搜索

x

Vol. 69, No. 12 (2020)

2020年06月20日

专题

电介质材料和物理

    DOI: 10.7498/aps.69.120101

    电介质材料有许多独特的物理性质, 如介电、压电、热释电、铁电、电光、非线性光学及其耦合特性等, 在传感、换能、探测、医疗、通信、国防等众多领域具有广泛的应用价值. 相关的物理研究主要涉及介电材料内部束缚电荷在电、磁、光、力、热等外场作用下的极化过程和与极化相关的各种物理现象; 通过设计材料的成分与结构等, 揭示诸多性能的调控规律和微观机制, 在此基础上开发高性能电子器件.
     今年恰逢发现铁电材料 100 周年. 铁电性作为电介质材料物理内涵的重大发现之一, 源于法国人 Joseph Valasek 在 1920 年 4 月 23 日美国物理学会春季会议上报道的罗息盐 (酒石酸钾钠,NaKC4H4O6·4H2O, 1672 年前后由法国药剂师 Pierre Seignette 发明) 晶体存在铁电性. 百年来, 包括铁电材料在内的多种电介质材料及其应用研究均取得了重要突破, 电介质材料与微电子材料和器件一样, 在现代电子元器件技术与产业中占据了不可替代的地位. 例如: BaTiO3 的发明推进了电容器的大容量和小型化; PZT 压电陶瓷的发明促使声纳、微机电等技术的飞跃发展; 低损耗微波介质材料研究的突破使得移动通信的实用化成为现实.
     进入 21 世纪以来, 得益于第一性原理、相场模拟等理论计算方法的迅速发展, 以及微纳尺度的结构分析、物性表征和器件研制技术的快速提升, 人们以各种微纳结构、畴形态、周期结构、界面工程等设计为代表的创新研究思路, 极大地促进了电介质材料物理性能的优化和提高, 使其研究进入了新的发展范式. 我国科研人员也在这一领域做出了突出贡献. 同时, 我们也客观地看到, 同凝聚态物理、材料物理与化学等其他研究领域相比, 电介质研究领域包括铁电领域的发展速度相对缓慢.
    为进一步促进国内同行的交流, 中国物理学会电介质专业委员会联合《物理学报》, 组织出版了“电介质材料和物理”专题, 邀请活跃在本领域的部分专家, 从电介质物理和材料的实验和理论诸方面, 以不同的视角介绍本领域的最新进展和未来趋势. 鉴于电介质材料和物理属于交叉学科, 具有多样性及复杂性的特点, 本专题只能重点介绍电介材料和物理领域的部分研究成果, 与读者和同行分享. 从研究内容上, 可大致分为两类: 一是探索电介质材料特别是铁电、压电材料的物理规律;二是探索这些材料的器件物理和应用研究. 内容主要涵盖以下六方面: 1) 电介质材料基础理论;2) 相变、结构和畴结构; 3) 无铅铁电压电材料和性能; 4) 铁电光电效应; 5) 介电储能、热释电和电卡效应; 6) 微波介电材料.
   我们希望本专题能有助于扩大电介质研究在海内外华人学者中的影响, 吸引更多学者尤其是年轻学者的关注和加入, 为我国在本领域的蓬勃发展增添新生力量.

客座编辑:中国科学技术大学 李晓光; 西安交通大学  徐卓 物理学报.2020, 69(12).
青年科学评述
青年科学评述
专题:电介质材料和物理
专题
总论 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
青年科学评述

青年科学评述

液相外延层层浸渍组装金属-有机框架薄膜及其物理性能
王大为, 谷志刚, 张健
2020, 69 (12): 126801. doi: 10.7498/aps.69.20200274
摘要 +
金属-有机框架(MOF)作为一种通过配位键将金属节点和有机配体连接而成的新型无机-有机杂化多孔有序晶体材料, 因其具有比表面积大、稳定性好、结构多样以及功能可调等优点, 受到人们的广泛关注. MOF薄膜的制备和功能化拓展了其应用领域. 本文重点介绍了用液相外延层层浸渍法组装表面配位金属-有机框架薄膜(SURMOF), 并总结了部分SURMOF在光学、电学等方面的物理性能, 以及对SURMOF的应用前景进行了展望.
专题:电介质材料和物理
电介质材料和物理专题编者按
2020, 69 (12): 120101. doi: 10.7498/aps.69.120101
摘要 +
铁电材料中的极性拓扑结构
谭丛兵, 钟向丽, 王金斌
2020, 69 (12): 127702. doi: 10.7498/aps.69.20200311
摘要 +
调控磁性材料中的自旋拓扑结构(流量闭合型、涡旋、半子(meron)、斯格明子(skyrmion)等自旋组态)可以改进材料的磁性和电磁性能, 因而引起了学术界的广泛关注. 最近研究表明, 在尺寸效应、界面耦合及其相互作用、外延应变等作用下, 铁电材料中也会出现自发的极性拓扑畴结构, 同时表现出新的铁电相结构和丰富的物理性能. 本文总结了铁电纳米结构、铁电薄膜和铁电超晶格中的极性拓扑畴结构类型及其形成机理, 分析了这些极性拓扑结构与铁电、压电、介电、光电性能之间的关联, 并分别讨论了铁电材料中极性拓扑结构的整体拓扑相变调控和单个极性拓扑结构的外场调控, 最后展望了极性拓扑结构未来的可能研究方向.
铁电材料中的电畴: 形成、结构、动性及相关性能
吕笑梅, 黄凤珍, 朱劲松
2020, 69 (12): 127704. doi: 10.7498/aps.69.20200312
摘要 +
铁电材料的研究有近百年的历史, 而铁电畴的存在是铁电材料最基本的微观结构特征. 随着材料制备和表征技术的发展, 铁电畴的排列组合方式对材料性能的影响越来越凸显. 而近年来的研究显示, 铁电畴及畴壁甚至能够作为各种微纳电子器件的独立功能单元, 在信息存储、能量转换、机电驱动、量子计算等领域有着广泛的应用潜力. 本文从铁电畴结构的群论推导开始, 介绍了铁电畴的形成、结构到宏观力学谱和电学性能, 以及利用压电力显微镜研究铁电开关、铁电畴微观特征的相关历程及现状.
钙钛矿铁电半导体的光催化研究现状及其展望
崔宗杨, 谢忠帅, 汪尧进, 袁国亮, 刘俊明
2020, 69 (12): 127706. doi: 10.7498/aps.69.20200287
摘要 +
钙钛矿材料可以分为ABO3氧化物和ABX3 (X = Cl, Br或I)卤化物两大类, 它们都具有丰富的物理性质和优异的光电性能, 比如铁电性和光催化性能. 本文介绍了BiFeO3MAPbI3等铁电半导体光催化材料和异质结的制备方法, 总结了它们在光电催化方面的研究进展. 目前研究者已经针对氧化物光催化材料做了各种研究, 包括: 降低吸光层铁电材料的带隙, 制备铁电/窄带半导体吸光层异质结, 制备比表面积很大的纳米片、纳米棒或者其他纳米结构, 以便吸收更多可见光; 让铁电极化及其退极化场垂直于光催化工作电极表面, 通过铁电/半导体异质结能带弯曲提供内电场, 通过外电场进行光电催化, 从而通过内、外电场高效分离光生-电子空穴对; 通过光催化或者光电催化降解染料、分解水制氢、将CO2转换为燃料; 通过铁电、热释电和压电协同效应提高催化效应和能量转换效率. MAPbI3等卤素钙钛矿具有优异的半导体性质, 其铁电性可能是引起超长的少数载流子寿命和载流子扩散长度的原因. 通过优化光催化多层膜结构并添加防止电解液渗透的封装层可以避免MAPbI3被电解液分解, 从而制备了具有很高能量转换效率的光电催化结构. 最后, 我们分析和比较了这些钙钛矿铁电半导体在光电催化领域面临的挑战, 并展望了其应用前景.
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的高压电活性研究进展
邢洁, 谭智, 郑婷, 吴家刚, 肖定全, 朱建国
2020, 69 (12): 127707. doi: 10.7498/aps.69.20200288
摘要 +
以Pb(Zr1–xTix)O3 (PZT)为代表的铅基压电陶瓷因为具有良好的压电性能和机电耦合性能已被广泛应用于科技、工业、军事以及日常生活中. 但是, PZT基陶瓷中Pb的含量超过了60% (质量比), 在生产、使用及废弃处理过程中都会给人类生态环境造成严重损害. 因此, 发展无铅压电陶瓷已成为世界压电陶瓷研究的热点之一. 铌酸钾钠 (K0.5Na0.5)NbO3 (KNN)无铅压电陶瓷因为具有较为优异的压电性能以及较高的居里温度, 被认为是最可能取代铅基压电陶瓷的材料体系之一. 经过研究者们的努力工作, 改性后的KNN基无铅压电陶瓷压电性能已经接近或超过了某些铅基压电陶瓷的性能. 本文综合介绍了具有高压电活性的KNN基无铅压电陶瓷国内外的研究进展, 重点阐述了高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷制备工艺及相关理论基础的研究进展, 并就今后铌酸钾钠基无铅压电陶瓷研究发展的方向及前景提出建议.
红外探测用无铅铁电陶瓷的热释电特性研究进展
郭少波, 闫世光, 曹菲, 姚春华, 王根水, 董显林
2020, 69 (12): 127708. doi: 10.7498/aps.69.20200303
摘要 +
铁电陶瓷具有优异的热释电性能, 是红外探测器的核心敏感元材料, 目前普遍采用铅基陶瓷材料, 发展无铅铁电陶瓷用于热释电红外探测是近年来电介质物理与材料的一个热点. 本文综述了无铅铁电陶瓷的热释电性能研究进展, 主要包括钛酸钡基、钛酸铋钠基、铌酸锶钡基、铌酸钾钠基等系列铁电陶瓷的热释电效应研究现状, 归纳了不同体系增强热释电效应的手段. 通过比较分析主要无铅铁电陶瓷的热释电性能和退极化性能的制约关系, 指出钛酸铋钠基陶瓷是目前最具应用潜力的无铅材料体系, 并对无铅铁电陶瓷热释电探测应用未来的发展方向进行了展望.
利用X射线衍射技术对压电材料本征与非本征起源探究的研究进展
张冠杰, 杨豪, 张楠
2020, 69 (12): 127711. doi: 10.7498/aps.69.20200301
摘要 +
钙钛矿铁电压电材料具有高介电压电常数和高机电耦合系数等特点, 在工业、消费电子和军事等领域具有广泛的应用, 其压电性能起源的机理及与材料多尺度结构之间的关系一直是凝聚态物理和材料科学领域的研究热点. 铁电材料的压电效应主要来源于本征的场致晶格畸变以及非本征的畴翻转和畴壁运动, 理解并区分这两种压电效应的贡献机制对研究材料压电性能的起源具有重要意义. 本文综述了近年来通过电场原位X射线衍射技术分析电场作用下材料晶格结构和畴结构变化的技术手段和研究方法, 重点介绍了自第三代同步辐射光源和高速探测器获得长足发展以来, 通过时间分辨衍射技术、单双峰拟合、全谱拟合、质心计算等方法开展压电材料本征和非本征贡献, 以及电场诱导相变对其宏观性能影响的研究进展, 期望通过对各类方法的介绍和回顾为多种压电材料的机理分析提供研究方法和技术支持.
稀土发光铁电薄膜的研究进展
包定华
2020, 69 (12): 127712. doi: 10.7498/aps.69.20200738
摘要 +
稀土掺杂是提高光电功能材料性能的重要途径. 把稀土掺杂铁电材料与稀土发光相结合, 还可拓展出铁电材料的新性能, 比如, 选择合适的稀土元素掺入钛酸铋铁电材料, 可使之在保持较好的铁电性能的同时, 又显示良好的发光性能. 近年来, 这类在氧化物铁电材料中由于稀土离子掺杂产生光致发光特性的研究引起了人们的关注, 有望研制集成发光铁电器件. 本文简要介绍了稀土发光铁电材料的研究状况, 重点介绍我们在稀土发光铁电薄膜方向的研究进展. 我们的研究表明, 稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜同时具有较好的发光特性和铁电特性, 这与其独特的成分构成和层状钙钛矿结构密切相关; Eu3+离子荧光结构探针可以为进一步研究Eu3+掺杂铁电薄膜材料的结构与性能关系提供新思路; 在某些铁电薄膜(如Pr离子掺杂的x(K1/2Bi1/2)TiO3-(1-x)(Na1/2Bi1/2)TiO3薄膜等)中掺入稀土离子后, 稀土离子的发光可用于检测铁电薄膜中是否存在准同型相界; 将ZnO纳米材料和金、银纳米颗粒与掺铕钛酸铋薄膜复合, 可显著增强稀土发光.
Pt/BiFeO3/Nb:SrTiO3异质结的光伏效应和光调控整流特性
刘川川, 郝飞翔, 殷月伟, 李晓光
2020, 69 (12): 127301. doi: 10.7498/aps.69.20200280
摘要 +
铁电薄膜异质结的光伏效应因具有重要的应用前景而备受关注, 而且其中多种光伏效应机制的共存带来了丰富而复杂的物理内涵. 为了研究界面对光伏效应的重要作用, 制备了基于BiFeO3铁电薄膜的具有“金属/铁电体/半导体”非对称电极结构的Pt/BiFeO3/Nb:SrTiO3异质结, 并系统研究了其在不同波长(365和445 nm)激光照射下的光伏效应. 在365 nm, 74 mW/cm2光照下, 异质结的光伏开路电压高达0.55 V. 而且, 由于光激发和光吸收过程的不同, 365 nm激光照射下该异质结的开路电压和短路电流比445 nm激光照射下的结果显著提高. 随着温度降低, 开路电压单调上升, 而不同波长下的短路电流则表现出不同的变化规律. 另外, 随着光强的提高, 异质结整流效应获得增强, 通过分析, 空间电荷限制电流传导机制对异质结输运有重要贡献, 而光生载流子将通过填充缺陷影响输运特性.
铁电材料中电场对唯象系数和电卡强度的影响
鲁圣国, 李丹丹, 林雄威, 简晓东, 赵小波, 姚英邦, 陶涛, 梁波
2020, 69 (12): 127701. doi: 10.7498/aps.69.20200296
摘要 +
$ {a}_{0} $是电场强度的隐函数. 在铁电相区域, 唯象系数$ {a}_{0} $由铁电极化强度和介电常数倒数确定, 是电场的非线性函数. 在顺电相区域, 唯象系数$ {a}_{0} $由介电常数倒数确定, 也是电场的非线性函数. 本文研究了铁电共聚物、铁电三聚物和钛酸锶钡钙陶瓷的唯象系数与电场的关系, 发现唯象系数随电场的增加而增加, 最大约1倍. 电卡强度被用来表征电卡材料在电场作用下的电卡效应强弱, 通过研究电卡强度可以发现高效率的电卡材料. 本文通过热力学理论, 得到了电卡强度的解析表达式, 发现唯象系数、相变温度、极化强度、比热以及相变温度处的介电常数峰值, 对电卡强度具有明显的影响. 该表达式适用于一级相变材料、二级相变材料、以及弛豫型铁电体.">由于电场强度能够影响铁电材料的极化强度和介电常数, 因此唯象系数$ {a}_{0} $是电场强度的隐函数. 在铁电相区域, 唯象系数$ {a}_{0} $由铁电极化强度和介电常数倒数确定, 是电场的非线性函数. 在顺电相区域, 唯象系数$ {a}_{0} $由介电常数倒数确定, 也是电场的非线性函数. 本文研究了铁电共聚物、铁电三聚物和钛酸锶钡钙陶瓷的唯象系数与电场的关系, 发现唯象系数随电场的增加而增加, 最大约1倍. 电卡强度被用来表征电卡材料在电场作用下的电卡效应强弱, 通过研究电卡强度可以发现高效率的电卡材料. 本文通过热力学理论, 得到了电卡强度的解析表达式, 发现唯象系数、相变温度、极化强度、比热以及相变温度处的介电常数峰值, 对电卡强度具有明显的影响. 该表达式适用于一级相变材料、二级相变材料、以及弛豫型铁电体.
(1–x)K0.5Na0.5NbO3-xBi(Mg0.5Ti0.5)O3无铅弛豫铁电陶瓷的介电、铁电和高储能行为
杜金花, 李雍, 孙宁宁, 赵烨, 郝喜红
2020, 69 (12): 127703. doi: 10.7498/aps.69.20200213
摘要 +
利用传统固相法制备了(1–x)K0.5Na0.5NbO3-xBi(Mg0.5Ti0.5)O3 (简写: (1–x)KNN-xBMT, x = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20)无铅弛豫铁电陶瓷, 并对其相结构、微观形貌、介电特性与储能行为进行了系统的研究. 研究结果表明, 随着BMT含量的增加, (1–x)KNN-xBMT陶瓷由正常铁电体逐渐转变为弛豫铁电体, 表现出强烈的弥散相变特征, 其最大极化强度Pmax随之逐渐降低. 当x = 0.15时, 陶瓷具有最大的击穿电场, 为275 kV·cm–1. 采用间接方式对(1–x)KNN-xBMT陶瓷的储能性能进行计算, 发现当BMT的含量为x = 0.15时, 可获得最佳的储能性能: 当场强为275 kV·cm–1时, 可释放储能密度Wrec为2.25 J·cm–3, 储能效率η高达84%. 鉴于实际应用的需求, 对各组分陶瓷进行直接测试, 结果表明随掺杂量的增加, 储能密度Wdis呈现先增大后减小的变化趋势, 当x = 0.15时, 储能密度为1.54 J·cm–3, 放电时间仅为88 ns. 另外, 该材料在1—50 Hz范围内具有良好的频率稳定性, 在25—125 ℃范围内具有良好的温度稳定性, 储能密度的变化量低于8%. 该研究表明KNN-BMT陶瓷在环境友好高储能密度电容器领域具有广阔的应用前景.

封面文章

Mn掺杂对KNbO3和(K0.5Na0.5)NbO3无铅钙钛矿陶瓷铁电压电性能的影响
徐泽, 娄路遥, 赵纯林, 汤浩正, 刘亦轩, 李昭, 齐晓梅, 张波萍, 李敬锋, 龚文, 王轲
2020, 69 (12): 127705. doi: 10.7498/aps.69.20200277
摘要 +
(K0.5Na0.5)NbO3基无铅压电陶瓷具有出色的综合铁电压电性能, 已经初步满足了部分实际应用场景的需求. 近期的研究发现, 某些元素的掺杂对优化(K0.5Na0.5)NbO3基陶瓷的机电耦合性能起着至关重要的作用. 本文将MnO2添加到KNbO3和(K0.5Na0.5)NbO3两种压电陶瓷中, 对比研究了Mn掺杂对两种陶瓷微观结构和宏观电学性能的不同影响, 分析了造成这些差异的微观物理机理. 实验结果表明, 掺杂后的两种陶瓷中均存在Mn2+. Mn掺杂会使KNbO3陶瓷的铁电畴尺寸减小、居里温度降低、拉曼光谱中的振动峰宽化、相变过程变得弥散, 并呈现出束腰电滞回线和可回复的双极场致应变曲线; 在(K0.5Na0.5)NbO3陶瓷中掺杂Mn后, 其性能变化却显著不同, 陶瓷的铁电畴尺寸无明显变化、居里温度未发生变化、拉曼光谱中的振动峰未发生宽化, 呈现出饱和的矩形电滞回线和不可回复的双极场致应变曲线. 这可能是因为, (K0.5Na0.5)NbO3陶瓷相比KNbO3陶瓷具有更大的离子无序度和晶格畸变, 从而使得Mn掺杂所产生的影响相对减小.
Au-BiFeO3纳米复合薄膜的电学和光伏性能优化
张亚菊, 谢忠帅, 郑海务, 袁国亮
2020, 69 (12): 127709. doi: 10.7498/aps.69.20200309
摘要 +
存在对称性破缺引起的自极化及通过外界刺激可以改变其极化状态的铁电薄膜, 是一类重要的光电功能材料. 铁电薄膜的光伏效应在光探测、能量转换和非易失性存储等领域表现出了潜在应用前景. 针对铁电薄膜光电流密度较小, 且存在退极化现象导致的光伏性能退化问题, 有必要寻求提高薄膜自极化的新途径, 并对其导电性进行调控, 进一步优化铁电薄膜的光伏性能. 本文采用溶胶-凝胶法在FTO导电玻璃上沉积了Au纳米粒子弥散分布在铁酸铋(BiFeO3, BFO)薄膜中的Au-BFO纳米复合薄膜, 研究了Au含量(0, 0.25 mol%, 0.5 mol%, 1 mol%和3 mol%)与此复合薄膜微观组织、电学和光伏性能的关系, 以确定Au的最佳添加量. 压电力显微镜的测量结果表明, Au含量为0.5 mol%时, Au-BFO纳米复合薄膜具有较强的自极化现象. 随着Au含量的增大, Au-BFO纳米复合薄膜的导电机制由肖特基发射模型转变为空间电荷限制电流. 对复合薄膜的光伏性能进行测试, 结果表明Au含量为0.5 mol%时, Au-BFO纳米复合薄膜的开路电压和短路电流分别是BFO薄膜的近3和5倍. Au-BFO纳米复合薄膜光伏效应的改善主要来源于复合薄膜的自极化现象增强和导电机制转变. 本文提拱了一种简单有效的改善铁电薄膜光伏效应的方法, 为进一步理解铁电薄膜的光伏效应提供了新的视角.
PbLa(Zr, Sn, Ti)O3反铁电陶瓷在脉冲电场下的极化与相变行为
徐然, 冯玉军, 魏晓勇, 徐卓
2020, 69 (12): 127710. doi: 10.7498/aps.69.20200209
摘要 +
在实际应用中, 反铁电陶瓷常处于快速变化的脉冲电场下, 而传统电滞回线测量时所施加的电场变化速率较慢, 并不能真实反映反铁电陶瓷实际应用时的极化和相变行为. 本研究建立了反铁电陶瓷脉冲电滞回线测试平台, 研究了Pb0.94La0.04[(Zr0.52Sn0.48)0.84Ti0.16]O3反铁电陶瓷在微秒级脉冲电场下的极化和相变行为. 研究结果表明, 反铁电陶瓷在微秒级脉冲电场下可以发生相变, 但其极化强度降低, 正向相变电场变高, 反向相变电场变低, 从而导致其储能特性发生了显著的变化. 因此, 低频电滞回线并不能真实反映反铁电陶瓷在脉冲电场下的性能, 脉冲电滞回线对其应用具有更重要的参考价值.
相场模拟应变调控PbZr(1–x)TixO3薄膜微观畴结构和宏观铁电性能
刘迪, 王静, 王俊升, 黄厚兵
2020, 69 (12): 127801. doi: 10.7498/aps.69.20200310
摘要 +
外延生长铁电薄膜中基底失配应变能够调控微观铁电畴结构和宏观铁电性能. 本文选择了三种相结构(四方相、四方和菱方混合相、菱方相) PbZr(1–x)TixO3 (x = 0.8, 0.48, 0.2)铁电薄膜, 利用相场模拟研究了在不同基底失配应变(εsub)作用下, 三种成分铁电薄膜中微观畴结构的演化以及宏观极化-电场回线. 随着应变从–1.0%变化到1.0%, 三种相结构铁电薄膜的矫顽场、饱和极化值以及剩余极化值全都降低, 其中PbZr0.52Ti0.48O3薄膜的饱和极化值和剩余极化值比另外两种薄膜降低更快. 模拟结果表明拉应变能提高铁电薄膜储能效率, 其中准同型相界处应变提升储能效率最快. 本工作揭示了应变对PbZr(1–x)TixO3铁电薄膜中畴结构、电滞回线以及储能等方面的影响, 为铁电功能薄膜材料的实验设计提供了理论基础.
低损耗材料微波介电性能测试中识别TE01δ模式的新方法
李雷, 颜涵, 陈湘明
2020, 69 (12): 128401. doi: 10.7498/aps.69.20200275
摘要 +
工作于TE01δ模式的金属谐振腔法是评价低损耗材料微波介电性能的通用方法. 微波介质谐振器均为多模式谐振器, 故正确识别TE01δ模式是微波介电测试的基础. TE01δ模式的识别可通过预测谐振频率及其随谐振器尺寸的变化、根据激励条件排除寄生模式等手段实现, 但已有方法存在复杂、易识别错误等缺点. 为此, 本文发展了一种准确识别TE01δ模式的简单方法. 这种方法引入了介电性能已知的低损耗参考试样, 通过测试金属谐振腔中只放置参考试样及同时放置参考试样和待测试样时TE01δ模式的谐振频率, 利用有限单元分析计算出待测试样的粗略介电常数, 并进一步预测只放置待测试样时TE01δ模式的谐振频率. 此谐振频率的预测值与测试结果相差1%以内, 因此很容易将TE01δ模式与其他寄生模式区分开, 进而实现TE01δ模式的准确识别.
总论
循环噪声驱动下非对称双稳系统的驻留时间分布函数研究
吴亚珍, 孙中奎
2020, 69 (12): 120501. doi: 10.7498/aps.69.20201752
摘要 +
提出了一种循环噪声驱动下非对称双稳系统驻留时间分布函数的理论计算方法. 利用具有分段逃逸速率的两态模型理论, 建立分段逃逸速率方程, 分段地推导出了驻留时间分布函数的解析表达式. 在此基础上, 从理论和数值模拟两方面阐明了在非对称性及循环噪声的影响下驻留时间分布函数呈现出反馈结构. 研究结果表明: 当非对称性、循环噪声的相关强度及循环滞后时间取适当值时均会造成驻留时间分布函数呈现出分段指数衰减现象且在循环滞后时间处出现骤然下降的趋势. 随着非对称性的减小, 驻留时间分布函数指数衰减的速率加快并出现单调指数衰减现象. 分别增大相关强度和循环滞后时间, 驻留时间分布函数在循环滞后时间处骤然下降的间距变小. 此外, 驻留时间分布函数在循环滞后时间处的值会随着噪声强度和相关强度的改变出现极大值, 说明系统发生了随机共振现象.
原子和分子物理学
单原子Lennard-Jones体黏弹性弛豫时间
汪杨, 赵伶玲
2020, 69 (12): 123101. doi: 10.7498/aps.69.20200138
摘要 +
$T^* = 0.85$—5、密度$ \rho^* $ = 0.85—1、势参数ε = 0.97—1和σ = 0.8—1.3范围内22组液固共存态及液态单原子Lennard-Jones (L-J)体的黏弹性弛豫时间进行了研究, 计算了单原子L-J体的静态黏弹性(黏度η*、无限大频率的剪切模量$ G_∞^* $)及动态黏弹性(储能模量$ G^{\prime *} $、损耗模量$ G^{\prime \prime *} $)等特性参量, 并在此基础上分析了黏弹性特征弛豫时间、Maxwell弛豫时间及原子连通弛豫时间. 此外, 本文根据系统内原子的排布情况, 应用Kramers逃逸速率理论描述原子的扩散、汇聚过程, 提出并建立了一种单原子L-J体黏弹性弛豫时间的预测方法. 结果表明: 在单原子L-J体系统中, 低温情况下, Maxwell弛豫时间与黏弹性特征弛豫时间差异明显; 原子连通弛豫时间与黏弹性特征弛豫时间结果接近, 但原子连通弛豫时间的计算过程需耗费大量时间和计算资源; 预测方法得到的弛豫时间与黏弹性特征弛豫时间的结果更为接近. 本文提出的单原子L-J体黏弹性弛豫时间的预测方法具有一定的准确性和可靠性, 可为材料黏弹性弛豫时间的研究提供一种新的思路.">采用平衡态分子模拟的方法, 从微观角度对温度$T^* = 0.85$—5、密度$ \rho^* $ = 0.85—1、势参数ε = 0.97—1和σ = 0.8—1.3范围内22组液固共存态及液态单原子Lennard-Jones (L-J)体的黏弹性弛豫时间进行了研究, 计算了单原子L-J体的静态黏弹性(黏度η*、无限大频率的剪切模量$ G_∞^* $)及动态黏弹性(储能模量$ G^{\prime *} $、损耗模量$ G^{\prime \prime *} $)等特性参量, 并在此基础上分析了黏弹性特征弛豫时间、Maxwell弛豫时间及原子连通弛豫时间. 此外, 本文根据系统内原子的排布情况, 应用Kramers逃逸速率理论描述原子的扩散、汇聚过程, 提出并建立了一种单原子L-J体黏弹性弛豫时间的预测方法. 结果表明: 在单原子L-J体系统中, 低温情况下, Maxwell弛豫时间与黏弹性特征弛豫时间差异明显; 原子连通弛豫时间与黏弹性特征弛豫时间结果接近, 但原子连通弛豫时间的计算过程需耗费大量时间和计算资源; 预测方法得到的弛豫时间与黏弹性特征弛豫时间的结果更为接近. 本文提出的单原子L-J体黏弹性弛豫时间的预测方法具有一定的准确性和可靠性, 可为材料黏弹性弛豫时间的研究提供一种新的思路.
光子碰撞Au靶产生L系特征X射线角分布
柳钰, 徐忠锋, 王兴, 胡鹏飞, 张小安
2020, 69 (12): 123201. doi: 10.7498/aps.69.20191977
摘要 +
采用中心能量为13.1 keV (最大能量小于30 keV)的轫致辐射光子碰撞Au靶, 在130°—170°的探测角度范围内以10°为间隔, 测量了碰撞产生的特征X射线Lι, Lα, Lβ和Lγ1的光谱. 根据实验测得的能谱结果, 综合考虑探测器的探测效率及靶材的吸收校准后, 计算了不同探测角度下特征X射线Lα与Lγ1及Lι与Lγ1的相对强度比; 而且, 还基于不同探测角度下X射线强度比值, 分析了特征X射线的角分布情况. 实验结果表明特征X射线Lα和Lι为各向异性发射. 此外, 计算了特征X射线Lι的各向异性参数为0.25, 并据此推断出L3支壳层的定向度A20为0.577 ± 0.081; 分析认为L3支壳层的定向度A20由该支壳层本身的物理特性决定, 但该支壳层的各向异性参数β会受到Coster-Kronig跃迁的影响而发生改变.
绝热脉冲磁共振地下水探测技术数值模拟及影响分析
杨玉晶, 赵汗青, 王鹏飞, 林婷婷
2020, 69 (12): 123301. doi: 10.7498/aps.69.20200015
摘要 +
磁共振测深技术能够定性、定量探测地下水, 且信息量丰富, 成本较低, 在水资源探测领域有较好的发展前景. 传统磁共振探测主磁场为地磁场, 信号仅为纳伏级, 极易被环境噪声淹没. 绝热脉冲等信号增强方法是当前国际磁共振领域关注的研究热点. 通过满足绝热条件的连续变幅、变频发射方式, 能够有效增大磁共振信号幅度, 改善探测信噪比. 但绝热技术激发原理复杂、建模实现困难且计算量极大, 相关理论报道较少. 针对以上问题, 本文从基本磁共振原理及绝热条件公式出发, 推导了基于绝热脉冲技术的磁共振横向磁化强度及灵敏度核函数计算方式, 通过插值实现了绝热脉冲的高效正演建模, 并比较了几种不通发射参数对信号幅度的影响, 为磁共振绝热脉冲仪器的研发提供理论支撑. 相比于传统技术, 在相同激发电流条件下, 匹配80 ms发射时间, 绝热技术能够在深部达到最大16.56倍信号增强效果. 本文的研究结果, 将为磁共振技术在城镇等复杂噪声环境地区的应用提供有力支撑.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
自拉曼混频黄绿波段三波长可切换激光
孙瑛璐, 段延敏, 程梦瑶, 袁先漳, 张立, 张栋, 朱海永
2020, 69 (12): 124201. doi: 10.7498/aps.69.20200324
摘要 +
报道了高效的Nd:YVO4晶体自拉曼结合二阶非线性光学混频实现黄绿波段三波长可选输出. 从改善热效应和增加拉曼介质长度出发, 设计双端键合的YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶体用于自拉曼变频. 考虑混频转换效率和混频波长切换的便捷性, 选用临界相位匹配的BaB2O4 (BBO)晶体作为二阶非线性光学混频晶体. 只需微调BBO晶体匹配角度在1.4°内, 就可成功实现基频光和一阶斯托克斯光之间的倍频与和频, 获得高效的532 nm绿光、559 nm黄绿光和588 nm黄光三个波长可切换输出. 在19.5 W抽运功率和60 kHz的重复频率下, 三个波长激光的最高平均输出功率分别为4.37 W, 2.03 W和3.43 W, 对应抽运光到可见光的转换效率分别达22.4%, 10.4%和17.6%, 对应脉冲宽度分别为36 ns, 12.2 ns和12.7 ns. 可见波段波长可切换激光器可满足激光医疗、显示、光谱成像和生物光子学等领域对多种波长激光的应用需求.

编辑推荐

光子增加双模压缩真空态在马赫-曾德尔干涉仪相位测量中的应用
王帅, 眭永兴, 孟祥国
2020, 69 (12): 124202. doi: 10.7498/aps.69.20200179
摘要 +
量子度量学主要是利用量子效应来提高参数估计的精度, 以期突破标准量子极限, 甚至达到海森伯极限. 本文研究了一般光子增加双模压缩真空态作为马赫-曾德尔干涉仪的探测态时, 在何种情况下能够提高待测相位的测量精度. 根据量子Fisher信息理论, 尽管在探测态具有相同的平均光子数这一约束条件下, 对称的和非对称的光子增加操作并不能提高相位的测量精度. 但若是在给定初始压缩参数的情况下, 对称的和非对称的光子增加操作却能够增强相位的测量精度. 另外, 基于宇称测量的研究结果表明, 对于对称光子增加双模压缩真空态, 只有当待测相位趋于零时, 宇称测量才是最优测量. 而对于非对称光子增加双模压缩真空态, 宇称测量并不是最优测量方案.
基于非简并光学参量放大器产生光学频率梳纠缠态
刘奎, 马龙, 苏必达, 李佳明, 孙恒信, 郜江瑞
2020, 69 (12): 124203. doi: 10.7498/aps.69.20200107
摘要 +
实验研究了阈值以下非简并光学参量放大器中的频率梳纠缠特性, 在实验上制备了具有频率梳结构的Einstein-Podolsky-Rosen纠缠, 实验中对5对频率梳边带间纠缠进行了测量, 纠缠度约为4.5 dB. 该频率梳纠缠态作为一种可扩展的量子信息系统, 可为实现频分复用的多通道离物传态的实验提供必要的光源, 为未来大容量的量子通信与网络提供了新思路.
超强耦合电路量子电动力学系统中反旋波效应对量子比特频率移动的影响
陈臻, 王帅鹏, 李铁夫, 游建强
2020, 69 (12): 124204. doi: 10.7498/aps.69.20200474
摘要 +
从实验上研究了四结磁通量子比特与多模共面波导谐振腔构成的超强耦合电路量子电动力学系统. 通过传输谱测量和数值拟合, 确定量子比特与腔第一模式的耦合强度已达到0.1倍谐振腔频率, 进入了超强耦合区域; 通过色散读出方法得到了系统的能谱, 并通过增加探测场光子, 从能谱上得到了量子比特频率随探测光子的位移. 这种位移不仅包含旋波项的贡献, 也包含了反旋波项的显著贡献, 证实我们所实现的超强耦合系统是一个良好的研究量子拉比模型的实验平台, 它在量子技术的诸多方面有潜在的应用, 如量子模拟、超快量子逻辑门、纠缠态制备、量子比特保护等.
倾斜Poiseuille-Rayleigh-Bénard流动的对流分区与动力学特性
宁利中, 张珂, 宁碧波, 刘爽, 田伟利
2020, 69 (12): 124401. doi: 10.7498/aps.69.20191941
摘要 +
利用流体力学基本方程组的数值模拟, 探讨了具有通过流动的倾斜腔体中普朗特数Pr = 6.99的流体的对流分区与动力学特性. 结果表明, 对于相对瑞利数r = 9, 在通过流动雷诺数Re = 1.5时, 随着腔体倾斜角θ的增加, 系统出现均匀行波对流、非均匀行波对流以及单对流圈斑图; 在通过流动雷诺数Re = 12.5时, 随着腔体倾斜角θ的增加, 系统出现局部行波对流、平行流及局部单对流圈斑图; 进一步, 对通过流动雷诺数Re和腔体倾斜角θ的不同组合情况的数值模拟, 发现在通过流动雷诺数Re和腔体倾斜角θ构成的平面上, 具有通过流动的倾斜腔体中的对流可以分成前述六种斑图区域, 即均匀行波对流区、非均匀行波对流区、单对流圈区、局部行波对流区、平行流区及局部单对流圈区. 研究了不同对流区域对流最大垂直流速wmax和努塞尔数Nu随着时间的变化特性. 探讨了不同对流区域对流振幅A和努塞尔数Nu随着腔体倾斜角θ变化的动力学特性.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
基于对苯二酚/碳纳米管阵列氧化还原增强固态超级电容器的研究
叶安娜, 张晓华, 杨朝晖
2020, 69 (12): 126101. doi: 10.7498/aps.69.20200204
摘要 +
通过在电解液中引入氧化还原活性物质可以有效提高能量密度且不降低功率密度. 考虑到离子电导率以及环境安全等因素, 本文在传统酸性凝胶电解质PVA/H3PO4中引入了氧化还原特性的有机小分子物质—对苯二酚(HQ), 然后与具有高比表面积及垂直取向结构的碳纳米管阵列(ACNT)进行复合, 设计制备了对称“三明治”结构的氧化还原增强型固态超级电容器ACNT@PVA@HQ, 并系统研究了碳管取向结构以及孔隙间隙对ACNT@PVA@HQ器件电化学性能以及电荷储存机理的影响. 实验表明, 极少量对苯二酚活性物质(0.1%, 摩尔分数)的加入, 可以使ACNT@PVA@HQ器件的体积比容量相比纯ACNT@PVA器件提升6.4倍, 同时保持了极高的倍率性能和循环稳定性. 进一步利用溶剂蒸发的方法制备了高密度取向的碳管阵列(DACNT), 组装的DACNT@PVA@HQ器件在电流密度11.1 mA·cm–2下, 其比电容量高达385 mF·cm–2 (1674 mF·cm–3), 在平均功率密度大小为0.96 mW·cm–2 (4.17 mW·cm–3)的条件下, 其最大能量密度可以达到0.06 mW·h·cm–2 (0.26 mW·h·cm–3), 优于众多文献报道的结果. 实验证明取向结构的阵列可以有效缩短离子迁移路径, 提高电荷的转移效率, 使得器件具有良好的倍率性能和更低的内阻. 这种新型的氧化还原增强型超级电容器不但具有优秀的电化学储能性质, 还满足环保、安全的理念, 为未来新能源装置的开发提供了新思路, 具有良好的应用前景.
非晶聚苯乙烯和Pd40Ni10Cu30P20玻璃化转变中比热变化的机理和定量研究
姜文龙
2020, 69 (12): 126401. doi: 10.7498/aps.69.20200331
摘要 +
$ {{\rm{e}}^{ - 2{{\rm{e}}^3}}}$时, 必有比例不小于1 + 2e3/lnP的主链原子扩散运动被冻结. 以该理论的模量温度公式拟合文献的聚苯乙烯模量温度曲线, 得到聚苯乙烯的自由体积膨胀系数值在(0.00045, 0.00052)之间. 以此理论为基础推导得到了玻璃化转变中的比热温度公式: 玻璃化转变中的材料是橡胶和玻璃的混合物, 其中橡胶的比例是自由体积分数的链段中主链原子数次方, 总比热等于两组分各自的比热和比例之积的和. 用聚苯乙烯检验了该比热温度公式, 将计算得到的聚苯乙烯自由体积膨胀系数代入比热温度公式, 不需拟合任何参数公式就能够精准地定量描述聚苯乙烯玻璃化转变中的比热温度关系. 据分析, 聚苯乙烯的玻璃化转变过程是主链原子的扩散运动被激活或者被冻结的过程, 这和非晶合金相关研究结论一致. 以主链原子为摩尔计量单元时, 聚苯乙烯转变中的比热变化为1.61R (R为气体常数), 这和非晶合金玻璃化转变中比热变化约为1.5R的规律一致. 这些一致的结论预示非晶合金的玻璃化转变和聚苯乙烯的玻璃化转变具有相同的本质, 以此出发, 提出并证明了非晶合金Pd40Ni10Cu30P20和聚苯乙烯的比热温度公式是一致的.">玻璃化转变的本质是现代凝聚态物理中最有趣的问题之一. 有理论认为高分子玻璃化转变的本质是: 当主链原子的扩散运动概率P小于$ {{\rm{e}}^{ - 2{{\rm{e}}^3}}}$时, 必有比例不小于1 + 2e3/lnP的主链原子扩散运动被冻结. 以该理论的模量温度公式拟合文献的聚苯乙烯模量温度曲线, 得到聚苯乙烯的自由体积膨胀系数值在(0.00045, 0.00052)之间. 以此理论为基础推导得到了玻璃化转变中的比热温度公式: 玻璃化转变中的材料是橡胶和玻璃的混合物, 其中橡胶的比例是自由体积分数的链段中主链原子数次方, 总比热等于两组分各自的比热和比例之积的和. 用聚苯乙烯检验了该比热温度公式, 将计算得到的聚苯乙烯自由体积膨胀系数代入比热温度公式, 不需拟合任何参数公式就能够精准地定量描述聚苯乙烯玻璃化转变中的比热温度关系. 据分析, 聚苯乙烯的玻璃化转变过程是主链原子的扩散运动被激活或者被冻结的过程, 这和非晶合金相关研究结论一致. 以主链原子为摩尔计量单元时, 聚苯乙烯转变中的比热变化为1.61R (R为气体常数), 这和非晶合金玻璃化转变中比热变化约为1.5R的规律一致. 这些一致的结论预示非晶合金的玻璃化转变和聚苯乙烯的玻璃化转变具有相同的本质, 以此出发, 提出并证明了非晶合金Pd40Ni10Cu30P20和聚苯乙烯的比热温度公式是一致的.
采用永磁铁的钠原子二维磁光阱的设计和研究
李子亮, 师振莲, 王鹏军
2020, 69 (12): 126701. doi: 10.7498/aps.69.20200266
摘要 +
在空间尺度上简化冷原子实验装置, 有利于实验室空间的充分利用, 特别有助于提高冷原子系统在航天、精密测量领域中的空间利用率. 本文采用四组永磁铁产生的磁场构造了用于冷却俘获中性钠原子的二维磁光阱, 并且利用磁铁组在竖直方向的剩磁分布实现了原子的塞曼冷却. 钠原子在二维磁光阱中进一步冷却俘获, 这为处于高真空的三维磁光阱提供了一个高效的原子束流. 实验上通过优化塞曼冷却和二维磁光阱的参数, 测得三维磁光阱中最大的原子装载率达2.3 × 109/s, 实现了6.2 × 109个原子的俘获. 这种采用永磁铁的二维磁光阱设计, 结构简单紧凑, 有助于提高实验室的空间利用率. 此方案可以推广到冷却俘获其他中性原子.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

编辑推荐

AlGaN表面相分离的同位微区荧光光谱和高空间分辨表面电势表征
刘博阳, 宋文涛, 刘争晖, 孙晓娟, 王开明, 王亚坤, 张春玉, 陈科蓓, 徐耿钊, 徐科, 黎大兵
2020, 69 (12): 127302. doi: 10.7498/aps.69.20200099
摘要 +
AlGaN是制备深紫外光电器件和电子器件的重要材料. 随着Al组分的增加, AlGaN材料表面容易出现局域组分不均匀的相分离现象, 进而影响器件的性能. 为了探索相分离的微观机制, 本文采用了同位的共聚焦微区荧光光谱和扫描开尔文探针显微术对不同Al组分的AlGaN表面相分离现象进行了表征. 三片样品的Al组分比分别约为0.3, 0.5和0.7. 本文采用的基于双频锁相的单次扫描开尔文探针显微术, 可获得高空间分辨(约10 nm)的表面电势像. 在微区荧光光谱中出现明显相分离现象的区域, 利用此方法获得的表面电势像可以清晰地观察到犬牙交错的台阶及其表面凹坑边缘的电势变化, 对应组分的不均匀性. 随着台阶转入台阶流的形态, 表面凹坑逐渐缩小和合并, 台阶和凹坑边缘不再出现明显的电势畴界, 光谱中相分离的现象消失. 实验结果表明, AlGaN表面的台阶和凹坑边缘是产生组分不均匀性, 进而在光谱中产生相分离现象的主要原因; 结合同位微区荧光光谱, 高分辨的扫描开尔文探针显微术是一种有效的表征AlGaN相分离微观机制的方法.
金刚石氮-空位缺陷发光的温度依赖性
王凯悦, 郭睿昂, 王宏兴
2020, 69 (12): 127802. doi: 10.7498/aps.69.20200395
摘要 +
利用低温光致发光光谱研究了金刚石氮-空位(NV)缺陷发光对测试温度的依赖性, 并利用电子-声子耦合理论研究了NV缺陷零声子线的增宽机制. 结果表明, 随着测试温度的升高, NV缺陷零声子线发生位置红移、强度减弱、半高宽增加的现象, 这些可以归因于金刚石晶格膨胀与电子-声子耦合协同作用. 在波动场的作用下, NV缺陷零声子线呈现明显的均匀增宽机制.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

编辑推荐

基于希尔伯特变换的结构光照明快速三维彩色显微成像方法
千佳, 党诗沛, 周兴, 但旦, 汪召军, 赵天宇, 梁言生, 姚保利, 雷铭
2020, 69 (12): 128701. doi: 10.7498/aps.69.20200352
摘要 +
结构光照明显微是一种宽场显微技术, 可以实现超分辨成像和三维光切片成像. 基于HSV (色相、饱和度、明度)彩色空间的结构光照明全彩色三维光切片成像技术可以复原样品表面的真彩色信息, 但每一层光切片都需要采集3幅固定相移差的原始图像, 这对于需要多视场拼接的大尺寸样品而言, 图像采集数据量大、图像重构时间长的缺点就凸显出来. 鉴于此, 本文提出一种基于希尔伯特变换的结构光照明快速三维彩色显微成像方法, 只需在样品的每一层采集2幅原始图像便可以重构出该层的全彩色光切片图像, 因此图像采集量减少了1/3, 图像重构时间节约了约28%, 有效提高了彩色三维成像的效率和速度.