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Vol. 69, No. 5 (2020)

2020年03月05日

封面文章

HgCdTe薄膜的输运特性及其应力调控
$ {n_{\rm{s}}} = 1.25 \times {10^{16}}~{{\rm{m}}^{ - 2}}$. 在不同磁场下, 利用压电陶瓷对样品进行应力调控, 观测到具有不同特征的现象, 分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道. 零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变; 而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂.">窄禁带直接带隙半导体材料碲镉汞(Hg1–xCdxTe)是一种在红外探测与自旋轨道耦合效应基础研究方面都具有重要应用意义的材料. 本文对单晶生长的体材料Hg0.851Cd0.149Te进行阳极氧化以形成表面反型层, 将样品粘贴在压电陶瓷上减薄后进行磁输运测试, 在压电陶瓷未加电压时观察到了明显的SdH振荡效应. 对填充因子与磁场倒数进行线性拟合, 获得样品反型层二维电子气的载流子浓度为$ {n_{\rm{s}}} = 1.25 \times {10^{16}}~{{\rm{m}}^{ - 2}}$. 在不同磁场下, 利用压电陶瓷对样品进行应力调控, 观测到具有不同特征的现象, 分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道. 零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变; 而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂. 张松然, 何代华, 涂华垚, 孙艳, 康亭亭, 戴宁, 褚君浩, 俞国林 物理学报..
综述
综述
总论 核物理学 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 气体、等离子体和放电物理 凝聚物质:结构、力学和热学性质 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域 地球物理学、天文学和天体物理学
综述

编辑推荐

腔光力系统制备微波非经典态研究进展
罗均文, 吴德伟, 苗强, 魏天丽
2020, 69 (5): 054203. doi: 10.7498/aps.69.20191735
摘要 +
腔光力系统作为一种新型的混合量子系统, 因其超强耦合度、低温超导条件下极低的噪声、较长的相干时间等优势而成为被广受关注的量子实验平台. 本文简要介绍腔光力学及腔光力系统基本原理, 对常见腔光力系统进行分类, 详细介绍利用广义腔光力系统进行微波非经典量子态制备的相关进展, 对其性能优势和待解决问题进行分析, 最后总结相关应用场景并对未来的潜在应用领域进行了展望.
总论
电作用量在磁驱动固体套筒内爆设计分析中的应用
章征伟, 王贵林, 张绍龙, 孙奇志, 刘伟, 赵小明, 贾月松, 谢卫平
2020, 69 (5): 050701. doi: 10.7498/aps.69.20191690
摘要 +
磁驱动固体套筒内爆作为标准柱面冲击/准等熵汇聚压缩加载方式, 在流体动力学、材料物性和聚变能源等领域具有广泛应用前景. 在特定加载条件下, 套筒飞层材料、半径和厚度的选择决定了套筒内爆力学行为, 而电流烧蚀限制了所能选择的参数范围. 通过薄壁套筒假定引入作为动力学参量的电作用量概念, 利用不可压缩零维模型给出了低线电流密度下薄壁套筒尺寸优化设计方法和套筒飞层材料选择的原则; 将修正后的电阻率-电作用量模型嵌入自编的一维弹塑性磁流体力学程序SOL1D进行模拟计算, 分别与FP-1装置及ZR装置上的实验结果进行比对, 表明在大径厚比和低线电流密度加载下, 利用电作用量估算内爆速度及利用电爆炸丝实验获取的各阶段电作用量判断套筒物理状态是有效的.
核物理学
超紧凑型飞秒电子衍射仪的设计
罗端, 惠丹丹, 温文龙, 李立立, 辛丽伟, 钟梓源, 吉超, 陈萍, 何凯, 王兴, 田进寿
2020, 69 (5): 052901. doi: 10.7498/aps.69.20191157
摘要 +
由于空间电荷效应的限制, 产生百飞秒的极短电子脉冲是超快电子衍射技术的一大难点. 同时, 电子的穿透深度随着电子能量的增加而增加, 而电子的散射几率却具有相反的规律. 因而, 除了时间分辨的提升, 还需要可宽范围调节的电子能量以优化不同厚度样品对其的需求. 基于此, 提出并设计了一种新型超紧凑电子枪, 结合均匀场阴极和可移动阳极的配置, 可在10—125 kV加速电压范围内实现100 fs量级时间分辨率. 通过优化设计高压电极轮廓, 使得其轴上和整个阴极面的场增强因子在不同阴阳极间距下均小于约4%, 从而保证了不同加速电压下最大轴上场强均可达10 MV/m量级, 有效地抑制了电子脉冲的展宽效应; 进一步将阳极小孔设计成可放置致密电镜载网的阶梯孔, 一方面可将载网支撑的样品紧贴小孔后方放置, 最大程度上缩短了电子从阴极到样品的时间弥散, 同时也可以有效地减弱阳极孔对电子束的散焦效应, 提升电子束的横向聚焦性能.
原子和分子物理学
基于第一性原理的含空位α-Fe和H原子相互作用研究
成应晋, 杨超飞, 薛钢, 王涛, 张磊, 李梅娥
2020, 69 (5): 053101. doi: 10.7498/aps.69.20191775
摘要 +
氢致裂纹是制约超高强度钢应用的关键问题, 掌握扩散氢的分布行为有助于弄清氢致裂纹的形成机理. 本文采用第一性原理方法计算了H原子占据α-Fe晶格间隙和空位时的情况, 得到了晶体的稳定构型及能量, 并据此分析了H原子在晶格间隙和空位中的溶解倾向; 从Mulliken布居、电子密度分布、态密度分布等角度分析了H原子与α-Fe晶体间隙和空位之间的相互作用. 结果表明: 间隙H原子倾向占据α-Fe四面体间隙位, 其1s轨道电子与Fe的4s轨道电子呈微弱共轭杂化; 空位是强氢陷阱, H原子倾向占据空位内壁附近的等电荷面. 在真空0 K条件下单空位最多稳定溶解3个H原子, 且H原子之间未表现出自发形成H2的倾向; 间隙和空位中的H原子溶入改变了Fe晶格内电子分布导致原子结合力弱化, 并在局部区域形成反键. 基于第一性原理能量计算结果开展热力学分析, 分析结果表明大多数情况下间隙H原子都是H主要的固溶形式, H平衡溶解度计算结果与实际符合良好.
Ar原子序列双光双电离产生光电子角分布的理论计算
马堃, 颉录有, 董晨钟
2020, 69 (5): 053201. doi: 10.7498/aps.69.20191814
摘要 +
基于多组态Dirc-Fock方法和密度矩阵理论, 给出了原子序列双光双电离光电子角分布的计算表达式, 发展了相应的计算程序. 利用该程序对Ar原子3p壳层序列双光双电离过程进行了理论研究, 给出了光电离的总截面、磁截面、剩余离子取向以及光电子角分布的各向异性参数与入射光子能量的函数关系. 结果显示在光电离截面的Cooper极小位置附近取向参数出现极大值, 而光电子角分布的各向异性参数在该位置附近出现极小值. 进一步给出了33.94和55.34 eV光子能量下序列双光双电离过程中第一步的Ar原子和第二步的Ar+离子3p壳层光电子角分布, 分析了序列双光双电离光电子角分布与单光电离光电子角分布的差异. 将计算结果与文献已有的数据进行了比较, 具有很好的一致性. 本文的研究结果对揭示光与物质相互作用的非线性动力学机制具有重要的参考价值.
NO分子宏观气体热力学性质的理论研究
蹇君, 雷娇, 樊群超, 范志祥, 马杰, 付佳, 李会东, 徐勇根
2020, 69 (5): 053301. doi: 10.7498/aps.69.20191723
摘要 +
采用量子统计系综理论, 研究了基态NO分子宏观气体摩尔熵、摩尔内能、摩尔热容等热力学性质. 首先应用课题组前期建立的变分代数法(variational algebraic method, VAM)计算获得了基态NO分子的完全振动能级, 得到的VAM振动能级作为振动部分, 结合欧拉-麦克劳林渐进展开公式的转动贡献, 应用于经典的热力学与统计物理公式中, 从而计算得到了1000—5000 K温度范围内NO宏观气体的摩尔内能、摩尔熵和摩尔热容. 将不同方法计算得到的摩尔热容结果分别与实验值进行比较, 结果表明基于VAM完全振动能级获得的结果优于其他方法获得的理论结果. 振动部分采用谐振子模型对无限能级求和计算热力学性质的方法有一定的局限性, 应当使用有限的完全振动能级进行统计求和.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

编辑推荐

基于人工表面等离激元探针实现太赫兹波的紧聚焦和场增强
王晓雷, 赵洁惠, 李淼, 姜光科, 胡晓雪, 张楠, 翟宏琛, 刘伟伟
2020, 69 (5): 054201. doi: 10.7498/aps.69.20191531
摘要 +
为提高太赫兹近场显微成像技术的分辨率, 设计了一款在Teflon探针的尖锥形表面镀上厚度渐变、具有相同占空比的超薄金属银制条带的探针, 用于实现探针尖端处人工表面等离激元的激发和太赫兹波的亚波长聚焦. 研究表明, 对于频率为0.1 THz的入射波, 厚度渐变镀银条带探针产生的紧聚焦光场的尺寸可稳定在20 μm左右(λ/150), 探针尖端处最大电场强度为入射电场强度的849倍. 研究还发现, 周期性金属条带的数目和入射电场的偏振方向可对探针尖端处产生的紧聚焦光斑的尺寸和电场强度等进行灵活有效的调控.
基于等效介质原理的宽角超材料吸波体的理论分析
吴雨明, 丁霄, 王任, 王秉中
2020, 69 (5): 054202. doi: 10.7498/aps.69.20191732
摘要 +
目前, 很少有文章就如何实现宽角度吸波材料进行详细的理论分析和设计指导, 设计宽角度吸波材料仍然是一件很困难的事情. 本文基于等效介质理论对带有反射地板的单层介质超材料吸波体进行较为详细的理论分析. 从基础电磁理论出发, 推导TE波(横电波, 电场方向与入射面垂直的平面电磁波)和TM波(横磁波, 磁场方向与入射面垂直的平面电磁波)照射下吸波体的反射系数, 分析实现宽角度吸波效果所需的等效电磁参数, 为宽角度超材料吸波体的设计提供了理论基础. 此外, 论文还理论分析了实现宽带宽角吸波等效电磁参数所要满足的条件, 并做了计算检验. 结果表明, 当介质等效电磁参数按照特殊曲线随频率发生变化时, 理论上能实现宽带宽角的吸波效果.
高功率垂直外腔面发射半导体激光器增益设计及制备
张继业, 张建伟, 曾玉刚, 张俊, 宁永强, 张星, 秦莉, 刘云, 王立军
2020, 69 (5): 054204. doi: 10.7498/aps.69.20191787
摘要 +
垂直外腔面发射半导体激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VECSEL)兼具高功率与良好的光束质量, 是半导体激光器领域的持续研究热点之一. 本文开展了光抽运VECSEL最核心的多量子阱增益区设计, 对量子阱增益光谱及其峰值增益与载流子浓度及温度等关系进行系统的理论优化, 并对5种不同势垒构型的量子阱增益特性进行对比, 证实采用双侧GaAsP应变补偿的发光区具有更理想的增益特性. 对MOCVD生长的VECSEL进行器件制备, 实现了VECSEL在抽运功率为35 W时输出功率达到9.82 W, 并且功率曲线仍然没有饱和; 通过变化外腔镜的反射率, VECSEL的激光波长随抽运功率的漂移系数由0.216 nm/W降低至0.16 nm/W, 证实外腔镜反射率会影响VECSEL增益芯片内部热效应, 从而影响VECSEL激光输出功率. 所制备VECSEL在两正交方向上的发散角分别为9.2°和9.0°, 激光光斑呈现良好的圆形对称性.
铜铁镁三掺铌酸锂晶体的第一性原理研究
罗娅, 张耘, 梁金铃, 刘林凤
2020, 69 (5): 054205. doi: 10.7498/aps.69.20191799
摘要 +
利用基于密度泛函理论的第一性原理, 研究了Cu:Fe:Mg:LiNbO3晶体及对比组的电子结构和光学特性. 研究显示, 单掺铜或铁铌酸锂晶体的杂质能级分别由Cu 3d轨道或Fe 3d轨道贡献, 禁带宽度分别为3.45和3.42 eV; 铜、铁共掺铌酸锂晶体杂质能级由Cu和Fe的3d轨道共同贡献, 禁带宽度为3.24 eV, 吸收峰分别在3.01, 2.53和1.36 eV处; Cu:Fe:Mg:LiNbO3晶体中Mg2+浓度低于阈值或高于阈值(阈值约为6.0 mol%)的禁带宽度分别为2.89 eV或3.30 eV, 吸收峰分别位于2.45 eV, 1.89 eV或2.89 eV, 2.59 eV, 2.24 eV. Mg2+浓度高于阈值, 会使吸收边较低于阈值情况红移; 并使得部分Fe3+占Nb位, 引起晶体场改变, 从而改变吸收峰位置和强度. 双光存储应用中可选取2.9 eV作为擦除光, 2.5 eV作为读取和写入光, 选取Mg2+浓度达到阈值的三掺晶体在增加动态范围和灵敏度等参量以及优化再现图像的质量等方面更具优势.
基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构的偏振无关1 × 2多模干涉型解复用器的设计
汪静丽, 陈子玉, 陈鹤鸣
2020, 69 (5): 054206. doi: 10.7498/aps.69.20191449
摘要 +
提出一种基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构多模干涉波导的偏振无关1 × 2解复用器, 用于分离1310和1550 nm两个波长. 通过合理选择三明治结构中间层SiNx的折射率, 可以调节同一波长两个正交偏振态的拍长相等, 实现偏振无关; 根据多模干涉原理, 通过合理选择多模干涉波导的长度与宽度, 可以使两个波长的输出像点分别成正像和反像, 实现解复用功能. 运用三维有限时域差分法进行建模仿真, 对结构参数进行优化, 并对器件关键结构参数的制作容差进行了分析. 结果表明: 该器件多模干涉波导的尺寸为4.6 μm × 227.7 μm, 插入损耗低至0.18 dB, 输出波导间的串扰低至–25.7 dB, 3 dB带宽可达60 nm. 另外, 本文提出的器件采用Si3N4/SiO2平台, 可有效减小波导尺寸, 提高集成度, 不仅实现了偏振无关, 而且结构紧凑、损耗低, 在未来的集成光路中具有潜在的应用价值.
圆柱型光纤螺线圈轨道角动量模式
赵超樱, 范钰婷, 孟义朝, 郭奇志, 谭维翰
2020, 69 (5): 054207. doi: 10.7498/aps.69.20190997
摘要 +
$m\hbar $的光有一定的难度. 针对上述问题, 本文建立以波面不变, 光束主光线变化为基础的理论框架, 利用微分几何理论验证不沿z轴圆柱型光纤螺线圈传输的光线可以携带高$m\hbar $ OAM的理论设想. 研究发现: 利用流动坐标$(\alpha ,\beta ,\gamma )$计算光线在绕圆柱体的光纤中传输时光纤截面的衍射分布图呈现涡旋特征, 有高阶OAM模式. 当$\theta = {\theta _0}$时, 圆柱形轨道光纤过渡到直线轨道光纤. 计算光线沿直线传输时光纤截面的衍射分布图是Airy斑, 即圆孔衍射斑, 无高阶OAM模式.">传统的沿z轴光纤传输光线的轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)光束的制备方法共同之处都是从内部结构着想, 光束的主光线基本上不变, 只是波面在变. 但要获得携带高$m\hbar $的光有一定的难度. 针对上述问题, 本文建立以波面不变, 光束主光线变化为基础的理论框架, 利用微分几何理论验证不沿z轴圆柱型光纤螺线圈传输的光线可以携带高$m\hbar $ OAM的理论设想. 研究发现: 利用流动坐标$(\alpha ,\beta ,\gamma )$计算光线在绕圆柱体的光纤中传输时光纤截面的衍射分布图呈现涡旋特征, 有高阶OAM模式. 当$\theta = {\theta _0}$时, 圆柱形轨道光纤过渡到直线轨道光纤. 计算光线沿直线传输时光纤截面的衍射分布图是Airy斑, 即圆孔衍射斑, 无高阶OAM模式.
离子浓度及表面结构对岩石孔隙内水流动特性的影响
尹玉明, 赵伶玲
2020, 69 (5): 054701. doi: 10.7498/aps.69.20191742
摘要 +
酸性环境引发的岩石孔隙表面溶解增加了孔隙内水溶液的盐离子浓度, 破坏了孔隙的表面结构. 本文采用分子动力学模拟的方法研究了纳米级岩石孔隙内水溶液的流动特性, 分析了盐离子浓度和孔隙表面结构对水流速度分布的影响及原因. 研究结果表明: 纳米级岩石孔隙内的水溶液流动符合泊肃叶流动特性, 流速呈“抛物线”分布; 随盐离子浓度增加, 水溶液内部氢键网络变得更为致密, 水黏度随其呈线性增长; 水溶液中离子浓度越大, 孔隙表面对水流动的阻力越大, 最大流速越小, 速度分布的“抛物线”曲率半径越大; 岩石孔隙表面结构的破坏改变了流动表面的粗糙程度, 增加了孔隙表面对H2O分子的吸引力. 随表面结构破坏程度的增大, 水溶液在近壁区域的密度增大, 流速降低; 当表面破坏程度达到50%时, 水溶液在近壁区域出现了明显的负边界滑移现象.
气体、等离子体和放电物理
东方超环上低杂波驱动等离子体环向旋转实验研究
杨进, 陈俊, 王福地, 李颖颖, 吕波, 向东, 尹相辉, 张洪明, 符佳, 刘海庆, 臧庆, 储宇奇, 刘建文, 王勋禺, 宾斌, 何梁, 万顺宽, 龚学余, 叶民友
2020, 69 (5): 055201. doi: 10.7498/aps.69.20191716
摘要 +
旋转和旋转剪切能抑制磁流体不稳定性和增强等离子体约束. 低杂波电流驱动作为未来聚变堆上可能的旋转驱动手段, 探索低杂波在现有托卡马克装置上驱动等离子体旋转的驱动机制, 可以为未来的聚变堆上旋转预测提供重要参考. 在东方超环托卡马克装置上, 早期发现了2.45 GHz的低杂波能有效驱动等离子体旋转的现象, 认为是边界旋转的改变导致芯部旋转的同电流方向的增加造成的. 更高频率下4.6 GHz低杂波电流驱动可以更有效地驱动同电流方向的等离子体旋转. 本论文分析在欧姆背景等离子体下, 不同功率的低杂波对等离子体环向旋转的影响, 研究安全因子剖面变化对环向旋转的关系, 利用功率调制获得了低杂波驱动旋转实验中的环向动量输运系数变化情况, 发现环向动量扩散系数(χφ)、环向动量箍缩系数(Vpinch)的数值大小趋势是从芯部向靠外的区域逐渐变大. 这与低杂波驱动环向旋转时, 环向旋转速度由靠外的区域向芯部传递的特性吻合.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

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14 nm FinFET和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比
张战刚, 雷志锋, 童腾, 李晓辉, 王松林, 梁天骄, 习凯, 彭超, 何玉娟, 黄云, 恩云飞
2020, 69 (5): 056101. doi: 10.7498/aps.69.20191209
摘要 +
使用中国散裂中子源提供的宽能谱中子束流, 开展14 nm FinFET工艺和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比研究, 发现相比于65 nm器件, 14 nm FinFET器件的大气中子单粒子翻转截面下降至约1/40, 而多位翻转比例从2.2%增大至7.6%, 源于14 nm FinFET器件灵敏区尺寸(80 nm × 30 nm × 45 nm)、间距和临界电荷(0.05 fC)的减小. 不同于65 nm器件对热中子免疫的现象, 14 nm FinFET器件中M0附近10B元素的使用导致其表现出一定的热中子敏感性. 进一步的中子输运仿真结果表明, 高能中子在器件灵敏区中产生的大量的射程长、LET值大的高Z二次粒子是多位翻转的产生诱因, 而单粒子翻转主要来自于p, He, Si等轻离子的贡献.

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石墨烯/柔性基底复合结构双向界面切应力传递问题的理论研究
白家豪, 郭建刚
2020, 69 (5): 056201. doi: 10.7498/aps.69.20191730
摘要 +
界面力学性能是影响石墨烯/柔性基底复合结构整体力学性能的关键因素, 因此对该结构界面切应力传递机理的研究十分必要. 考虑了石墨烯和基底泊松效应的影响, 本文提出了二维非线性剪滞模型. 对于基底泊松比相比石墨烯较大的情况, 利用该模型理论研究了受单轴拉伸石墨烯/柔性基底结构的双向界面切应力传递问题. 在弹性粘结阶段, 导出了石墨烯双向正应变和双向界面切应力的半解析表达式, 分析了不同位置处石墨烯正应变和界面切应力的分布规律. 导出了石墨烯/柔性基底结构发生界面滑移的临界应变, 结果表明该临界应变低于利用经典一维非线性剪滞模型得到的滑移临界应变, 并且明显受到石墨烯宽度尺寸以及基底泊松比大小的影响. 基于二维非线性剪滞模型建立有限元模型 (FEM), 研究了界面滑移阶段石墨烯双向正应变和双向界面切应力的分布规律. 与一维非线性剪滞模型的结果对比表明, 当石墨烯宽度较大时, 二维模型和一维模型对石墨烯正应变、界面切应力以及滑移临界应变的计算结果均存在较大差别, 但石墨烯宽度很小时, 二维模型可近似被一维模型代替. 最后, 通过与拉曼实验结果的对比, 验证了二维非线性剪滞模型的可靠性, 并得到了石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 基底结构的界面刚度 (100 TPa/m) 和界面剪切强度 (0.295 MPa).
H, F修饰单层GeTe的电子结构与光催化性质
方文玉, 张鹏程, 赵军, 康文斌
2020, 69 (5): 056301. doi: 10.7498/aps.69.20191391
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法, 计算了单层GeTe、表面氢化及氟化单层GeTe的晶体结构、稳定性、电子结构和光学性质. 计算结果表明, 经过修饰后, GeTe的晶格常数、键角、键长增大, 且均具有较好的稳定性. 电子结构分析表明, 单层GeTe为间接带隙半导体, 全氢化修饰、全氟化修饰以及氢氟共修饰(F, Ge同侧; H, Te同侧)则转变为直接带隙半导体, 且修饰后的能隙均不同程度减小. 载流子有效质量表明, 全氢化、全氟化以及氢氟共修饰GeTe (F, Ge同侧; H, Te同侧)的有效质量减小, 其载流子迁移率增强. 带边势分析结果显示, 单层GeTe能够光裂解水制氢和析氧, 而修饰后的GeTe的价带带边势明显下移, 其氧化性明显增强, 能够光裂解水析O2, H2O2, O3以及OH·等产物. 光学性质表明, 修饰后的GeTe对可见光区和红、紫外区的光谱吸收效果明显增强, 表明其在光催化领域有着广阔的应用前景.
考虑界面接触热阻的一维复合结构的热整流机理
赵建宁, 刘冬欢, 魏东, 尚新春
2020, 69 (5): 056501. doi: 10.7498/aps.69.20191409
摘要 +
建立了考虑变截面、变热导率及界面接触热阻效应的组合热整流结构的温度场及热整流系数的理论模型和有限元解. 数值算例证明了本文模型及算法的可靠性, 进而通过参数影响研究确定了若干几何及材料参数对结构热整流系数的影响规律, 揭示界面接触热阻对热整流效果的影响机理. 研究结果表明长度比、截面半径变化率、热导率、边界条件温差和界面接触热阻等因素必须通过优化设计才能得到最大的热整流系数, 同时界面接触热阻的引入也为调控热整流系数提供了一条新的途径.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
纳米尺度金属-氧化物半导体场效应晶体管沟道热噪声模型
张梦, 姚若河, 刘玉荣
2020, 69 (5): 057101. doi: 10.7498/aps.69.20191512
摘要 +
随着CMOS工艺的发展, 热载流子效应对沟道热噪声的影响随着器件尺寸的降低而增大, 传统热噪声模型未能准确表征沟道的热噪声. 本文通过解能量平衡方程, 得到电子温度表达式, 并结合沟道漏电流表达式, 建立了沟道热噪声模型. 利用建立的电子温度表达式, 该热噪声模型考虑了热载流子效应的影响, 并且在计算热噪声的过程中考虑了电子温度对迁移率降低的影响以及温度梯度对热噪声的影响. 通过分析与计算, 结果显示, 随着器件尺寸的减小, 温度梯度对电子温度产生显著影响, 使得热载流子效应的影响增大, 热载流子效应对热噪声的增长作用超过了迁移率降低对热噪声的减小作用, 最终导致热噪声增大. 本文建立的沟道热噪声模型可应用于纳米尺寸金属-氧化物半导体场效应晶体管器件的噪声性能分析及建模.
高压烧结制备Tb掺杂n型(Bi1–xTbx)2(Te0.9Se0.1)3合金及其微结构和热电性能
邹平, 吕丹, 徐桂英
2020, 69 (5): 057201. doi: 10.7498/aps.69.20191561
摘要 +
采用高压烧结技术制备了稀土元素Tb掺杂的n型Bi2Te2.7Se0.3基纳米晶块体热电材料. 将高压烧结成型的样品于633 K真空退火36 h. 研究了Tb掺杂量对样品的晶体结构和热电性能的影响. 结果表明, 高压烧结制备的样品为纳米结构, Tb掺杂使样品的晶胞体积变大, 功率因子增大, 热导率降低, 从而使ZT值提高. Tb掺杂量为x = 0.004是最优的掺杂量, 该掺杂量的高压烧结样品经退火处理后, 于373 K时 ZT值达到最大为0.99, 并且在323—473 K范围内, ZT值均大于0.8, 这对用于温差发电领域具有重要意义.
热光伏能量转换器件的热力学极限与优化性能预测
廖天军, 吕贻祥
2020, 69 (5): 057202. doi: 10.7498/aps.69.20191835
摘要 +
受不可逆损失的影响, 热光伏能量转换器件在高品位热能回收与利用方面受到限制. 本文揭示不可逆损失来源, 提供热光伏能量转换器件性能提升方案. 利用半导体物理和普朗克热辐射理论, 确定热光伏能量转换器件在理想条件下的最大效率. 进而考虑Auger与Shockley-Reed-Hall非辐射复合和不可逆传热损失对光伏电池的电学、光学和热学特性的影响, 预测热光伏器件优化性能. 确定功率密度、效率和光子截止能量的优化区间. 结果表明: 相比于理想热光伏器件, 非理想热光伏器件的开路电压、短路电流密度和效率有所降低; 优化热光伏电池电压、光子截止能量和热源温度, 可提升器件的功率密度和效率. 通过对比发现理论与实验结果较一致, 所得结果可为实际热光伏能量转换器件的研制提供理论指导.

封面文章

HgCdTe薄膜的输运特性及其应力调控
张松然, 何代华, 涂华垚, 孙艳, 康亭亭, 戴宁, 褚君浩, 俞国林
2020, 69 (5): 057301. doi: 10.7498/aps.69.20191330
摘要 +
$ {n_{\rm{s}}} = 1.25 \times {10^{16}}~{{\rm{m}}^{ - 2}}$. 在不同磁场下, 利用压电陶瓷对样品进行应力调控, 观测到具有不同特征的现象, 分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道. 零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变; 而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂.">窄禁带直接带隙半导体材料碲镉汞(Hg1–xCdxTe)是一种在红外探测与自旋轨道耦合效应基础研究方面都具有重要应用意义的材料. 本文对单晶生长的体材料Hg0.851Cd0.149Te进行阳极氧化以形成表面反型层, 将样品粘贴在压电陶瓷上减薄后进行磁输运测试, 在压电陶瓷未加电压时观察到了明显的SdH振荡效应. 对填充因子与磁场倒数进行线性拟合, 获得样品反型层二维电子气的载流子浓度为$ {n_{\rm{s}}} = 1.25 \times {10^{16}}~{{\rm{m}}^{ - 2}}$. 在不同磁场下, 利用压电陶瓷对样品进行应力调控, 观测到具有不同特征的现象, 分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道. 零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变; 而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂.
气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响
刘家合, 鲁佳哲, 雷俊杰, 高勋, 林景全
2020, 69 (5): 057401. doi: 10.7498/aps.69.20191540
摘要 +
环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响. 基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究, 探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响. 实验结果表明, 在10—100 kPa空气压强条件下, 空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化, 且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别. 随着空气压强增大, 激光击穿作用区域的空气密度增加, 造成激光诱导击穿空气几率升高, 从而等离子体辐射光谱强度增大. 空气等离子体膨胀区域空气的约束作用, 增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率, 并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加, 因此造成原子谱线O Ι 777.2 nm与N Ι 821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大, 在80 kPa时谱线强度最高, 随后谱线强度缓慢降低. 而离子谱线N II 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值, 气体压强大于40 kPa后, 谱线强度随压强增加而逐渐降低. 空气等离子体电子密度均随压强升高而增大, 在80 kPa后增长速度变缓. 等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值, 气体压强大于30 kPa后, 等离子体电子温度逐渐降低. 研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础, 为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.
非对称条形纳磁体的铁磁共振频率和自旋波模式
陈亚博, 杨晓阔, 危波, 吴瞳, 刘嘉豪, 张明亮, 崔焕卿, 董丹娜, 蔡理
2020, 69 (5): 057501. doi: 10.7498/aps.69.20191622
摘要 +
通过建立微波激励下的非对称条形多铁纳磁体的微磁模型, 研究了倾斜角和缺陷角对该形纳磁体的铁磁共振谱和自旋波模式的影响. 通过对微磁仿真得到的动态磁化数据进行分析发现, 非对称条形纳磁体倾斜角度增加, 铁磁共振频率随之增加, 而这一现象与纳磁体的缺陷角度无关. 倾斜角不变, 非对称条形纳磁体的铁磁共振频率与缺陷角度呈单调递增关系, 并且不同缺陷角度纳磁体的自旋波模式显示出极大的差异. 非对称条形纳磁体与矩形纳磁体相比, 它的自旋波模式局部化, 具体为非对称条形纳磁体的自旋波模式不对称且高进动区域存在于边缘, 表现为非对称边缘模式. 倾斜角改变导致纳磁体内部退磁场变化, 引起纳磁体边缘模式的移动, 而中心模式对倾斜角的变化并不敏感. 最后, 对建立的模型在高频微波磁场激励下的磁损耗进行了分析, 验证了模型的可靠性. 这些结论说明缺陷角和倾斜角可用于纳磁体自旋波模式和铁磁共振频率的调谐, 所得结果为可调纳磁微波器件的设计提供了重要的理论依据和思路.

编辑推荐

脉冲强磁场下的电极化测量系统
刘婉馨, 陈瑞, 刘永杰, 王俊峰, 韩小涛, 杨明
2020, 69 (5): 057502. doi: 10.7498/aps.69.20191520
摘要 +
多铁性材料是当前物质科学研究的热点, 具有重要的科学研究意义和应用前景. 低温和强磁场实验环境为研究多铁性材料提供了一种有效途径. 脉冲强磁场下的电极化测量系统能实现最高磁场强度60 T、最低温度0.5 K的铁电特性测量. 该系统采用热释电方法, 具有磁场强度高、控温范围广、转角测量等特点, 可用于强磁场下的磁电特性研究. 本文介绍了该系统的测量装置和实验原理, 并展示了其在多铁性材料研究中的一系列应用, 揭示了脉冲强磁场电极化测量系统在磁电特性探索中的重要作用.
肖特基钙钛矿太阳电池结构设计与优化
梁晓娟, 曹宇, 蔡宏琨, 苏健, 倪牮, 李娟, 张建军
2020, 69 (5): 057901. doi: 10.7498/aps.69.20191891
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有机-无机杂化钙钛矿材料有高吸收系数、低廉的制作成本以及较为简单的制备工艺, 在近年来表现出良好的发展前景. 本文采用wx-AMPS模拟软件对平面结构钙钛矿太阳电池和肖特基钙钛矿太阳电池进行建模仿真对比, 从理论上分析无载流子传输层的肖特基钙钛矿太阳电池的优势. 结果显示, 器件两侧电极功函数和吸收层的能带分布是提高太阳电池效率的关键. 在对电极使用Au(功函数为5.1 eV)的前提下, 透明导电电极功函数为3.8 eV, 可以得到肖特基钙钛矿太阳电池转换效率为17.93%. 对器件模型吸收层进行优化, 通过寻找合适的掺杂浓度, 抑制缺陷密度, 确定合适的厚度, 可以获得理想的转换效率(20.01%), 是平面异质结结构(理论转换效率31%)的63.84%. 肖特基钙钛矿太阳电池在简单的器件结构下可以获得优异的光电性能, 具有较好的应用潜力.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
基于银纳米线电极-rGO敏感材料的柔性NO2气体传感器
李闯, 李伟伟, 蔡理, 谢丹, 刘保军, 向兰, 杨晓阔, 董丹娜, 刘嘉豪, 陈亚博
2020, 69 (5): 058101. doi: 10.7498/aps.69.20191390
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使用银纳米线作为材料制备柔性叉指电极, 用还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide, rGO)作为气体敏感材料制备出柔性气体传感器, 并研究其对二氧化氮气体的响应特性以及柔韧性能. 实验结果表明, 制备的以银纳米线作为电极的rGO气体传感器可以实现室温下对浓度为5—50 ppm (1 ppm = 10–6)的NO2气体的检测, 对50 ppm的NO2的响应能够达到1.19, 传感器的重复性较好, 恢复率能够保持在76%以上, 传感器的灵敏度是0.00281 ppm–1, 对浓度为5 ppm的NO2气体的响应时间是990 s, 恢复时间是1566 s. 此外, 传感器在0°—45°的弯曲角度下仍表现出优异的电学特性与气体传感性能, 所制备的器件具有相对稳定的导电性和较好的弯曲耐受性.
Heusler合金Mn50–xCrxNi42Sn8的相变、磁性与交换偏置效应
Algethami Obaidallah A, 李歌天, 柳祝红, 马星桥
2020, 69 (5): 058102. doi: 10.7498/aps.69.20191551
摘要 +
研究了Mn50–xCrxNi42Sn8 (x = 0, 0.4, 0.6, 0.8)多晶样品的相变、磁性和交换偏置效应. 结果表明, 该系列合金在室温下都具有非调制的四方马氏体结构. 马氏体逆相变温度随Cr含量增加而逐渐降低. 20 kOe磁场下的M-T曲线表明, 该系列合金的磁性比较弱. 两相之间的磁性差最大为∆M = 7.61 emu/g. 磁性的变化主要与Mn-Mn间距的变化以及Ni(A位)-Mn(D位)间杂化作用的强弱有关. 在低温下, 马氏体相的磁性随着Cr含量增加而增强. 在500 Oe的外加磁场作用下, 从室温冷却到5 K, 在Mn50Ni42Sn8合金中观察到高达2624 Oe的交换偏置场. 随着Cr含量的增加, 交换偏置场逐渐减小. 当Cr含量x = 0.8时, 随着冷却场的增加, 5 K时的交换偏置场先迅速增加然后逐渐减小. 当冷却场为500 Oe时, 交换偏置场最大. 这主要归因于自旋玻璃态与反铁磁性区域的界面交换耦合作用的变化.
三维金字塔立体复合基底表面增强拉曼散射特性
吴美梅, 张超, 张灿, 孙倩倩, 刘玫
2020, 69 (5): 058103. doi: 10.7498/aps.69.20191636
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表面增强拉曼散射(SERS)是一种广泛应用于化学反应检测、医学诊断和食品分析等领域的高灵敏度光谱技术. 基底结构的构建对提高探针分子的SERS信号有非常重要的影响. 本文利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)包裹银纳米颗粒制备了一种三维金字塔立体复合SERS基底, 实现了对罗丹明6G (R6G)分子的高灵敏度检测. 通过调节银纳米颗粒在PMMA丙酮溶液中的分散密度, 实现了光在金字塔谷内的有效振荡, 既保证了三维结构高密度的“热点”效应, 又避免了由于金属-分子相互作用引起的吸附探针分子变形导致的信号失真等问题. 同时, 有效防止了银纳米颗粒的氧化, 为探针分子提供更大的电磁增强作用范围, 使增强的拉曼信号产生稳定的输出. 此研究结果不仅提供了一种高性能、可重复使用的SERS基底的有效策略, 也会对未来设计改进三维结构的SERS基底有指导意义.
地球物理学、天文学和天体物理学
垂直磁重联平面的驱动流对磁岛链影响的模拟
王琳, 魏来, 王正汹
2020, 69 (5): 059401. doi: 10.7498/aps.69.20191612
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近20年来, 大量的磁岛链现象从空间、天体物理到磁约束实验室等离子体中被观察到, 并且有关磁岛链现象的许多物理特性可以直接被计算机模拟结果所证实. 磁岛链理论在磁重联理论中的重要进展为快速磁重联的发生机制提供了更加具有说服力的解释. 本文采用二维三分量的磁流体力学模型, 数值研究了不同宽度和不同强度的垂直平面驱动流对磁重联中磁岛链不稳定性的影响, 并分析了导向场和垂直平面的驱动流对磁岛链的共同作用. 研究结果表明: 垂直平面驱动流的宽度越宽或强度越强, 越容易产生磁岛链结构. 电流片中的小磁岛个数及重联率随着垂直平面驱动流宽度及强度的增加而增加. 另外, 导向场会改变重联平面内磁岛链的对称性. 相同导向场情况下, 驱动流强度越大, 小磁岛的增长速度越快.