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低能氨离子/基团扩散对铟锡氧化物薄膜电学性质影响规律研究
赵世平, 张鑫, 刘智慧, 王全, 王华林, 姜薇薇, 刘超前, 王楠, 刘世民, 崔云先, 马艳平, 丁万昱, 巨東英, 等
摘要 +
有机-无机杂化甲氨铅碘类钙钛矿太阳能电池在制备及使用过程中,甲氨铅碘层中的甲基铵离子易分解为甲基离子/基团和氨离子/基团,其中氨离子/基团可以扩散进入铟锡氧化物(Indium tin oxide, ITO)透明电极层,并影响ITO的电学性质。本文通过低能氨离子束与ITO薄膜表面相互作用,研究低能氨离子/基团在ITO薄膜表面扩散过程,及其对ITO薄膜电学性质的影响规律。研究结果表明,低能氨离子/基团在ITO薄膜表面扩散过程中,主要与ITO晶格中的O元素结合形成In/Sn-O-N键。ITO不同晶面的O元素含量不同,低能氨离子/基团能够在无择优ITO薄膜表面的各个晶面进行扩散,因此将严重影响其电学性质,导致无择优ITO薄膜电阻率增加约6个数量级。但(100)择优取向ITO薄膜的主晶面为(100)晶面,最外层由In/Sn元素构成,不含O元素。因此(100)择优取向ITO薄膜能够有效抑制低能氨离子/基团扩散,并保持原始电学性质。最终,(100)择优取向ITO薄膜有望成为理想的有机-无机杂化甲氨铅碘类钙钛矿太阳能电池用透明电极层材料。
压电效应——百岁铁电的守护者
李飞, 张树军, 徐卓, 等
摘要 +
作为电介质大家庭的重要成员,铁电材料以其蕴含丰富的物理性质而闻名,并因此吸引了大量科技工作者.压电效应是铁电材料最为重要的物理性质之一,同时也是目前铁电材料所有物理性质中应用最为广泛的.例如:水声声呐系统、医疗超声探头、压电驱动器等器件的核心压电元件均为铁电材料.在本文中,笔者将以时间为轴,重点介绍钛酸铅基铁电材料压电效应的发展历史,同时讨论铁电材料微观结构、极化状态与压电效应之间的构效关系.本文涉及到目前优化铁电材料压电效应的一些重要因素,如:“准同型相界”、“软性掺杂”、“极化旋转”、“局域结构无序”等,希望能够在铁电功能材料的设计方面给予读者启发.
超声速横向气流中液体射流的轨迹预测与连续液柱模型
周曜智, 李春, 李晨阳, 李清廉, 等
摘要 +
对于液体射流沿壁面法向喷注进入超声速横向气流中的射流轨迹开展了理论研究与实验研究,建立了连续液柱三维实体模型。基于液体微元受力分析建立了连续液柱沿喷注方向横截面的截面变形控制方程,计算了液体射流轨迹与横截面变形,合理考虑了液体射流因发生表面破碎所引起的质量损失,提出适用于超声速横向气流的连续液柱模型。利用高时空分辨率的显微成像方法拍摄超声速横向气流中连续液柱的瞬时图像,研究的参数变量包括液体喷注压降(1-2 MPa)、液体喷嘴直径(0.5 mm / 1.0 mm)及液气动量比(3.32—7.27);研究结果表明,采用连续液柱模型可以较好的预测中心面上的射流轨迹和三维空间上的液柱形态,并可较为真实地反映实际流场特征,预测结果与实验结果吻合良好。
中华白海豚声接收通道研究
张闯, 宋忠长, 张宇, 等
摘要 +
中华白海豚依靠其回声定位系统进行导航与目标探测。本文利用计算机断层扫描、超声测量与数值模拟研究中华白海豚声呐系统声接收过程。计算机断层扫描结果表明中华白海豚声接收系统位于下颌区域。声接收通道主要包含下颌骨内侧脂肪、下颌骨外侧脂肪、下颌骨与听小骨。数值模拟结果表明中华白海豚的声接收通道具有多样性。声波可沿着下颌骨传播至下颌内部脂肪,并随后传导至听小骨处。声波还可以通过下颌骨外侧脂肪进入声接收系统。声接收通道的多样性表明中华白海豚声呐系统的复杂性,探究声接收工作原理能加深下颌脂肪与下颌骨等多相介质形成的系统对声传播的控制,可为人工声接收系统设计提供新思路。
电荷媒介的磁电耦合:从铁电场效应到电荷序铁电体
安明, 董帅, 等
摘要 +
磁电耦合效应是百年铁电领域中新兴的科学话题和前沿难点。包含两种及以上铁性序的多铁性材料则是追求本征强磁电耦合的理想体系,其展现了丰富的物理,蕴含着很高的应用潜力。作为关联电子大家庭的一个分支,多铁性材料体系也涉及电荷、自旋、轨道以及晶格多重自由度。但过往的磁电耦合研究对自旋与晶格自由度关注最多,却往往忽略了其中的电荷自由度。实际上,电荷自由度可以在磁电耦合中扮演重要的媒介作用。本文将介绍异质结中的铁电场效应和单相多铁性材料中的电荷序所涉及的磁电耦合物理机制,以及回顾作者近年来在此方向上的若干尝试,希望能为本领域的研究者提供一些参考。
金属光栅异常透射增强黑磷烯法拉第旋转的理论研究
董大兴, 刘友文, 伏洋洋, 费越, 等
摘要 +
黑磷是一种具有直接带隙的二维材料,其较宽的带隙填补了石墨烯和二维过渡金属硫化物之间的带隙空白,其特殊的褶皱状晶体结构导致了其独特的面内各向异性,使其具有了独特的力电磁响应特性。本文基于单层黑磷设计了一种金光栅/黑磷/硅的混合等离子体结构的磁光器件。通过金属光栅诱导异常透射显著增强透射率,同时通过TE模式和TM混合等离子体模式匹配耦合增强了法拉第旋转效应。在1.5THz工作频率点,对器件参数进行优化后,施加5T的外部磁场,法拉第旋转角度可以达到2.7426°,增益为14.434倍,同时透射率能够保持在85%以上。此外,研究了黑磷的载流子密度和外部磁场对磁光器件的调谐特性。最后,讨论了金属光栅的伪等离子模式对本征波导模式和法拉第磁光效应的影响。
化学自突触的电导扰动诱导相干或随机双共振现象
曲良辉, 都琳, 曹子露, 胡海威, 邓子辰, 等
摘要 +
神经元的自突触结构具有自反馈的作用,神经递质量子形式的释放使得自突触的自反馈作用容易受到扰动,本文重点研究了化学自突触的电导扰动对FHN神经元电生理活动的影响.首先,恰当的化学自突触参数能够产生动力学行为的分岔现象,诱导不同周期峰放电模式之间的转迁.特别地,自突触的自反馈功能会引起从混沌放电状态到周期的峰放电或准周期的簇放电状态的转迁.其次,基于神经递质释放的量子特征,借助放电频率和变异系数两个指标定量地研究自突触电导的随机扰动对神经元放电活动的影响.数值结果表明自突触电导的扰动在自反馈的作用下能够改变离子通道的活性,不仅提高FHN神经元对外加激励信号的编码效率,而且改变神经元放电活动的规则性,诱导显著的相干或随机双共振现象,其内在机制是电导扰动所引起的神经元系统不稳定的动力学分岔.本文的研究进一步揭示了自突触结构对神经元放电活动自我调节的作用,有待为生理操控自突触结构提供理论指导.
桌面飞秒极紫外光原子超快动力学实验装置
海帮, 张少锋, 马新文, 等
摘要 +
飞秒极紫外光脉冲是研究原子分子超快动力学过程的重要工具,是同步辐射及自由电子激光这样的大科学装置的重要补充,而且具有非常诱人的发展前景。本文工作基于大功率飞秒近红外激光在气体介质中的高次谐波过程,搭建了一套桌面飞秒极紫外光源。使用充气的中空波导管产生高次谐波,增大了驱动光与介质的作用长度,显著提高了光子产额。使用了光栅的圆锥衍射模式来实现高次谐波光子能量的选择,在保证高衍射效率的同时,减小了光栅衍射对于光脉冲的时间展宽效应。通过实际测量,光源的输出光子能量可覆盖20 eV–90 eV的范围。在光子能量40 eV附近,输出光子流强达1×10^10 photons/s,光子能量分辨约0.4 eV。该光源结合新研制的反应显微成像谱仪,为研究极紫外光与原子分子的相互作用提供了独特的手段。目前已成功开展多次原子及分子电离实验,系统性能稳定。
基于离散元方法的松散体滑动堆积特性及影响因素分析
成浩, 韩培锋, 苏有文, 等
摘要 +
松散体结构松散, 是崩塌、滑坡等地质灾害的主要物源, 其致灾范围受含石量和坡度等因素影响较大. 传统的对松散体滑动堆积特性的研究多为宏观或定性分析, 对细观的内在运动机理研究较少. 本文采用离散元方法定量分析了含石量和坡度变化对松散颗粒滑动后的冲程、堆积宽度、最大厚度、堆积面积、堆积轮廓形状、堆积区体积、静堆积角和累积质量等堆积特征值的影响, 并从颗粒的能量和接触力角度探讨了松散体灾变过程中的运动和堆积特征, 以揭示颗粒之间的相互作用机理. 研究结果表明: 含石量在0—70%范围增加时, 冲程、堆积宽度和堆积面积均先增大后递减, 最终累积质量减小; 坡度在30°—65°范围增大时, 冲程、堆积宽度、堆积面积和累积质量均会增大, 最大厚度近似线性减小, 静堆积角近似二次函数减小. 此外, 粗、细颗粒在堆积区的体积占额存在一个临界距离Lc, 当距坡脚线距离L < Lc时, 细颗粒大于粗颗粒所占体积; 当L > Lc时, 细颗粒小于粗颗粒所占体积.
基于多尺度熵的Duffing混沌系统阈值确定方法
黄泽徽, 李亚安, 陈哲, 刘恋, 等
摘要 +
熵是热力学中表征物质状态的参量之一, 是体系混乱程度的度量. 一个信号的熵可以用来表示信号的复杂度. Duffing混沌系统从临界混沌状态向大尺度周期状态跃变的阈值是混沌系统分析的一个重要参数, 它的求解方法是混沌理论目前亟待解决的问题之一. 然而传统的实验分析法或者定量分析法存在一定的局限性. 本文在研究中发现, 系统处于混沌态和周期态时输出的多尺度熵值存在较大差异, 且当系统进入周期态后多尺度熵值趋于平稳, 基于这一现象结合遗传算法提出了基于多尺度熵的Duffing混沌系统阈值确定方法. 利用该方法对正弦信号和方波信号的检测系统跃变阈值进行了计算, 结果表明该方法快速准确且计算简单.
CH3NH3PbBr3纳米线中束缚激子g因子的各向异性
宋飞龙, 王玉暖, 张峰, 武诗谣, 谢昕, 杨静南, 孙思白, 党剑臣, 肖姗, 杨龙龙, 钟海政, 许秀来, 等
摘要 +
有机-无机杂化钙钛矿材料与其它半导体材料相比具有高的缺陷容忍率, 在太阳能电池、发光二极管、低阈值激光器等领域有重要的应用前景. 通常情况下, 钙钛矿材料是通过溶液法合成的, 这种方法虽然可以得到性能优异的钙钛矿器件, 但同时也会在合成过程中产生大量缺陷. 尽管目前在理论和实验上对钙钛矿材料的缺陷做了很多研究, 但对单个缺陷附近的束缚激子发光问题的研究较少. 本文通过共聚焦显微系统研究了低温(4.2 K)下单根钙钛矿纳米线的荧光光谱, 观测到来自于缺陷周围束缚激子的窄线宽和高强度的荧光峰, 同时观测到了磁场下的塞曼分裂和抗磁现象, 并通过施加矢量磁场发现了束缚激子的g因子存在各向异性. 单个束缚态激子的磁光性质的研究为深入理解束缚激子在量子光源以及自旋电子学中的应用提供了依据.
一种新型二维TiO2的电子结构与光催化性质
熊子谦, 张鹏程, 康文斌, 方文玉, 等
摘要 +
基于第一性原理计算方法, 设计出了一种新型二维半导体材料TiO2, 并进一步研究了其结构稳定性, 电子结构, 载流子迁移率和光学性质等. 二维TiO2的形成能、声子谱、分子动力学、弹性常数表明, 二维TiO2具有较好的动力学, 热力学和机械稳定性, 具备实验制备的条件, 且能够稳定存在于常温条件下. 电子结构分析表明, 二维TiO2是一种间接带隙半导体, 在GGA+PBE和HSE06算法下的能隙分别为1.19 和2.76 eV, 其价带顶和导带底能级分别由Ti-3d和Ti-4s态电子构成, O原子的电子态在费米能级附近贡献很小, 主要分布在深处能级. 载流子迁移率显示, 二维TiO2的迁移率比单层MoS2要小, 其电子和空穴迁移率分别为31.09和36.29 cm2V–1s–1. 由于空穴迁移率和电子迁移率的各向异性, 电子-空穴复合率较低, 使得单层TiO2的使用寿命更长, 光催化活性更好. 在应变调控下, 二维TiO2的能隙发生明显响应, 以适用于各种半导体器件的需要. 半导体的带边势和光学性质显示, 在-5%—2%单/双轴应变下, 二维TiO2能够光裂水制H2, 在-5%—5%单/双轴应变下, 能够光裂水制O2, H2O2和O3等. 此外, 二维TiO2对可见光和紫外光具有较高的吸收系数, 说明其在未来光电子器件和光催化材料领域有着潜在的应用前景.
基于人工表面等离激元结构的表面粗糙磁镜
殷允桥, 吴宏伟, 等
摘要 +
磁镜子因其可以增强表面电场这一良好特性已广泛被应用于增强光与物质相互作用,例如生物传感,材料分析和成像。然而,当物质具有复杂的几何形状时,具有平面的常规光滑磁镜子难以产生充分的光与物质相互作用。在这里,我们提出了一种表面粗糙磁镜子的概念,该界面由人工表面等离激元结构阵列设计而成。这种人工表面等离激元结构单元是通过周期性地将螺旋金属条插入到介质圆盘构造以支持强磁偶极共振模式。特别地,通过相应地调节结构的螺旋度,可以在不同尺寸的螺旋结构中支持相同的磁偶极模式。如此,我们设计了由多种不同尺寸的人工表面等离激元结构排列构成的粗糙磁镜子,计算了
Landau-Devonshire理论探究不同类型铁电材料的电卡效应
高荣贞, 王静, 王俊升, 黄厚兵, 等
摘要 +
近年来,低成本、高效、环保的电卡效应制冷材料得到了广泛研究,其中包括无机钙钛矿、有机钙钛矿、有机聚合物、分子铁电材料和二维铁电材料等。这些不同铁电材料的相变类型和电卡性能各异,而造成其差异的物理起源尚不明确。本文选择传统无机钙钛矿BaTiO3、PbTiO3和BiFeO3,有机钙钛矿[MDABCO](NH4)I3,有机聚合物P(VDF-TrFE),分子铁电体ImClO4和二维铁电体CuInP2S6这七种材料,利用Landau-Devonshire理论,研究并对比了其温变、熵变和电卡强度。通过分析自由能与极化之间的关系发现,在相变点附近,铁电材料的自由能势垒高度随温度的变化率越大,造成的极化随温度的变化率越高,而材料的电卡性能也越优异。本文揭示了不同类型铁电材料电卡性能差异的物理起源,为进一步开发具有高电卡性能的铁电材料提供理论指导。
NiFe2O4纳米粒子掺杂对单畴YBCO超导块材性能的影响
李国政, 陈超, 等
摘要 +
本文采用一种新型的顶部籽晶熔渗生长(TSIG)工艺制备了铁酸镍(NiFe2O4,NFO)纳米粒子掺杂的YBCO超导块材,并对其生长形貌、微观结构、超导性能进行了研究.结果表明,在低掺杂量下,YBCO单畴体的正常生长不会受NFO掺杂的影响,但是在高掺杂水平下样品边缘开始出现明显的随机成核.磁悬浮力性能测试结果表明,随着NFO掺杂量的增加,样品的最大磁悬浮力先增加后减小,掺杂量为0.2 wt%的样品表现出最大的磁悬浮力(33.93 N).低温磁性测试结果表明,随着NFO掺杂量的增加,样品的Tc值逐渐降低,而且超导转变宽度(ΔTc)也逐渐变宽.最佳掺杂下(0.2wt%)样品的零场Jc值为8.68 × 104 A/cm2,比未掺杂样品提高了31%.电子探针微区分析(EPMA)结果表明,YBCO体系中掺杂的纳米NFO在热处理过程中发生了分解,而溶解出的Ni和Fe离子最终以元素替代的方式存在于YBCO块材内,这可以在超导基体中引入晶格畸变和弱超导区作为有效的磁通钉扎中心,从而提高样品的超导性能.
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