行迁移. 目前针对空间电荷包现象的研究还存在一些不足, 研究的对象通常集中在聚乙烯及其交联产物中的正极性空间电荷包. 本文提出了一套用于负极性空间电荷包特性研究的一体化实验系统, 可进行电子束辐照与压电压力波法空间电荷分布实时测量相结合的实验研究, 并简要介绍了该系统的结构与功能. 该系统适用于不同厚度范围的各类绝缘电介质样品在不同电场下的实验研究. 本文使用该实验系统初步研究了在不同外加电场(15, 20, 25, 30 kV/mm)下聚丙烯与聚甲基丙烯酸甲酯样品内负极性空间电荷包的迁移行为, 并从实验结果中提取了负极性载流子(电子)的迁移特性. 聚丙烯与聚甲基丙烯酸甲酯样品中电子的迁移速率均存在随着电场的增加而减小的负微分迁移率现象, 聚丙烯中该现象出现的阈值电场约为26.0 kV/mm, 聚甲基丙烯酸甲酯中该现象出现的阈值电场约为19.5 kV/mm, 消失的截止电场约为27.5 kV/mm.
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2024, 73 (2): 027801.
doi: 10.7498/aps.73.20231339
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应用光电导谱(PC)和光致发光谱(PL)研究了由分子束外延在InP(100)衬底上生长In0.52Al0.48As获得的两种异质结外延结构, 分别是在InP衬底上生长InAlAs形成的正向异质结样品(样品A: In0.52Al0.48As/InP)和InAlAs层继续生长InP形成的上层为反向异质结的双异质结样品(样品B: InP/In0.52Al0.48As/InP). PL和PC实验采用光从表面入射激发的测量构型, 样品测量温度为77 K. 样品A的PC谱显示, 在激发光能量大于表面In0.52Al0.48As层的带隙时出现了电导陡降的反常变化, 还在916 nm波长处呈现一小的电导峰结构. PL谱对应此波长位置则出现很强的发光峰. 样品B则未观察到上述光谱特征, 该差异可从两类异质结不同的界面电子结构获得解释.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2024, 73 (2): 028101.
doi: 10.7498/aps.73.20231064
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采用热丝化学气相沉积法制备了含有钽原子的石墨烯竖立片层, 并将其置于含氧环境中进行退火处理, 在常压环境中发生相变得到纳米金刚石, 并研究退火环境中氧含量变化对纳米金刚石形成的影响. 结果表明, 当退火环境气压为10 Pa和50 Pa (对应氧原子百分比为1.96%和2.04%) 时, 退火后样品形貌与结构和未处理的石墨烯片层无异; 样品100 Pa和500 Pa气压下退火后(对应氧原子百分比为2.77%和3.11%), 在其中观察到了尺寸为2—4 nm的纳米金刚石, 这些金刚石晶粒多分布于非晶碳中; 继续升高退火环境气压则发现退火后样品被大面积氧化, 石墨结构遭到严重破坏. 该研究结果为纳米金刚石的制备提供了新方法.
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2024, 73 (2): 028201.
doi: 10.7498/aps.73.20231361
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富锂层状氧化物因能量密度高和成本低, 有望成为下一代锂离子电池正极的重要候选材料. 然而, 富锂正极材料中阴离子氧化还原反应使晶格氧不稳定, 导致电压衰减和不可逆容量损失. 尽管铁代无钴富锂材料可以实现较少的电压衰减, 但存在严重的阳离子混排和较差的动力学. 采用一种简单易行的高价离子掺杂策略, 在Li1.2Ni0.13Fe0.13Mn0.54O2 (LNFMO)中掺入Mo元素, 拓宽了锂层间距, 为Li+的传输提供了更宽的通道, 改善了Li+的扩散动力学, 有效抑制了阳离子混排, 进一步稳定了层状结构. 得益于此, Mo掺杂后的富锂材料表现出显著增强的电化学性能, 在0.2 C电流密度下表现出209.48 mAh/g的初始放电比容量. 1 C下的初始放电比容量从137.02 mAh/g提高到165.15 mAh/g; 循环300次后, 仍有117.49 mAh/g的放电比容量, 电压衰减由2.09 mV/cycle降低为1.66 mV/cycle. 本文对Mo掺杂后的正极材料进行了系统表征并揭示了循环稳定的机理, 为高性能富锂正极材料的设计提供了重要参考.
2024, 73 (2): 028801.
doi: 10.7498/aps.73.20231061
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铯基全无机钙钛矿CsPbBr3具有良好的热稳定性, 在应用中表现出优越的发光特性, 是近年来光电领域的明星材料. CsPbBr3界面的光生载流子过程与其光电性能密切相关. 本文采用非绝热分子动力学方法结合含时密度泛函理论, 对CsPbBr3及其合金化结构的激发态动力学过程进行了系统研究. 研究结果表明, Sn/Ge合金化能够有效缩短退相干时间, 减缓电子-空穴复合. CsPb0.75Ge0.25Br3体系的载流子寿命延长至1.6倍, 而CsPb0.5Ge0.25Sn0.25Br3体系的载流子寿命延长为原始体系的4.2倍. 证明了B位(钙钛矿结构ABX3中的B位)金属阳离子的双原子合金化对CsPbBr3的非辐射电子-空穴复合具有很强的影响. 本研究提供了一种能够有效延长钙钛矿载流子寿命, 合理优化太阳能电池性能的合金化方案, 为未来钙钛矿太阳能电池材料的设计提供了思路.
2024, 73 (2): 028802.
doi: 10.7498/aps.73.20231299
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双钙钛矿太阳能电池以其低成本、高性能、环境友好、稳定性强而备受关注. 本研究使用Silvaco TCAD分析了Cs2AgBi0.75Sb0.25Br6太阳能电池的钙钛矿层厚度、能带偏移、金属电极功函数、传输层厚度及掺杂浓度与器件效率的关系, 以提升器件性能. 基于空穴传输层为Spiro-OMeTAD, 电子传输层为ZnO的器件进行初始研究, 其显示出12.66%的光电转换效率. 结果表明, 当钙钛矿层厚度大于500 nm时, 效率趋于饱和. 最佳导带偏移量为0—+0.5 eV, 最佳价带偏移量为–0.1—+0.2 eV. 在改变器件的电子传输层为ZnOS, 空穴传输层分别为MoO3, Cu2O和CuSCN的情况下, 优化其厚度和掺杂浓度, 最终空穴传输层为Cu2O的双钙钛矿太阳能电池理论光电转换效率达22.85%, 比目前报道的理论效率值相对提升了25.6%. 此外, 当金属电极功函数小于–4.9 eV时易实现最佳效率. 本工作为开发高性能无铅钙钛矿太阳能电池提供了理论指导.
