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Vol. 69, No. 10 (2020)

2020年05月20日

专题

载能离子束技术
编者按   载能离子束技术是一种多学科交叉的新型技术, 研究内容涉及物理、化学、材料和核科学等许多学科领域, 在机械、电子和航空航天等领域有广泛的应用前景. 载能离子束在离子能量损失过程中, 与材料发生原子尺度的一系列物理和化学相互作用, 不仅可以用来进行离子束分析和离子束加工, 还可以形成独特的亚稳态组织结构, 提高材料的表面性能. 近年来, 利用沉积粒子自身载能特性的离子束沉积技术受到人们广泛的关注, 这是因为离子束沉积不仅可以形成亚稳态结构, 还可以利用离子束与材料相互作用优化涂层材料的组织结构, 从而显著提高涂层的性能. 本刊组织的“载能离子束技术”专题, 研究内容可以大致划分为如下三个方面: (1) 采用磁过滤真空弧沉积技术制备优质耐腐蚀、耐磨损和耐高温蒸汽氧化涂层以及这些涂层材料物理性质的研究;(2) 采用高功率脉冲磁控溅射沉积技术制备优质涂层及这些优质涂层材料特殊性质的研究;(3) 离子激发发光原位分析氧化锌和氟化锂材料的离子辐照行为研究. 希望这个专题能够为国内外载能离子束技术研究领域的学术交流和发展做一些贡献, 推动载能离子束技术在更多学科和领域的推广和应用.
客座编辑:北京师范大学 冯世平 物理学报.2020, 69(10).
特邀综述
特邀综述
专题:载能离子束技术
专题
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 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
特邀综述

特邀综述

膜间相互作用、开弦对产生和增强效应及其可能的实验探测
卢建新, 张楠
2020, 69 (10): 101101. doi: 10.7498/aps.69.20200037
摘要 +
本文较为详细地介绍了作者之一及其合作者近期在Type II弦理论中有关D膜间相互作用, 开弦对产生以及这种对产生在一定情况下的增强效应的系列研究工作. 具体包括计算了带有一般世界体常数电磁场情况下平行放置且有一定间距的两张D膜间的相互作用, 讨论了相关特性, 比如相互作用的吸引或排斥情况. 当其中至少一张膜带电场时, 这种相互作用振幅通常有一个虚部, 反映了该系统的一种不稳定性即开弦对的产生, 并给出相应的衰变率和开弦对产生率. 另外, 探讨了这种开弦对产生率的增强效应, 发现其与所加的电场和磁场的方向和大小相关联. 当其中一个膜的空间维度为3, 另一个膜的空间维度为1时, 这种开弦对产生率可以大到人类实验室条件下得以检验. 开弦对的产生率与两膜沿额外维方向的间距密切关联, 如果假定弦理论的正确性及人类的4维时空可以看成一张D3膜的话, 测量开弦对产生所给出的(比如)电流并验证其与所加电磁场的关系符合预言, 由此可以检验额外维的存在性. 同时, 这也为弦理论提供了一种实验检验, 并且这是一种无须将该理论紧化到四维时空的全新方式.
专题:载能离子束技术
利用离子激发发光研究ZnO离子注入和退火处理的缺陷变化
罗长维, 仇猛淋, 王广甫, 王庭顺, 赵国强, 华青松
2020, 69 (10): 102901. doi: 10.7498/aps.69.20200029
摘要 +
在北京师范大学GIC4117 2 × 1.7 MV串列加速器上, 利用离子激发发光(ions beam induced luminescence, IBIL)技术研究了2 MeV H+注入ZnO的缺陷变化及473和800 K退火处理对缺陷的恢复作用. 实验表明, 在2 MeV H+的辐照下, 晶体内部产生的点缺陷会快速移动、聚集成团簇, 从而抑制发光. 473 K退火后的受辐照ZnO晶体内仍存在着大量的缺陷和团簇, 而这些缺陷和团簇作为非辐射中心抑制着ZnO晶体的发光. 800 K的退火处理可以显著地分解辐照过程中形成的团簇, 也可以帮助点缺陷回到晶格位置, 从而减少晶体内部的不平衡缺陷, 提高晶体的结晶度, 使退火后的受辐照ZnO样品IBIL光强大幅度增强.
基于磁过滤技术TiAlCN/TiAlN/TiAl复合体系腐蚀及摩擦学性能
陈淑年, 廖斌, 陈琳, 张志强, 沈永青, 王浩琦, 庞盼, 吴先映, 华青松, 何光宇
2020, 69 (10): 107202. doi: 10.7498/aps.69.20200012
摘要 +
本文基于新型的磁过滤沉积技术(FCVA)研究了TiAlCN/TiAlN/TiAl多元复合涂层结构及不同C含量对其防腐耐磨性能的影响. 同时使用SEM, XRD, XPS, 电化学测试和摩擦磨损设备对其宏/微观性能进行了系统表征. 实验结果表明: 随C含量增加, C元素的存在形式从TiAlCN固溶相转化为TiAlCN固溶/非晶碳共存. 典型的TiAlCN固溶/非晶碳纳米复合结构TiAlCN/TiAlN/TiAl涂层不仅具有超高硬度和高韧性, 而且涂层中均匀无特征结构的非晶碳具有优异的自润滑效果, 通过结合各层的优势, 该结构涂层在3.5%NaCl电化学腐蚀试验中, Ecorr提高了5.6倍, 为0.271V, Icorr降低为原来的1/52, 为8.092 × 10–9 A·cm–2; 在干摩擦实验中, 摩擦系数降低了1/3, 为0.43, 磨损率降低了1/1.4, 为1.13 × 10–5 mm3·N–1·m–1.
不同离子辐照氟化锂材料时原位发光光谱测量分析
仇猛淋, 赵国强, 王庭顺, 罗长维, 王广甫, 张丰收, 吕沙沙, 廖斌
2020, 69 (10): 107801. doi: 10.7498/aps.69.20200020
摘要 +
$ \rm F_3^{-}/F_2^+ $色心发光峰强度及其演变行为表明其耐辐照性能好于可见光波段的F2色心.">在BNU400注入机上搭建的离子激发发光(ion beam induced luminescence, IBIL)测量装置上, 开展了相同能量(100 keV)条件下的3种离子(H+、He+以及O+)辐照氟化锂材料时的IBIL光谱的原位测量工作, 对比研究离子种类对氟化锂材料辐照缺陷的生成及其演变行为的影响. 结合SRIM(Stopping and Range of Ions in Matter)模拟的结果, 可以发现He+辐照时的IBIL光谱强度最高, 这是由于He+激发产生的电子空穴对密度高于H+,而O+辐照时由于激发出的电子空穴对密度过高引起的非辐射复合比例增加, 从而导致发光效率过低; 质量数越大的离子辐照时, 核阻止本领越大, 会加快缺陷的生成和湮灭速率, 降低达到平衡状态时的发光强度. 近红外波段的$ \rm F_3^{-}/F_2^+ $色心发光峰强度及其演变行为表明其耐辐照性能好于可见光波段的F2色心.
高功率脉冲磁控溅射技术制备掺氮类金刚石薄膜的磨蚀性能
沈永青, 张志强, 廖斌, 吴先映, 张旭, 华青松, 鲍曼雨
2020, 69 (10): 108101. doi: 10.7498/aps.69.20200021
摘要 +
掺氮类金刚石薄膜在生物应用中很有前景, 研究其摩擦和腐蚀的协同作用有很大的实际意义. 论文使用高功率脉冲磁控溅射(high-power impulse magnetron sputtering, HiPIMS)技术, 在奥氏体不锈钢和单晶硅片上以Ar气和氮气为前驱气体, 室温下制备了致密的掺氮类金刚石薄膜. 使用配备三电极电化学池的往复型摩擦磨损试验机, 在Hank’s平衡盐溶液中研究了不同靶脉冲持续时间制备的薄膜的摩擦腐蚀性能, 并在滑动之前、期间和之后监测了薄膜的开路电位(open circuit potential, OCP). 电化学工作站用于表征摩擦前薄膜的电化学行为. 结果表明: 60 μs制备的掺氮类金刚石薄膜展示了优异的耐磨蚀性能, 其摩擦系数最低(0.05)且在摩擦阶段OCP显示了最高的稳定值(39 mV), 这主要归功于其致密的结构和较大的表面能; 而90 μs下制备的薄膜由于可以形成交联结构的sp3键含量明显下降, 从而导致薄膜孔隙率增加, 薄膜的抗腐蚀性下降, 在磨蚀过程中由于电解液在孔隙的腐蚀使得薄膜/基体的界面结合强度减弱, 在摩擦的综合作用下, 薄膜脱落, 发生失效.
磁过滤阴极真空弧技术制备厚且韧TiN涂层
张志强, 廖斌, 欧伊翔, 张丰收, 张旭, 沈永青, 陈淑年, 华青松, 何光宇, 欧阳晓平
2020, 69 (10): 108103. doi: 10.7498/aps.69.20200036
摘要 +
$ H/E^* $$ H^3/E^{*2} $值最高可达到0.0989和0.3742; 厚且韧的TiN硬质涂层表现出优良的耐磨性, 摩擦系数最低为0.26.">极端服役条件的出现对涡轮喷气发动机压气机叶片防护涂层提出了越来越高的性能要求, 具备厚且韧, 同时满足结合力高且耐磨性好的硬质涂层是未来极端服役环境下的潜在涂层. 本文利用磁过滤阴极真空弧技术在304L不锈钢基底上成功地沉积了厚且韧的TiN硬质涂层, 并利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪等对涂层的形貌、结构和性能进行了研究. 实验结果表明: 沉积过程中, 对TiN涂层进行周期性地高能离子轰击处理, 能够实现TiN大晶粒抑制, 降低涂层内应力, 使TiN涂层实现连续生长, 涂层的厚度可达到50 μm, 沉积速率接近0.2 μm/min; 同时控制N2气流量不变生成稳定的非化学计量TiNx, 使TiN涂层具有一定的韧性. 制备的TiN涂层属于超硬涂层, 硬度和弹性模量最高分别可达到38.24和386.53 GPa; TiN涂层的结合力良好, 压痕无剥落形貌和径向裂纹, 涂层的韧性优良; TiN涂层的$ H/E^* $$ H^3/E^{*2} $值最高可达到0.0989和0.3742; 厚且韧的TiN硬质涂层表现出优良的耐磨性, 摩擦系数最低为0.26.
综述
受激辐射损耗超分辨显微成像系统研究的新进展
王佳林, 严伟, 张佳, 王璐玮, 杨志刚, 屈军乐
2020, 69 (10): 108702. doi: 10.7498/aps.69.20200168
摘要 +
由于受到衍射极限的影响, 传统光学显微镜的分辨率被限制在半个波长左右. 近二十年来出现了许多通过不同方法绕过光学衍射极限的超分辨成像技术, 其中, 受激辐射损耗显微(stimulated emission depletion microscopy, STED)通过引入一束环形损耗光来抑制荧光光斑外围荧光分子的发光, 以达到减小点扩散函数的目的, 实现超分辨成像. 经过近些年的发展, STED系统无论从光束的产生、校准和扫描, 还是最后的成像, 都有了很大的发展. 本文将简要介绍STED成像技术的基本原理, 详述STED超分辨成像技术出现至今在光源、扫描及成像系统等方面的进展, 以及在三维成像和多色成像方面的发展现状, STED技术与其他显微技术的结合. 最后, 本文对STED技术近几年的研究新进展进行了系统的论述, 对STED技术未来的发展趋势进行了探讨.
总论
评估新型冠状病毒地区防控效果的一种近似方法
李冀鹏, 洪峰, 白薇, 廖敬仪, 张彦如, 周涛
2020, 69 (10): 100201. doi: 10.7498/aps.69.20200441
摘要 +
我们观察到地区累计确诊的病例数目和武汉封城前流入的人口总数高度相关, 且本地第三代感染者占比很小. 基于此, 提出了一种考虑输入病例和地区人口效应的定量化评估新型冠状病毒地区防控效果的近似方法, 并将其用于评估武汉流出人口前50的城市防控的成效. 防控效果最显著的10 个城市依次是石家庄、洛阳、恩施、周口、厦门、贵阳、咸宁、安庆、信阳、南宁.

编辑推荐

基于阿基米德螺线的三导线环形磁导引
凌云龙, 汪川, 张海潮
2020, 69 (10): 100301. doi: 10.7498/aps.69.20200284
摘要 +
$ {\text{π}}/3$旋转对称性, 由三根导线组成. 每根导线包含一对由圆弧连接的阿基米德螺线, 且具有中心对称性. 这种结构能够避免电流引线端导致的导引缺口问题. 当加载直流电时, 可以形成闭合的环形磁导引, 但导引中心存在磁场零点. 利用时间轨道平均势原理, 在直流电的基础上再加载交流调制, 对调制电流的参数进行分析和讨论后给出优化方案, 使环形磁导引中心无磁场零点, 同时平滑了环形磁导引中心磁场强度在角向上的起伏变化. 该结构可以刻蚀在芯片表面, 具有生产工艺简单、调制稳定等优点, 有利于实现导引型原子芯片陀螺仪.">提出了一种三线阿基米德螺线结构产生环形磁势阱以囚禁中性原子的导引方案. 该结构具有$ {\text{π}}/3$旋转对称性, 由三根导线组成. 每根导线包含一对由圆弧连接的阿基米德螺线, 且具有中心对称性. 这种结构能够避免电流引线端导致的导引缺口问题. 当加载直流电时, 可以形成闭合的环形磁导引, 但导引中心存在磁场零点. 利用时间轨道平均势原理, 在直流电的基础上再加载交流调制, 对调制电流的参数进行分析和讨论后给出优化方案, 使环形磁导引中心无磁场零点, 同时平滑了环形磁导引中心磁场强度在角向上的起伏变化. 该结构可以刻蚀在芯片表面, 具有生产工艺简单、调制稳定等优点, 有利于实现导引型原子芯片陀螺仪.
基于晶格玻尔兹曼方法研究不同出口压力条件下淋巴管内氮含量的变化及影响
赫轶男, 张乾毅, 韦华建, 施娟
2020, 69 (10): 100501. doi: 10.7498/aps.69.20191944
摘要 +
淋巴系统是人体内重要的防御功能系统, 具有三大免疫功能, 首先是能够抵御细菌病毒, 使人体免于疾病的攻击; 其次是由淋巴细胞加以辅助, 清除由新陈代谢而出的产物; 最后是由淋巴细胞来修补受损的器官与组织, 使其恢复正常的生理功能。淋巴系统没有像血液循环系统中心脏一样的动力泵, 淋巴液的驱动主要靠淋巴管的自主收缩来完成(肺淋巴系统是靠肺泡的运动)。淋巴管的自主收缩循环是由淋巴肌细胞内钙离子增加产生收缩, 收缩驱动流体产生剪切力, 剪切力使淋巴内皮细胞产生一氧化氮合酶(eNOS), 一氧化氮合酶使一氧化氮增加, 一氧化氮的增加降低钙离子使淋巴管松弛, 淋巴管松弛后流体剪切率下降, eNOS下降, 一氧化氮下降, 钙离子增加, 淋巴肌细胞收缩, 开始新的周期。可见一氧化氮的浓度及其分布对淋巴管的收缩起关键作用。显然出口压力会影响淋巴管内流体的剪切率, 进而影响一氧化氮的浓度和淋巴管的收缩。为了研究淋巴管出口压力对淋巴管收缩的影响, 建立了一个晶格玻尔兹曼模型, 模拟嵌入多孔组织的初始淋巴管和有两对瓣膜的集合淋巴管, 该模型可以重现一氧化氮、钙的相互影响以及淋巴管的自主收缩, 并研究不同出口压力下一氧化氮的分布及其平均值.
栅氧化层经时击穿的非平衡统计理论分析方法
赵文静, 丁梦光, 杨晓丽, 胡海云
2020, 69 (10): 100502. doi: 10.7498/aps.69.20200108
摘要 +
栅氧化层的经时击穿作为影响互补型金属-氧化物-半导体集成电路可靠性的一个重要因素, 一直是国内外学者研究的重点. 为了对其进一步研究, 首先从栅氧化层在电应力下经时击穿的微观机理出发, 基于栅氧化层中电子陷阱密度累积达到临界值时发生击穿的原理和电子陷阱生成过程的随机性, 提出了栅氧化层经时击穿的非平衡统计理论分析方法, 然后分别给出了恒定电流应力和恒定电压应力下电子陷阱生成速率方程, 导出了电子陷阱密度的概率密度分布函数. 最后以具体器件为例进行分析, 得到了栅氧化层的最概然寿命随电流应力、电压应力及其厚度的变化规律, 并类比固体断裂现象中“疲劳极限”的概念定义“击穿极限”概念. 计算出了累积失效率随电流应力、电压应力和时间的变化规律, 引入特征值来描述累积失效率达到0.63所用的时间. 结果表明: 电子陷阱密度的概率密度分布函数满足对数正态分布, 且理论结果与实验结果相符.
摩擦不对称耦合布朗马达的定向输运
张旭, 曹佳慧, 艾保全, 高天附, 郑志刚
2020, 69 (10): 100503. doi: 10.7498/aps.69.20191961
摘要 +
本文研究了耦合布朗马达在溶液摩擦对称性破缺条件下的定向输运问题. 详细讨论了溶液阻尼系数比, 周期外力以及耦合作用对布朗粒子定向输运的影响. 研究发现: 溶液摩擦的不对称性不仅能促进摩擦棘轮的定向输运, 且合适的溶液阻尼系数比还可以使耦合棘轮的定向输运达到最强. 此外, 一定摩擦阻尼条件下外力振幅可以使耦合粒子的定向输运呈现多峰结构. 研究还发现合适的自由长度和耦合强度也能增强摩擦棘轮的输运特性. 研究结果不仅能够启发实验上选取合适的摩擦阻尼来优化布朗马达的输运, 也可为信息容量大、反应速度快的纳米器件的制备提供一定的理论参考.
基于GaAs/Al0.45Ga0.55As超晶格芯片自发混沌振荡的8 Gb/s物理真随机数实现
刘延飞, 陈诚, 杨东东, 李修建
2020, 69 (10): 100504. doi: 10.7498/aps.69.20200136
摘要 +
物理真随机数发生器对密码学和保密通信至关重要. 现有随机数发生器, 或者复杂庞大, 或者受限于器件带宽, 不能很好地满足现代高速通信系统的需要. 本文提出了一种基于超晶格(superlattices, SLs)芯片的全固态实时高速物理真随机数发生器. 通过选取合适直流偏置电压对SLs芯片进行激发, 从而产生高频混沌振荡信号作为物理熵源, 利用采样频率为2 GHz的多位模数转换器(analog-to-digital converter, ADC)进行量化, 生成12位的二进制随机比特, 然后使用现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array, FPGA)抽取最低4位为有效位并进行比特反转以改善其随机性, 最终获得了实时速率为8 Gbit/s的随机数. 经验证, 该发生器产生的随机数通过了随机数行业标准(NIST SP 800-22)的测试, 具备优良的统计特性, 有望小型化集成到高速通信设备之上.
基于遗传算法优化卷积长短记忆混合神经网络模型的光伏发电功率预测
王晨阳, 段倩倩, 周凯, 姚静, 苏敏, 傅意超, 纪俊羊, 洪鑫, 刘雪芹, 汪志勇
2020, 69 (10): 100701. doi: 10.7498/aps.69.20191935
摘要 +
光伏发电受天气与地理环境影响, 呈现出波动性和随机多干扰性, 其输出功率容易随着外界因素变化而变化, 因此预测发电输出功率对于优化光伏发电并网运行和减少不确定性的影响至关重要. 本文提出一种基于遗传算法(GA)优化的卷积长短记忆神经网络混合模型(GA-CNN-LSTM), 首先利用CNN模块对数据的空间特征提取, 再经过LSTM模块提取时间特征和附近隐藏状态向量, 同时通过GA优化LSTM训练网络的超参数权重与偏置值. 在初期对历史数据进行归一化处理, 以及对所有特征作灰色关联度分析, 提取重要特征降低数据计算复杂度, 然后对本文提出来的经GA优化后的CNN-LSTM混合神经网络(GA-CNN-LSTM)算法模型进行光伏功率预测实验. 同时与CNN, LSTM两个单一神经网络模型以及未经GA优化的CNN-LSTM混合神经网络模型的预测性能进行比较. 结果显示在平均绝对误差率(MAPE)指标下, 本文提出的GA-CNN-LSTM算法模型比单一神经网络模型最好的结果减少了1.537%的误差, 同时比未经优化的CNN-LSTM混合神经网络算法模型减少了0.873%的误差. 本文的算法模型对光伏发电功率具有更好的预测性能.
核物理学

封面文章

基于ZnO:In纳米棒阵列的X射线闪烁转换屏制备与性能研究
李乾利, 胡亚华, 马逸凡, 孙志祥, 王敏, 刘小林, 赵景泰, 张志军
2020, 69 (10): 102902. doi: 10.7498/aps.69.20200282
摘要 +
为了满足高能物理和核物理领域在探究一些超快物理事件时, 对兼顾高时间和高空间分辨的X射线闪烁转换屏的迫切需求, 本文利用磁控溅射和水热反应法制备了ZnO:In纳米棒阵列X射线闪烁转换屏, 并对其进行氢气氛下的等离子处理优化其闪烁发光性能. X射线激发发射谱显示ZnO:In纳米棒阵列具有395 nm的紫外发光和450—750 nm的可见发光两个发光峰, 同时表明氢气氛等离子体处理可显著增强ZnO:In纳米棒阵列的紫外发光, 抑制其可见发光. 发光衰减时间测量表明, ZnO:In纳米棒阵列紫外发光衰减时间在亚纳秒级, 其可见发光衰减时间在纳秒级, 两者均可满足高时间分辨的X射线探测需求. 在上海同步辐射光源的X射线空间分辨率测试表明, 在能量为20 keV的X射线光束辐照下, 厚度为12 μm的ZnO:In纳米棒阵列作为X射线闪烁转换屏可达到1.5 μm的系统空间分辨率. 本研究表明利用ZnO:In纳米棒阵列作为X射线闪烁转换屏是实现兼顾高时间和高空间分辨的X射线探测与成像的一种可行方案.
原子和分子物理学
环形C18在外电场下的基态性质和激发特性
李世雄, 陈德良, 张正平, 隆正文, 秦水介
2020, 69 (10): 103101. doi: 10.7498/aps.69.20200268
摘要 +
采用密度泛函理论方法(ωB97XD/def2-TZVP)研究了沿不同方向(x, y, z)加电场对环形C18的基态几何结构、能量、电子结构、芳香性、红外及拉曼光谱特性的影响; 继而采用含时的TD-ωB97XD方法研究了C18在外电场下的激发特性. 研究结果表明: 外电场导致分子对称性降低, 偶极矩随外电场的增加逐渐增加, 体系总能量和LUMO-HOMO能隙随着外电场的增加一直减小. 外电场将改变环上π电子的离域特征以及分子芳香性, 如分子z方向加入电场将减弱π电子离域性及分子芳香性, 分子xy方向加入电场可以增强π电子离域性及分子芳香性. 外电场将改变红外光谱特征, 如谐振频率的移动以及红外峰的增强或减弱. 外电场对环形C18的激发特性影响较大, 如当分子y方向加电场时, 激发波长发生红移; 同时对振子强度有很大影响, 原来振子强度很强的激发态变弱或成为禁阻跃迁, 而原来振子强度很弱或禁阻的激发态变强. 可以通过改变外电场来控制C18的基态性质和光谱特性, 促进C18在分子器件等纳米领域的应用.
2-甲基吡嗪分子激发态系间交叉过程的飞秒时间分辨光电子影像研究
布玛丽亚·阿布力米提, 凌丰姿, 邓绪兰, 魏洁, 宋辛黎, 向梅, 张冰
2020, 69 (10): 103301. doi: 10.7498/aps.69.20200092
摘要 +
飞秒时间分辨光电子影像技术和飞秒时间分辨质谱技术相结合, 研究了2-甲基吡嗪分子电子激发态超快非绝热弛豫动力学. 用323 nm光作为泵浦光, 把2-甲基吡嗪分子激发到第一激发态S1, 用400 nm光探测激发态演化过程. 通过时间分辨质谱技术测得S1态的寿命为98 ps. 实验中, 实时观察到了单重态S1向三重态T1的系间交叉过程. 通过分析发现, 跟吡嗪分子S1态的动力学过程不同, 2-甲基吡嗪分子激发到S1态后, 不仅S1 → T1系间交叉过程是S1态主要衰减通道, S1 → S0内转换过程也是S1态另一个主要衰减通道. 发挥飞秒时间分辨光电子影像技术的优点, 实验上得到不同泵浦-探测时间延迟的光电子角分布, 从角分布信息结合光电子能谱信息, 尝试观察2-甲基吡嗪分子的非绝热无场准直, 但由于2-甲基吡嗪分子对称性比吡嗪分子更低, 对称性更低分子准直现象的观察更有挑战性, 在实验中未能观察到非绝热准直动力学. 本工作为2-甲基吡嗪分子S1态非绝热弛豫动力学提供了较清楚的物理图像.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
多晶体光路配置的X射线衍射特性及在表征同步辐射光束线带宽上的应用
杨俊亮, 李中亮, 李瑭, 朱晔, 宋丽, 薛莲, 张小威
2020, 69 (10): 104101. doi: 10.7498/aps.69.20200165
摘要 +
本文报告了使用多晶体光路配置的X射线衍射实验及其用于表征上海光源BL09束线上双晶单色器出射光特性的情况. 当一个分析晶体与双晶单色器呈(+n, –n)无色散配置时, 通过退卷积得到单色器的角度带宽和相对能量带宽分别为5.40(4)'' 和1.30(1) × 10–4@10 keV; 当实验配置为(+n, +n)、(+n, –m)和(+n, +m)色散配置时, 退卷积之后测得同步辐射光束的角分布和相对能量带宽分别为26(1)''和6.3(2) × 10–4@10 keV; 处理掉双晶单色器的影响后, 可以得出与弯铁光源理论值一致的角发散度25(1)'' @10 keV. 此外, 利用多晶体的色散配置和DuMond作图的方法, 表征了一系列不同白光入射狭缝宽度下的单色器出射光的发射度和带宽的情况.

编辑推荐

水中颗粒孔洞流的最大休止倾角和流量公式
谢文韬, 李若如, 彭政, 蒋亦民
2020, 69 (10): 104501. doi: 10.7498/aps.69.20200217
摘要 +
$Q = {C_0}\rho {g^{1/2}}{(D - kd)^{5/2}}$很好地拟合;其中参数${C_0}$k仅与倾角余弦有关, 分别呈线性和平方反比关系. 与文献报道的空气孔洞流测量结果对比, 发现差别主要来自浮力和流体拖曳力对参数C0的影响. 这些结果表明用倾斜孔洞流测量颗粒材料休止角的方法和Beverloo公式具有一定的普适性. 无论颗粒间隙中填充的是水还是空气, 孔洞流的行为在定性上是一样的.">实验测量了完全浸泡在水中的玻璃珠颗粒样品在重力驱动下通过不同倾角和孔径的圆形孔洞的流量. 发现与空气中的情形类似, 不同孔径时的流量均与倾角余弦呈良好的线性关系; 线性外推得到的零流量角, 即流量休止临界角, 随颗粒粒径与孔洞直径之比d/D的减小而线性增加; 在无穷大孔径极限下, 此临界角在实验误差范围内与样品的休止角一致. 此外,所有测量都可用Beverloo公式$Q = {C_0}\rho {g^{1/2}}{(D - kd)^{5/2}}$很好地拟合;其中参数${C_0}$k仅与倾角余弦有关, 分别呈线性和平方反比关系. 与文献报道的空气孔洞流测量结果对比, 发现差别主要来自浮力和流体拖曳力对参数C0的影响. 这些结果表明用倾斜孔洞流测量颗粒材料休止角的方法和Beverloo公式具有一定的普适性. 无论颗粒间隙中填充的是水还是空气, 孔洞流的行为在定性上是一样的.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
基于原子力显微镜的石墨烯表面图案化摩擦调控
张玉响, 彭倚天, 郎浩杰
2020, 69 (10): 106801. doi: 10.7498/aps.69.20200124
摘要 +
摩擦可调控的石墨烯作为固体润滑剂在微/纳机电系统中具有巨大的应用潜力. 本文采用导电原子力显微镜对附着在Au/SiO2/Si基底上的石墨烯进行氧化刻蚀, 比较了在不同刻蚀参数下石墨烯纳米图案的摩擦性能, 并且通过开尔文力显微镜分析了不同刻蚀参数对纳米图案氧化程度的影响. 结果表明: 施加负偏压可以在石墨烯表面制造出稳定可调的氧化点、线等纳米级图案, 氧化点的直径和氧化线的宽度都随着电压的增大而增大; 增加石墨烯的厚度可以提高纳米图案的连续性和均匀性. 摩擦力随着针尖电压的增大而增大, 这是由于电压增大了弯液面力和静电力. 利用这些加工的纳米级图案可以精确地调控石墨烯表面的摩擦大小. 通过导电原子力显微镜刻蚀技术实现石墨烯表面纳米摩擦特性的可控, 为石墨烯在微/纳米机电系统中的摩擦行为研究和具有图案表面的纳米器件的制备提供了新的思路和方法.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Re对Ni3Al微观结构及力学性质影响的第一原理研究
胡雪兰, 卢睿智, 王智隆, 王亚如
2020, 69 (10): 107101. doi: 10.7498/aps.69.20200097
摘要 +
$ {\gamma ^{\prime}}$相Ni3Al之后微观结构和力学性质的变化. 结果表明, 在大部分化学计量比范围内, Re原子在Ni3Al中易于替代Al位. Re的掺杂引起Ni3Al晶格常数小幅度地增大, 且不会引起严重的晶格畸变. 通过差分电荷密度及态密度分析得到Re原子与近邻原子产生轨道相互作用, 尤其是与Ni原子作用较强, 并使周围Ni-Al键键能降低. 通过计算弹性模量, 应用经验判据得到掺杂后Ni3Al的刚性、硬度增强. 随着Re掺杂浓度的增加, Ni3Al晶格常数、刚性和硬度随之增大. 为了对第一性原理所得结果进行温度修正, 进一步结合声子谱计算考察了温度对力学性质的影响. Re的掺杂使得Ni3Al晶胞的熵略微增加, 自由能略微降低, 并且大幅度地增加Ni3Al在高温下的体弹性模量, 同时降低Ni3Al在高温下的热膨胀系数.">应用基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一原理方法, 探究了Re元素掺杂镍铝合金中$ {\gamma ^{\prime}}$相Ni3Al之后微观结构和力学性质的变化. 结果表明, 在大部分化学计量比范围内, Re原子在Ni3Al中易于替代Al位. Re的掺杂引起Ni3Al晶格常数小幅度地增大, 且不会引起严重的晶格畸变. 通过差分电荷密度及态密度分析得到Re原子与近邻原子产生轨道相互作用, 尤其是与Ni原子作用较强, 并使周围Ni-Al键键能降低. 通过计算弹性模量, 应用经验判据得到掺杂后Ni3Al的刚性、硬度增强. 随着Re掺杂浓度的增加, Ni3Al晶格常数、刚性和硬度随之增大. 为了对第一性原理所得结果进行温度修正, 进一步结合声子谱计算考察了温度对力学性质的影响. Re的掺杂使得Ni3Al晶胞的熵略微增加, 自由能略微降低, 并且大幅度地增加Ni3Al在高温下的体弹性模量, 同时降低Ni3Al在高温下的热膨胀系数.
磁电势垒结构中光场辅助电子自旋输运特性
李春雷, 徐燕, 郑军, 王小明, 袁瑞旸, 郭永
2020, 69 (10): 107201. doi: 10.7498/aps.69.20200237
摘要 +
基于Floquet理论和传输矩阵方法, 理论研究了光场对电子隧穿两类磁电垒结构的自旋极化输运特性的影响, 计算结果表明光场对两类磁电垒结构中电子的输运有显著影响: 首先, 原来不存在自旋过滤特性的结构应用光场后会产生低能区域明显的自旋过滤效应; 其次, 原来存在自旋过滤特性的结构应用光场后自旋过滤明显增强, 增幅超过一个数量级. 这些为新的自旋极化源的产生和自旋过滤现象的深入研究有一定的指导性意义.
双二次交换作用和各向异性对反铁磁体相变温度的影响
文林, 胡爱元
2020, 69 (10): 107501. doi: 10.7498/aps.69.20200077
摘要 +
本文基于双时格林函数方法, 通过对不同格点和同格点的高阶格林函数分别采用Tyablikov和Callen退耦近似, 系统研究了双二次型交换作用和各向异性对简单立方晶格反铁磁模型相变的影响. 得到了相变温度的解析表达式, 发现相变温度随着各向异性的增强而升高, 但随着双二次型相互作用的增强而下降.
钆掺杂对0.7BiFe0.95Ga0.05O3-0.3BaTiO3陶瓷的结构、介电性能和多铁性能的影响
杨如霞, 卢玉明, 曾丽竹, 张禄佳, 李冠男
2020, 69 (10): 107701. doi: 10.7498/aps.69.20200175
摘要 +
采用固相烧结法制备了不同Gd掺杂含量的0.7Bi1-xGdxFe0.95Ga0.05O3-0.3BaTiO3 (BGxFG-BT, x = 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2)陶瓷, 系统研究了Gd掺杂对BGxFG-BT陶瓷的晶体结构、微观形貌、介电性能以及多铁性能的影响. 通过X射线衍射图谱分析、扫描电镜形貌分析、X射线光电子能谱分析等工具表明, Gd掺杂会使BGxFG-BT陶瓷由菱面体(R3c)结构转变为赝立方(P4mm)结构, 晶粒尺寸会明显减小, 从未掺入Gd时的6.2 μm降低到约3.2 μm左右, 同时发现少量的Gd掺杂能够抑制BFG-BT陶瓷中Fe2+离子的产生, 减少氧空位的存在. 最终导致, 在适量的Gd掺杂下, 陶瓷的介电性能和铁电性能均得到明显改善. 适量的Gd掺杂可使介电常数增加、介电损耗减少、电滞回线形状改善、剩余电极化强度增加(最高达9.06 μC/cm2). 同时, 在磁性能方面, Gd掺杂陶瓷均表现铁磁性, 剩余磁极化强度与饱和磁化强度均有显著提高.
平面复合金属微纳结构的圆二色性研究
吐达洪·阿巴, 屈瑜, 白俊冉, 张中月
2020, 69 (10): 107802. doi: 10.7498/aps.69.20200130
摘要 +
圆二色性效应在圆偏振器、光调制器及光电器件等方面具有广泛的应用. 为提高平面金属微纳结构的圆二色性, 本文设计了由无限长纳米线和G形微纳结构组成的平面复合金属微纳结构, 并应用有限元方法研究了该阵列微纳结构的圆二色性特性. 数值计算结果显示, 在圆偏振光的激发下, G形微纳结构和平面复合金属微纳结构均出现了电偶极子、电四极子和电八极子等共振模式. 当G形微纳结构与无限长纳米线连接时, 各共振波长均发生红移, 并且无限长纳米线增加了不同圆偏振光激发下的局域表面等离激元共振强度, 从而使得平面复合微纳结构的圆二色性信号明显增强. 此外, 还研究了平面复合微纳结构阵列的几何参数对其圆二色性特性的影响. 这些结果为提高平面手性微纳结构的圆二色性信号强度提供一定的指导思路和方法.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
β-Ga2O3纳米材料的尺寸调控与光致发光特性
马腾宇, 李万俊, 何先旺, 胡慧, 黄利娟, 张红, 熊元强, 李泓霖, 叶利娟, 孔春阳
2020, 69 (10): 108102. doi: 10.7498/aps.69.20200158
摘要 +
氧化镓(Ga2O3)纳米材料在紫外透明电极、高温气体传感器、日盲紫外探测器和功率器件等领域具有巨大的应用潜力, 而实现高结晶质量和尺寸形貌可控的Ga2O3纳米材料是关键. 本文通过水热法制备了不同尺寸的羟基氧化镓(GaOOH)纳米棒、纳米棒束和纺锤体, 经后期高温煅烧均成功转变为高质量单晶β-Ga2O3纳米材料并较好地保留了原始GaOOH的形态特征. 利用X射线衍射(XRD)、拉曼散射光谱(Raman)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)等表征手段系统研究了前驱液的pH值大小和阴离子表面活性剂浓度对GaOOH和β-Ga2O3纳米材料晶体结构和表面形貌的影响, 并深入探讨了不同条件下GaOOH纳米材料的生长机制. 此外, 室温光致发光谱(PL)测试发现不同形貌的β-Ga2O3纳米材料均展现出典型的蓝绿色发射峰和尖锐的红光发射峰, 与纳米材料中本征缺陷的存在密切相关. 上述研究结果为未来实现高质量β-Ga2O3纳米材料的可控制备提供了有益参考.
用于提高微波无线能量传输系统接收端能量转换效率的肖特基二极管
李妤晨, 陈航宇, 宋建军
2020, 69 (10): 108401. doi: 10.7498/aps.69.20191415
摘要 +
转换效率是微波无线能量传输系统的关键参数, 为提高该参数指标, 本文提出了一种GeOI折叠空间电荷区肖特基二极管, 该器件结构可以显著降低肖特基二极管的零偏置电容, 利于能量转换效率的提高. 通过在ADS仿真软件中使用该器件SPICE模型进行整流电路仿真, 在输入能量为24.5 dBm时, 获得了75.4%的转换效率.

编辑推荐

真空沟道结构GaAs光电阴极电子发射特性
郝广辉, 韩攀阳, 李兴辉, 李泽鹏, 高玉娟
2020, 69 (10): 108501. doi: 10.7498/aps.69.20191893
摘要 +
光电阴极的发射电流密度和寿命限制了其在功率器件和大科学装置中的应用. 本文结合光电阴极和场发射阴极电子发射理论, 设计了大电流密度的真空沟道结构光电阴极组件, 并使用覆膜和刻蚀技术制备了以GaAs衬底为阴极材料的光电阴极组件. 光电阴极组件电子发射特性测试结果显示, 常温状态下随入射光功率增加, 阴极发射电流增加幅度逐步增大. 光功率为5 W时, 发射电流达到26.12 mA, 电流密度达到5.33 A/cm2. 随光电阴极组件工作温度增加, 阴极材料内的载流子浓度也会相应地增加, 提高了负极对阴极材料内发射电子的补充效率, 增强了阴极组件的电子发射能力. 当光电阴极组件为400 ℃时, 其发射电流可达到89.69 mA. 由于阴极表面不存在激活原子, 在光电阴极组件连续144 h的寿命试验中, 阴极的发射电流为4.5 ± 0.3 mA, 阴极发射性能并未出现明显衰减. 真空沟道是光电阴极组件电子发射的主要区域, 通过改善真空沟道结构参数可以直接调整阴极组件发射电子束的形状, 增强大电流密度光电阴极在真空电子器件和设备中的适用性.
蜂毒肽与二元脂膜相互作用过程的单分子运动行为
徐成, 林召, 杨恺, 元冰
2020, 69 (10): 108701. doi: 10.7498/aps.69.20200166
摘要 +
蜂毒肽等抗菌肽可通过破坏细菌的细胞膜而直接杀灭细菌, 因此它的杀菌功能具有高效、广谱和不易产生耐药性等特点, 并被认为有望能从根本上解决目前正严重威胁人类健康的抗生素耐药性问题. 然而, 抗菌肽通过增强细胞膜的通透性来实现杀菌的分子机制至今尚不清楚. 本文结合单分子荧光追踪技术和分子动力学模拟, 从单分子运动的角度对蜂毒肽与二元脂质细胞膜的界面相互作用过程进行了研究. 结果表明, 相较于其他大多数脂分子而言、部分脂分子在膜内的扩散速率会由于蜂毒肽的吸附、聚集、插膜成孔等扰动行为发生显著降低; 而蜂毒肽倾向于作用在多组分脂膜相畴的边界处, 干扰并降低脂膜相分离的程度, 进而降低相边界对脂质分子扩散运动的限制. 本工作阐明了蜂毒肽的膜作用活性对脂分子运动行为和脂膜相行为的影响、以及三者之间的关联. 这些结果对于从单分子运动行为的角度来探索抗菌肽生物活性的分子机制和开发新型抗菌药物具有重要的指导意义.
静息态功能磁共振成像评估健康老年人认知行为的多尺度熵模型研究
张夫一, 葛曼玲, 郭志彤, 谢冲, 杨泽坤, 宋子博
2020, 69 (10): 108703. doi: 10.7498/aps.69.20200050
摘要 +
当前, 静息态功能磁共振成像(rfMRI)为脑功能检测提供了高效、快捷的先进技术. 熵可以捕捉神经信号动态特征, 可作为量化评估参数, 但尚存在固定尺度计算缺陷且对认知行为的生物学标记少有研究, 影响检测精准性. 为此, 本文将多尺度熵模型与机器学习方法联合, 寻求BOLD信号复杂度表征健康老年人认知分数的功能影像学标记. 由扫描前认知量表测试分数将98名健康老年人分为优、差两组, 78名纳入训练, 20名纳入测试. 首先, 构建多尺度熵模型, 计算两组扫描数据熵, 统计和对比以优化模型参数; 然后, 在优化参数下由统计显著性高的脑区熵值构建特征向量; 最后, 用极限学习机对两组分类并统计检验. 发现: rfMRI多尺度熵在评估老年人认知分数时, 在额、颞叶脑区存在较大显著性差异, 以此为标记区分认知分数可达80%准确率. 结论: 额、颞叶等脑区优化的多尺度熵可有效区分健康老年人认知行为优劣. 该研究将为rfMRI替代主观繁琐的传统认知量表测试提供新的检测参数和新方法.