热光伏器件是一种利用光伏效应将热源的热辐射转化为电能的器件. 高效热光伏器件在电网规模的热能存储、全光谱太阳能转换、分布式联合发电、废热回收等方面有着广阔的应用前景. 然而, 大多数热辐射处于低能量波长范围, 无法有效激发光伏电池半导体的电子跃迁从而产生电能. 因此, 对热辐射光谱发射的选择性调控是实现高效热光伏器件的关键. 近年来, 伴随着纳米光子学、材料科学与人工智能赋能科学的发展, 热光伏器件中的光谱调控也取得了极大进展. 本文首先回顾了热光伏器件的发展历史, 继而围绕热光伏器件中热端和冷端的光谱调控, 详细讨论了超结构选择性发射器、本征选择性发射器、光滤波器以及背表面反射器的热辐射光谱调控物理机制与调控手段, 并梳理和总结了近场热光伏的相关研究, 最后对热光伏器件的未来发展进行了展望.

基于SSH (Su-Schriffer-Heeger)哈密顿的非绝热分子动力学方法广泛应用于模拟有机共轭聚合物中光激发过程和极化子运动. 目前, 该方法中电子波函数的演化是在透热表象中进行的, 本文对该方法进行扩展, 让电子波函数的演化在绝热表象下进行, 给出了详细的公式推导过程. 分别利用新、旧方法模拟了一条共轭聚合物链中光激发动力学过程, 两种方法得到的数值计算结果相符. 新方法可以加深对非绝热分子动力学方法的理解, 提供激发态弛豫过程中不同分子轨道之间非绝热耦合强度等重要信息.

基于目前超冷原子系统中模拟能带拓扑和动力学量子相变的有关实验进展, 设计出一个时间周期驱动的一维拉曼晶格系统来模拟动力学拓扑现象. 利用振幅周期调制的拉曼光束耦合类碱土$^{171}{\rm{Yb}}$原子的$\{^1{{\mathrm{S}}}_0, {}^3{{\mathrm{P}}}_1\}$能级可以实现所需要的周期驱动拉曼晶格系统. 时间周期系统的单带紧束缚近似哈密顿量通过特定变换可以解析求得有效Floquet哈密顿量和微动算符(micromotion operator), 从而可以在一维晶格系统中研究任意驱动频率下Floquet动力学量子相变和动力学斯格明子结构出现的条件. 结果表明, 拓扑非平庸的有效Floquet哈密顿量是系统出现Floquet动力学量子相变的充分不必要条件, 并且可以保护Floquet微动过程中的动力学斯格明子结构.

相比于笨重的台式光谱仪, 集成化的芯片级光谱仪可以应用于便携式的健康监测、环境检测等场景 . 我们设计了一个基于硅光子平台的片上光谱仪 . 该器件由一个透射光谱可重构的硅光滤波器构成 . 通过改变滤波器的透射光谱, 可以实现对输入光谱的多次且不同的采样 . 再结合人工神经网络算法, 从采样后的信号中重建出入射光谱 . 可重构的硅光滤波器由互相耦合的马赫曾德干涉仪和微环谐振腔组成 . 采用集成的热光相移器引入相位变化, 能够对滤波器的透射光谱进行重构 . 通过这种方式, 基于单个可重构滤波器可得到包含宽、窄光谱多样特征的响应函数 . 不需要滤波器阵列, 就可以实现对入射光谱的多样化采样, 能够显著地减小光谱检测器件的面积 . 仿真结果表明, 所设计的器件在1500—1600 nm波长范围内可以实现连续光谱和稀疏光谱的重建, 分辨率约为0.2 nm . 该器件在可穿戴光学传感、便携式光谱仪等场景中具有巨大的应用潜力 .

原子核裂变后多物理量间的关联测量是认识裂变过程直接有效的实验手段, 然而由于初级裂变产物准确的电荷鉴别仍面临技术困难, 电荷相关的多参数研究相对匮乏. 为此, 通过高分辨的低能高纯锗探测器和金硅面垒探测器开展了252Cf自发裂变的裂变碎片K X射线和动能的符合测量. 利用K X射线可以很好地鉴别电荷数Z = 39—62的裂变碎片, 电荷分辨ΔZ≈0.7, K X射线产额呈现强烈的电荷相关性. 借助K X射线给出了碎片平均动能和平均总动能及其分布宽度随核电荷数的分布, 轻碎片动能分布具有鲜明的奇偶效应, 偶Z碎片的动能比奇Z碎片的高约0.48 MeV; 平均总动能在Z = 52—53处达到峰值, 总动能分布宽度在Z = 56附近呈现凹坑, 这反映了形变壳结构对断点形状的显著影响. 裂变碎片K X射线发射的信息及动能-电荷关系研究可为裂变独立产额测量和裂变理论模型的检验提供必要的参考数据.

基于第一性原理计算, 深入研究了(H2dabco)[K(ClO4)3](DAP-2)晶体在0—50 GPa压力作用下的晶体结构、分子结构、电子结构和力学性质变化, 并评估了压力对其撞击感度和稳定性的影响. 通过分析晶体内部特征键长和键角发现, 在25 GPa处, 有机阳离子H2dabco2+的笼状结构发生了扭曲. 对H2dabco2+和KO12多面体的质心平均分数坐标和欧拉角的计算结果显示, 整个压力范围内晶体可能保持Pa-3空间群对称性不变. 根据第一性原理带隙判据和不同压力下的带隙变化, 发现在低于20 GPa时, DAP-2的撞击感度随着压力增加而逐渐减小; 而当压力高于20 GPa时, 撞击感度则呈现出随压力增加而缓慢增大的趋势. 此外, 弹性常数Cij、杨氏模量(E)、体积模量(B)、剪切模量(G)以及柯西压(C12–C44)均随着压力的增大而增大, 表明在压力作用下晶体的刚性和延展性得到了显著增强. 根据力学稳定性准则, 该晶体在整个压力范围内保持力学稳定性.

低电子密度等离子体源在电离层等离子体的实验室模拟中具有重要的应用. 本文利用高能电子束透射氮化硅薄膜窗口, 在低气压条件下激发低密度等离子体. 采用蒙特卡罗方法对氮化硅薄膜的电子束透射特性进行模拟; 利用CCD相机和静电探针对产生的电子束等离子体进行诊断. 电子束等离子体呈现出顶点位于氮化硅薄膜窗口的锥状结构. 在相同气压下, 电子初始能量越高, 锥状等离子体锥角越小, 等离子体更加向轴线集中, 这与氮化硅薄膜的电子透射特性蒙特卡罗模拟定性一致. 随着工作气压增大, 高能电子与中性粒子碰撞频率变大, 电子束散射效应增强导致等离子体锥角变大. 等离子体锥状结构是高能电子透射特性以及高能电子与气体分子散射特征的反映. 在40 keV条件下, 当电子束流从10 μA减小到 0.5 μA时, 电子密度减小, 变化在105—106 cm–3范围; 而电子温度没有明显的变化, 接近1 eV. 随气压增大, 电子密度有增大趋势. 研究工作表明, 在工作腔尺寸足够大的情况下, 可得到沿电子入射方向随距离增加逐渐衰减的105 cm–3以下更低的电子密度; 这是由于射程增加, 透射的高能电子与中性气体碰撞产生能量损失增大; 同时电子束散射增强导致了等离子体更加发散.

玻璃作为目前室内常用的建筑材料, 无线信号通过玻璃时较大的插损会降低通信效率. 本文设计了一种工作在2.4 GHz Wi-Fi频段的光学透明超表面, 通过贴到玻璃两侧将无线信号实现区域聚焦以提高通信效率. 为了获得满足区域聚焦的相位设计, 超表面由耶路撒冷十字形和圆环两种双层结构组成, 透明导电薄膜采用导电性好、光学透明度高的铜网. 通过在微波暗室中扫描场强空间分布验证超表面的区域聚焦效果, 与空白玻璃对比, 在设计的整个聚焦区域均实现7.3 dB以上的场增强, 与仿真结果较为符合. 进一步测试了不同场景下的下载速度和网速稳定性验证透明超表面玻璃增强无线通信效率. 结果表明, 在实际使用环境中, 设计的超表面玻璃较空白玻璃的下载速度可提高10 Mb/s, 且下载速度浮动平稳. 本文设计的光学透明超表面结构简单, 使用便利, 同时具备可移动性, 可以根据通信增强需要进行随意摆放, 为室内通信增强提供了一种可行的技术途径.

提出了一种基于光学隐藏视觉密码的欺骗追踪系统. 该系统将秘密图像分解为多幅有实际意义的掩饰图像, 将其中一张掩饰图像嵌入脆弱水印, 作为检验密钥, 检验密钥单独传输. 然后将其余掩饰图像隐藏在相位密钥中, 进行传输时有很好的不可见性. 掩饰图像的像素排列若被不诚实的参与者篡改, 则称为欺骗图像. 将每张相位密钥分发给不同的参与者, 以保证在追踪到欺骗图像时可找到对应的欺骗者. 在提取过程中, 只需要对该相位密钥进行傅里叶变换, 即可得到掩饰图像. 检验时, 将检验密钥与任一掩饰图像进行非相干叠加, 以是否出现验证图像为条件, 就可检验掩饰图像是否被篡改, 以达到欺骗追踪的目的, 将数量大于等于门限k的掩饰图像和检验密钥进行非相干叠加即可得到秘密图像, 仿真实验结果表明, 该系统可应用于利用不可见视觉密码术传递实际信息时, 对内部欺骗者的追踪.

对于两个二能级原子组成的系统, 当受到方向性可调的激光场驱动, 同时原子间存在偶极-偶极相互作用和自发辐射相干的条件下, 我们研究系统的双光子发射现象. 对于全同原子系统, 原子在特殊的几何构型下, 能够实现将原子系统选择性激发到超辐射态或亚辐射态, 详细讨论了关联函数的角分布情况. 对于非全同原子系统, 由于原子间的失谐, 选择性驱动减弱, 但是通过失谐的改变, 激光方向调节能够对能级间耦合强度产生显著影响. 研究发现调整激光的入射角度和原子的失谐, 能够改变原子一阶相干, 进而可以优化关联函数的角分布图样, 以获得良好的对称性. 本研究能够实现单侧或双侧高定向双光子发射, 这为纳米天线的双光子发射提供了理论依据.

电光频率梳是一种单频激光器经相位调制构造的光学频率梳, 具有重复频率高、灵活可调等特点, 通过精确的色散控制, 电光频率梳在时域上可以输出超短脉冲激光序列, 其时间抖动特性对于开展精密测量等应用十分重要. 本文提出一种基于双光梳异步光学采样原理测量电光频率梳时间抖动的方案. 建立了时间抖动测量的理论模型并进行数值模拟. 搭建了一台重复频率为10 GHz、脉冲宽度为2.6 ps的电光频率梳, 并开展了时间抖动的测量实验. 测量的直方图分析表明, 电光频率梳的周期抖动为3.86 fs. 测量装置主体为光纤结构, 且不需要高速光电探测器, 有望对电光频率梳、微环频率梳等新型高重频光学频率梳时间抖动的测量与优化起到关键作用.

多功能可重构超表面能够满足对器件小型化、集成化、适用于多场景应用的需求, 是近几年的研究热点之一. 本文采用狄拉克半金属作为可控材料, 提出了一种太赫兹多功能可重构编码超表面. 首先设计了一种顶部由狄拉克半金属材料构成的“回”字形结构的三层太赫兹编码超表面单元, 利用外加偏置电压动态调节狄拉克半金属介电常数, 使超表面单元在1.95 THz处实现2 bit编码. 然后基于设计的编码超表面单元结构, 利用遗传算法对编码超表面的阵列排布进行逆向设计, 从而实现波束赋形、涡旋波束产生及雷达散射截面缩减等功能. 研究结果表明, 针对波束赋形, 在1.95 THz处可以实现俯仰角在40°范围内、方位角在360°范围内任意角度的单波束与多波束反射, 并且多波束中的各个波束的俯仰角和方位角都可以单独调控, 提高了对太赫兹波束调控的灵活性; 针对涡旋波束, 可以产生拓扑电荷数为l = ±1, l = ±2的单涡旋波束, 并且可以实现俯仰角在30°范围内、方位角在360°范围内任意角度的单涡旋波束与多涡旋波束调控; 此外, 在1.72—2.51 THz范围内可以实现大于10 dB的雷达散射截面缩减. 因此, 提出的狄拉克半金属编码超表面可以实现多种功能, 且性能优良, 在通信网络、天线和雷达系统等领域具有一定的应用前景.

900 nm掺钕光纤激光器可广泛应用于生物医学诊断、激光检测和光谱分析等领域. 钕离子在1060 nm波段四能级跃迁的增益竞争, 严重限制了900 nm三能级掺钕光纤激光器输出功率的提升. 本文设计了一种纤芯直径为27 μm的大模场掺钕实芯双层反谐振光纤, 用于产生高功率900 nm激光. 通过在有源光纤中引入双层反谐振单元结构, 并对光纤结构参数和折射率分布进行优化, 模拟结果表明光纤在880—913 nm波段基模损耗小于0.1 dB/m, 高阶模式损耗大于10 dB/m, 同时在1060 nm波段所有模式损耗达到100 dB/m. 本文提出的掺钕实芯反谐振光纤在900 nm高功率光纤激光器和放大器等领域具有广泛的应用前景.

近年来, 人们在结构声场和声学结构表面波中发现了声波横向自旋的现象, 其不仅丰富了人们对声波基本性质的理解, 也为操控声波提供了新的途径. 在本文中, 我们设计了平整型、上凸型、下凹型的梯度声学波导, 实现对声学表面波的横向自旋分布进行操控. 通过理论分析和数值仿真, 研究了自旋声源在3种梯度结构中激发的压力场分布以及自旋角动量密度分布, 验证了近场声自旋-动量的方向锁定, 展示了梯度波导中声表面波的自旋强度分布操控. 研究结果可能促进对声学近场物理的对称性理解, 以及提供一种操控声学自旋角动量密度的方法, 为利用声波操控粒子开辟新的路径.

相较于经典的傅里叶定律, 声子水动力学模型在描述纳米尺度超快声子热输运中已经展现出显著优势. 全环绕栅极晶体管(GAAFET)通过三维沟道设计极大优化了电学性能, 但其纳米尺度特征也导致自热问题和局部过热的挑战. 基于此, 本文针对纳米尺度GAAFET器件内的声子热传输特性开展理论和数值模拟分析. 首先, 基于声子玻尔兹曼方程严格推导了声子水动力学模型和边界条件, 建立了基于有限元的数值求解手段, 针对新型的GAAFET器件, 分析了表面粗糙度、沟道长度、沟道半径、栅极电介质、界面热阻等因素对其热传输特性的影响规律. 研究结果表明, 本文构建的连续介质框架下基于声子水动力学模型及温度跳跃条件的非傅里叶热分析方法能够精确预测GAAFET内部非傅里叶声子导热过程, 并揭示声子阻尼散射和声子/界面散射的作用机制. 这项工作为进一步优化GAAFET的热可靠性设计, 提高其热稳定性和工作性能提供了重要的理论支持.

采用扩散界面格子Boltzmann模型研究了圆形颗粒在幂律流体方腔流中的运动, 重点分析了初始位置、幂律指数、颗粒大小对圆形颗粒在幂律流体顶盖驱动流中的运动的影响. 数值结果表明不同初始位置的圆形颗粒最终均能稳定在极限环上运动. 不同幂律指数的幂律流体对圆形颗粒运动的极限环有明显影响, 对于剪切增稠流体, 颗粒的运动速度明显增大, 极限环半径明显缩小; 对于剪切稀化流体, 左下角和右下角的次级涡收缩, 极限环向方腔的右下角移动. 圆形颗粒较小时, 颗粒的运动速度较快, 运动半径较大, 运动轨迹更接近流体的流线; 圆形颗粒较大时, 受到边界的限制, 极限环半径较小, 运动速度较慢. 此外, 还讨论了颗粒对顶盖驱动流主涡涡心位置的影响, 颗粒会将主涡涡心推向远离颗粒的方向.

近年来, 以物理信息神经网络(PINNs)为代表的人工智能计算范式在等离子体数值模拟领域获得了极大关注, 但相关研究考虑的等离子体化学体系较为简化, 且基于PINNs求解更为复杂的多粒子低温等离子体流体模型的研究还尚处空白. 本文提出了一个通用的PINNs框架(源项解耦PINNs, Std-PINNs), 用于求解多粒子低温等离子体流体模型. Std-PINNs通过引入等效正离子, 并将电流连续性方程替代各粒子输运方程作为物理约束, 实现了重粒子输运方程源项与电子密度、平均电子能量的解耦, 极大降低了训练复杂度. 本文通过两个经典放电案例(低气压氩气辉光放电、大气压氦气辉光放电)展示了Std-PINNs在求解多粒子低温等离子体流体模型的应用, 并将结果与传统PINNs和有限元(FEM)模型进行了对比. 结果显示, 传统PINNs输出了完全错误的训练结果, 而Std-PINNs与FEM结果之间的L2相对误差能达到约10–2量级, 由此验证了Std-PINNs在模拟多粒子等离子体流体模型的可行性. Std-PINNs为低温等离子体模拟提供了新的思路, 并拓展了深度学习方法在复杂物理系统建模中的应用.

二维双过渡金属MXene相较于单一过渡金属MXene, 有着更高的可调控性, 在热电器件方面有着潜在的应用. 本文通过第一性原理的计算方法结合玻尔兹曼输运理论, 研究了新型二维双过渡金属MXene单层TiZrCO2和VYCO2的稳定性和热电性能. 结果表明, 两者的热电输运性能优良. 计算预测的结果: 在最优载流子浓度下, 300 K时, p型TiZrCO2功率因子为11.40 mW/(m·K2), 远高于n型, p型VYCO2功率因子 (2.80 mW/(m·K2))和n型(2.20 mW/(m·K2))大小类似. 300 K下, TiZrCO2和VYCO2的晶格热导率较低, 分别为5.08 W/(m·K)和3.22 W/(m·K), 并且随着温度升高进一步降低, 900 K时为2.14 W/(m·K)和1.09 W/(m·K). TiZrCO2和VYCO2的热电优值随温度升高而增大, 温度为900 K时, p型TiZrCO2和VYCO2的热电优值分别达到1.83和0.93, 优于两者n型的0.23和0.84. 双过渡金属MXene TiZrCO2和VYCO2相比单一过渡金属MXene (如Sc2C(OH)2, ZT = 0.5)具有更好的热电性能, 有潜力作为综合性能优良的新型热电材料. 本文采用的一套计算方法亦可为新型双过渡金属元素MXene热电性能探索提供一定借鉴.

过渡金属二硫族化合物(TMDs)是二维材料家族中的重要成员, 具有丰富多样的晶体结构和物理特性, 是近年来在科学研究和器件应用领域关注度较高的材料之一. 本文通过第一性原理计算研究了单层RuSe2的结构和相变, 在确定其基态为二聚相($T^\prime$ 相)的同时, 发现该材料存在能量相近的三聚相($T^{\prime\prime\prime}$相). 分别从动力学和热力学角度预测了该晶相结构的稳定性. 结合相变势垒的计算和分子动力学模拟, 预测在室温下对$T^\prime$相结构施加较小的应力就可以实现晶格从$T^\prime$相到$T^{\prime\prime\prime}$相的转变. 相变后的能带结构以及载流子迁移率都发生了明显的改变, 其带隙由1.11 eV的间接带隙转变为0.71 eV的直接带隙, 载流子迁移率有了大幅的提升, 空穴迁移率达到了$3.22 \times 10^3 \, {\rm cm}^{2}{\cdot}{\rm V}^{-1}{\cdot}{\rm s}^{-1}$. 本文对比研究了RuSe2单层中可能共存的两种畸变相, 分析了不同晶相的电子结构和迁移率, 为实验上研究二维RuSe2材料及其在未来器件中的应用提供了理论依据.

开发特殊性能红外材料是目前提升红外光学系统性能的关键, 硫系玻璃作为组分-性能可调的红外材料无疑成为了热门选项. Se基与Te基玻璃涵盖中波、长波红外窗口, 是最典型的红外器件应用材料之一, 通过对Ge20Se80–xTex玻璃体系的结构与性能分析, 阐述了Te含量对该玻璃体系结构与性能演变的规律. 随着Te含量的增大, 玻璃转变温度(Tg)受网络结构及平均键能的影响先升高后降低, 密度与折射率近似线性的梯度增高, 阿贝数逐渐增大, 而维氏硬度几乎不随Te含量的变化而变化, 断裂韧性随Te含量的增大而降低. 针对平均配位数无法评价两种及以上同族元素组成的玻璃体系问题, 成功建立了理论带隙-玻璃性能评价体系, 并对Ge20Se80–xTex玻璃体系的密度、折射率、阿贝数、断裂韧性等参数与理论带隙建立了函数关系, 该体系可用于快速评估玻璃组分与性能.

吸收成像是超冷原子实验中定量测量的基础. 典型的成像过程涉及记录探测光场和原子吸收光场的照片. 在拍摄这两张照片的时间间隔内, 由于探测光不可避免的抖动, 会在成像过程中引入条纹噪声模式. 常规的条纹去除算法虽然可以抑制这种噪声, 但由于其忽略了原子吸收效应对噪声信号的调制, 使得原子团上会出现无法完全消除的剩余条纹, 并且这一现象会随着原子密度的增大而愈发明显. 本文提出了一种创新的增强条纹去除算法, 该方法考虑了原子的吸收效应, 并通过主动调制噪声信号的强度, 从根本上避免了剩余条纹的产生并显著提高了成像的信噪比. 在处理均匀费米气体的吸收成像时, 新算法成功将表征原子密度波动的相对标准偏差降低约37%. 此外, 本文还利用该方法对6Li费米原子超流中的第二声波进行了定量观测. 与传统的条纹去除算法相比, 我们的新方法将密度波关联函数的对比度提高了近4倍, 密度响应谱强度提升约15%. 上述结果表明, 增强条纹去除算法不仅可以有效地抑制条纹噪声, 而且更有利于在高密度原子体系中识别和探测一些重要物理效应.

以氧化铟锡(indium tin oxide, ITO)为代表的透明导电氧化物(transparent conducting oxide, TCO)在当前光电器件中的重要性日益增长. 通过在TCO中引入金属网格构成复合电极, 可以在保持良好透明性的前提下有效提升电学性能, 同时降低对铟的需求量, 并为可穿戴设备所需的柔性电极提供可能方案. 对此类电极的电学性能分析, 如复合电极方阻随金属网格结构参数的变化, 可为电极设计与制备提供基本的出发点, 但相关理论尚十分缺乏. 本文针对典型的方孔方格型金属网格-TCO复合电极, 分别展开基于瑞利模型和基于有限元仿真的电学性能分析. 结果表明, 孔型近似导致的金属通道显著畸变是复合电极的电学计算中瑞利模型在中高开口率下失效的主要原因. 据此, 我们采用格型修正, 通过提升瑞利模型中的原胞外边界对称性来改善金属通道的畸变. 与电极仿真的对比表明, 修正后瑞利模型的适用范围明显扩大, 其结果可与实验数据很好地拟合, 为此类复合透明电极的电学数据分析与结构设计提供了简洁高效的理论工具.

玻色子体系中的非平衡输运过程研究是极具挑战性的工作. 磁振子是玻色子, 具有与电子等费米子截然不同的自旋输运行为. 本文以钇铁石榴石(YIG)铁磁绝缘体为研究对象, 聚焦影响稳态下YIG中磁振子非平衡输运过程的关键因素. 通过将具有非零化学势$ {\mu }_{{\mathrm{m}}} $的玻色-爱因斯坦统计函数引入到玻尔兹曼输运方程中, 获得了以$ \alpha $为幂次的输运方程严格解析表达式(当α($ =-{\mu }_{{\mathrm{m}}}/\left({k}_{{\mathrm{B}}}T\right) $)<1时). 结果显示, 当α$\ll1 $时, 我们得到了与以往研究不同的化学势$ {\mu }_{{\mathrm{m}}} $与非平衡粒子浓度$ \delta {n}_{{\mathrm{m}}} $之间的非线性关系$ \delta {n}_{{\mathrm{m}}}\propto -{\alpha }^{1/2}\propto -{(-{\mu }_{{\mathrm{m}}})}^{1/2} $; $ \alpha $较大时, 则还须考虑其高阶项. 正因这种非线性关系, 导致磁振子扩散方程显著不同于电子自旋扩散特性, 其由线性微分方程演变为更复杂的非线性微分方程. 本文重点研究了在两种极端温度梯度(即$ \nabla T \sim 1\;{\mathrm{K}}/{\mathrm{m}}{\mathrm{m}} $和$ {10}^{4}\;{\mathrm{K}}/{\mathrm{m}}{\mathrm{m}} $)下非平衡磁振子浓度$ \delta {n}_{{\mathrm{m}}} $和化学势$ {\mu }_{{\mathrm{m}}} $的空间分布, 它们分别对应于$ {\mu }_{{\mathrm{m}}} $的值约为$ -0.1\;{\text{μ}}{\mathrm{e}}{\mathrm{V}} $和$ -6.2\;{\mathrm{m}}{\mathrm{e}}{\mathrm{V}} $, 均满足前提条件α < 1. 在远离平衡态的大温度梯度分布下, 本文理论计算与实验结果吻合很好. 这些理论研究结果将加深人们对铁磁绝缘体中磁振子非平衡输运行为的认识.

极化指的是波偏振的方式, 是波的一个基本性质. 利用波的极化可以进行信息的编码, 这一编码方式在光学和声学中得到广泛应用. 利用自旋波进行信息的传递和处理是磁子学的主要研究课题. 然而在铁磁材料中, 由于只存在右旋极化的自旋波, 利用波的极化进行信息的编码在铁磁自旋波器件中始终没有实现. 前期研究发现, 通过自旋极化电流可以在铁磁体中产生左旋极化自旋波, 从而有望实现利用极化编码的自旋波器件. 然而在一个均匀磁化铁磁体中产生左旋极化自旋波所需的电流密度过大, 实验上难以实现. 磁畴壁可作为自旋波波导, 且畴壁中自旋波的截止频率趋近于零. 本文从朗道-栗弗席兹方程出发, 研究了在自旋极化电流存在的条件下磁畴壁中自旋波的色散关系和传播特性, 证明只需要很小的自旋极化电流就可在畴壁中产生稳定的左旋极化自旋波. 微磁学模拟证明了理论分析结果. 该项研究为研制基于极化编码信息的自旋波器件提供了一个实际可行的方案.

基于磁化等效和非线性磁致伸缩本构关系, 建立了L-T模式下的自偏置磁电换能器的多物理场耦合仿真模型, 研究了弯曲、伸缩谐振模式下的磁电耦合性能. 在所建模型基础上, 制备了相应的实验样品进行测试. 实测结果与仿真数据相吻合, 从而验证了模型的准确性和有效性. 实测结果表明, Metglas/Galfenol/PZT-5A结构在伸缩谐振模式下展现出更为显著的自偏置磁电效应, 其磁电系数为10.7 V·cm–1·Oe–1@99.4 kHz, 磁电功率系数为5.01 μW·Oe–2@97.9 kHz. 无需阻抗匹配, 其有载磁电功率系数最高可达4.62 μW·Oe–2@99.3 kHz. 施加外部偏置磁场至25 Oe, 磁电系数可提升至47.06 V·cm–1·Oe–1@99.4 kHz, 磁电功率系数提升至82.13 μW·Oe–2@99 kHz. 进一步的仿真研究表明, 高磁导率层厚度的增加能显著提升自偏置磁电换能器的性能: 当Metglas层厚度增加至90 μm时, 磁电系数和功率系数分别提升至原先的2.47倍和6.96倍. 自偏置磁电换能器具备减少对外部偏置磁场依赖的能力, 为磁电复合材料在低频无线功率传输系统中的应用与发展提供了新途径.

液体中平动和转动的耦合性是凝聚态物理长期关注的问题之一, 本文采用介电谱方法同时获得了系列小分子液体中α弛豫的弛豫时间和探针离子的电导率. 样品包括具有不同分子形状和官能团的碳原子数跨度在3—14范围内的15种一元和二元小分子液体. 分析结果表明平动和转动的耦合性与液体分子的官能团并没有直接的对应关系, 对分子形状、大小和离子大小也不是十分敏感, 但是液体的微观结构是影响平动和转动耦合性的重要因素. 也就是, 无论在一元还是二元体系中, 液体的微观结构没有改变时电导率的倒数和弛豫时间与温度的依赖关系具有一致性, 这也为弛豫时间的测量提供了一种方法. 研究结果还表明, 液体中自身携带的杂质离子与定量掺入离子的电导率的温度依赖关系相同, 为电解质溶解度低的有机小分子液体中离子电导率行为的研究提供了思路. 本文中单羟基醇的实验结果也与单羟基醇中α弛豫而非Debye弛豫对应于体系结构弛豫的观点相一致.

准二维的杂化非本征铁电体在实现强磁电耦合的单相室温多铁性方面具有很大的潜力, 然而此类陶瓷样品通常有着较高的矫顽场和较低的剩余极化强度, 严重阻碍了对其的研究和应用. 本文成功制备了质量高且单相性较好的具有准二维结构的双层R-P(Ruddlesden-Popper)型氧化物Sr3Sn2–xGexO7陶瓷样品, 观察到了较高的剩余极化和与Sr3Sn2O7单晶接近的矫顽场. 微量Ge元素对B位Sn掺杂后极化强度显著增强, 同时进一步降低了Sr3Sn2O7样品的矫顽场. 结合晶格动力学研究, 对样品的拉曼和红外光谱进行标定, 得出掺杂样品铁电性能的增强可能源于氧八面体倾侧幅度的增大和旋转幅度减小. Berry相位法和玻恩有效电荷模型进一步证实了铁电性能的增强. 通过紫外可见光光度计测试得到Sr3Sn2O7样品的光学带隙为3.91 eV, 采用Becke-Johnson势结合局部密度近似(MBJ-LDA)所计算的结果与实验基本一致. 总之, 这项研究为此类杂化非本征铁电体的制备及铁电性能的调控提供了参考, 有望促进铁电陶瓷在各种电容器和非易失性存储器件中的广泛应用.

本工作利用腐蚀电化学计算腐蚀界面能, 构建了锆合金腐蚀过程的相场模型. 首先, 利用所建立的模型模拟了Zr-2.5Sn合金均匀腐蚀过程, 模拟结果显示该合金的腐蚀动力学曲线符合立方规律, 与实验结果一致. 分析发现, 在氧化层生成的初期, 氧化层生长速率很高, 但是受温度的影响不明显; 随着氧化层厚度的增长, 温度对氧化层生长曲线的影响变大, 温度越高腐蚀速率越快. 多晶Zr-2.5Sn合金腐蚀行为的模拟结果表明, 在锆合金基体晶界处由于具有更大的氧扩散速率, 氧化速率加快, 并在金属-氧化层界面朝向金属基体一侧形成了沿晶界的具有更高浓度的O2–带, 且对氧化腐蚀速率的影响主要表现在氧化初期, 相场模拟获得的腐蚀动力学曲线与实验结果符合非常好.

复杂受限环境中的扩散研究在凝聚态物理领域中备受关注. 胶体体系的出现, 为定量研究微观粒子的受限扩散提供了卓越的实验模型系统. 当胶体粒子的形状由球形变为椭球形时, 体系展现出各向异性的扩散动力学特性. 近年来, 研究者们发现粗糙表面能够诱发球形胶体体系异常的旋转动力学. 然而, 由于实验体系的局限性, 粗糙表面对椭球形胶体粒子的受限扩散的影响依然知之甚少. 本文建立了胶体受限扩散的模型体系, 由粗糙圆球胶体构成受限环境, 研究了粗糙和光滑椭球在其中的受限扩散. 当圆球的堆积分数较低时, 粗糙表面未发挥作用, 因此光滑和粗糙椭球的平动和转动扩散相近. 随着圆球堆积分数的增高, 粗糙表面之间发生互锁, 导致粗糙椭球的平动扩散明显慢于光滑椭球; 随着堆积分数的进一步增高, 由于粗糙表面产生的空间位阻效应, 粗糙椭球的转动扩散也显著慢于光滑椭球. 该工作表明粗糙表面会改变椭球的受限扩散, 为揭示复杂环境中具有粗糙表面物质的扩散规律提供了实验依据.

本文提出一种具有宽带吸收与极化转换可切换的太赫兹超表面, 通过调节二氧化钒电导率可实现太赫兹波吸收和极化转换功能灵活切换. 当二氧化钒处于金属状态时, 该超表面表现为宽带吸收器, 在6.32—18.06 THz范围吸收率大于90%, 相对带宽为96.3%. 当二氧化钒为绝缘状态时, 该结构在2.41—3.42 THz, 4.78—7.48 THz和9.53—9.73 THz频率范围表现为极化转换器, 极化转换率大于90%. 该超表面结构可以用于太赫兹波探测、太赫兹通信以及太赫兹传感等领域应用.