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专题: 光学超构材料

  

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偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响及其在构建拓扑边界态中的作用
郗翔, 叶康平, 伍瑞新
2020, 69 (15): 154102. doi: 10.7498/aps.69.20200198
摘要 +
光子晶体中的拓扑相变源自于其能带结构中带隙的打开-闭合-再打开, 其中伴随着能带结构中带序(或本征态)之间的交换. 本文探讨了偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响, 它在构建拓扑边界态中的作用以及对边界态特性的影响. 结果表明: 反转偏置磁场方向会导致能量不同但宇称相同的本征态之间的交换, 这种交换为构造不同特性的拓扑边界态(如多重边界态等)提供了更多选择性. 根据边界两侧光子晶体能带结构的相对关系, 可以预测在边界上是否出现拓扑边界态以及边界态的主要特性.

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环形势阱中自旋-轨道耦合旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态
李吉, 刘斌, 白晶, 王寰宇, 何天琛
2020, 69 (14): 140301. doi: 10.7498/aps.69.20200372
摘要 +
研究了在环形势阱中自旋-轨道耦合旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构. 探索了自旋-轨道耦合作用和旋转效应对基态的影响. 结果发现, 在环形势阱下, 基态结构呈现环形分布的half-skyrmion链. 调节自旋-轨道耦合强度, 不仅可以改变体系内half-skyrmion数量, 而且能够调控half-skyrmion环形排列的对称性. 随着旋转频率增大, 体系从平面波相转化为环形对称排列的half-skyrmion链相, 最后过渡到三角格子的half-skyrmion相. 讨论了自旋相互作用和势阱形状对基态的影响. 自旋-轨道耦合强度和旋转频率作为体系的调控参数, 可用于控制不同基态相间的转化.

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基于缺陷态钝化的高效稳定蓝光钙钛矿发光二极管
吴海妍, 唐建新, 李艳青
2020, 69 (13): 138502. doi: 10.7498/aps.69.20200566
摘要 +
钙钛矿材料由于具备带隙易调、光致发光量子产率高、色纯度高、载流子迁移率高、可低温溶液加工、电荷传输性能优良等优点, 在照明显示领域大放异彩. 近年来, 通过控制化学计量比、尺寸工程和钝化缺陷等多种策略对钙钛矿微观结构进行调控, 极大地提高了钙钛矿发光二极管(perovskite light emitting diodes, PeLEDs)的性能. 目前,除蓝光外, 绿光、红光、近红外PeLEDs的外量子效率(EQE)均已超过20%. 造成蓝光器件性能停滞不前的主要原因是蓝光钙钛矿薄膜较差的覆盖率以及光谱不稳定. 为提高钙钛矿薄膜质量及器件性能, 本文在准二维钙钛矿材料PEAxCsPbBr3–yCly的基础上, 通过引入双添加剂聚乙二醇(PEG)和溴化钾(KBr), 钝化薄膜表面缺陷态, 减小晶粒尺寸, 抑制离子迁移与非辐射复合损耗, 进而提升蓝光钙钛矿器件的效率及光谱稳定性. 最终在488 nm处获得最大亮度为1049 cd·m–2, 电流效率为5.68 cd·A–1, 外量子效率为4.6%的蓝光PeLEDs. 相比于不含添加剂的器件, 效率提升了近3倍, 且具有良好的光谱稳定性和工作寿命.

专题:电介质材料和物理

  

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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.

专题:探索凝聚态中的马约拉纳粒子

  

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铁基超导涡旋演生马约拉纳零能模
孔令元, 丁洪
2020, 69 (11): 110301. doi: 10.7498/aps.69.20200717
摘要 +
作为马约拉纳零能模(MZM)的一种全新载体, 具有拓扑能带结构的铁基超导块材——拓扑铁基超导体——近年来引起了学术界的广泛关注. 由于同时具备单一材料、高温超导、强电子关联、拓扑能带等特质, 拓扑铁基超导体成功规避了本征拓扑超导体和近邻异质结体系在实现MZM上的困难, 为马约拉纳物理开辟了自赋性拓扑超导的新方向. 时至今日, 人们已经在多种拓扑铁基超导体的磁通涡旋中测量到了纯净的MZM. 实验发现, 铁基超导体系中演生的涡旋MZM信号明确、物理清晰, 具有很好的应用前景. 拓扑铁基超导体有望成长为研究马约拉纳物理和制备拓扑量子比特最重要的材料体系之一. 本文以Fe(Te,Se)为主要对象详细介绍了铁基超导马约拉纳载体的思想起源和研究进展. 在阐明Fe(Te,Se)拓扑能带结构和零能涡旋束缚态基本实验事实的基础上, 本文将逻辑清晰地系统总结铁基超导涡旋演生MZM的主要实验观测和基本物理行为; 借助波函数、准粒子中毒等实验, 解析Fe(Te,Se)单晶中的涡旋MZM演生机制; 结合现有马约拉纳理论, 深入探讨铁基超导体中的马约拉纳对称性和准粒子拓扑本质的实验测量. 最后, 本文采用“从量子物理到量子工程”的视角, 综合分析涡旋MZM在真实材料和实际实验中的鲁棒性, 为未来潜在的工程应用提供有益指导. 本文以物理原理为线, 注重理论与实验结合, 旨在搭建经典马约拉纳理论与新兴拓扑铁基超导体系之间的桥梁, 帮助读者理解铁基超导涡旋中演生的MZM.

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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.

特邀综述

  

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基于深紫外激光-光发射电子显微技术的高分辨率磁畴成像
吕浩昌, 赵云驰, 杨光, 董博闻, 祁杰, 张静言, 朱照照, 孙阳, 于广华, 姜勇, 魏红祥, 王晶, 陆俊, 王志宏, 蔡建旺, 沈保根, 杨峰, 张申金, 王守国
2020, 69 (9): 096801. doi: 10.7498/aps.69.20200083
摘要 +
基于磁二色效应的光发射电子显微镜磁成像技术是研究薄膜磁畴结构的一种重要研究手段, 具有空间分辨率高、可实时成像以及对表面信息敏感等优点. 以全固态深紫外激光(波长为177.3 nm; 能量为7.0 eV)为激发光源的光发射电子显微技术相比于传统的光发射电子显微镜磁成像技术(以同步辐射光源或汞灯为激发源), 摆脱了大型同步辐射光源的限制; 同时又解决了当前阈激发研究中由于激发光源能量低难以实现光电子直接激发的技术难题, 在实验室条件下实现了高分辨磁成像. 本文首先对最新搭建的深紫外激光-光发射电子显微镜系统做了简单介绍. 然后结合超高真空分子束外延薄膜沉积技术, 成功实现了L10-FePt垂直磁各向异性薄膜的磁畴观测, 其空间分辨率高达43.2 nm, 与利用X射线作为激发源的光发射电子显微镜磁成像技术处于同一量级, 为后续开展高分辨磁成像提供了便利. 最后, 重点介绍了在该磁成像技术方面取得的一些最新研究成果: 通过引入Cr的纳米“台阶”, 成功设计出FePt的(001)与(111)双取向外延薄膜; 并在“台阶”区域使用线偏振态深紫外激光观测到了磁线二色衬度, 其强度为圆二色衬度的4.6倍. 上述研究结果表明: 深紫外激光-光发射电子显微镜磁成像技术在磁性薄膜/多层膜体系磁畴观测方面具备了出色的分辨能力, 通过超高真空系统与分子束外延薄膜制备系统相连接, 可以实现高质量单晶外延薄膜制备、超高真空原位传输和高分辨磁畴成像三位一体的功能, 为未来磁性薄膜材料的研究提供了重要手段.

专题:统计物理和复杂系统

  

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基于液滴界面不稳定性的表面粗糙聚合物微球的制备及其细胞捕获应用
王月桐, 商珞然, 赵远锦
2020, 69 (8): 084701. doi: 10.7498/aps.69.20200362
摘要 +
具有不同组成和形态的聚合物颗粒近来受到越来越多的关注, 它们的表面粗糙度显著影响着其理化性能, 尤其在调节生物材料与生物系统间的相互作用中发挥着重要作用. 本文设计了一种具有表面可调褶皱结构的聚苯乙烯微球. 首先通过微流控装置产生尺寸均一的含有疏水聚合物和助表面活性剂的液滴. 在有机溶剂的挥发过程中, 不断收缩的液滴出现界面不稳定现象. 表面面积自发增大, 固化后得到表面具有褶皱的微球. 研究结果表明, 调节助表面活性剂的浓度以及溶剂挥发速率均可以有效调控微球表面粗糙程度. 循环肿瘤细胞捕获实验表明, 这种褶皱结构能明显增强细胞黏附力, 提高细胞捕获量. 以上这些特征表明这种表面褶皱微球将在生物医学分析领域具备良好的应用前景.

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链状Pt-Ni纳米颗粒的制备、表征及高效电催化性能
徐克欣, 夏田雨, 周亮, 李顺方, 蔡彬, 王荣明, 郭海中
2020, 69 (7): 076101. doi: 10.7498/aps.69.20200343
摘要 +
开发高效、稳定的电催化剂是燃料电池走向实用的关键. 为了解决催化剂因尺寸效应引起的催化活性和稳定性之间的矛盾, 采用简便的一步溶剂热法设计合成了具有一维链状结构的Pt-Ni合金纳米颗粒催化剂. 链状Pt-Ni纳米颗粒由平均尺寸约为10 nm的纳米颗粒和直径约为3 nm, 长度为几百纳米的纳米线组装而成, 该结构具有零维纳米颗粒高的比表面积和一维纳米线高的结构稳定性优势, 可显著提高甲醇氧化反应的催化活性和稳定性, 其质量活性和比活性分别是商业Pt/C纳米催化剂的5.7倍和7.6倍. 经1000圈循环伏安测试后, 该纳米材料仍保留91.2%的比活性, 远高于商业Pt/C的4.4%. 制备的一维链状结构很好地解决了纳米颗粒催化剂在反应中的团聚问题, 为获得同时具有较高催化活性和稳定性的Pt基纳米催化剂提供了新的途径, 有望实现大范围工业化应用.

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Ca5N4高压新相的第一性原理研究
时旭含, 李海燕, 姚震, 刘冰冰
2020, 69 (6): 067101. doi: 10.7498/aps.69.20191808
摘要 +
通过在氮中引入杂质离子, 利用高压手段获得具有新奇结构的多氮化合物是目前被广泛应用的研究方法. 钙氮材料在催化、光电方面有着广泛的应用. 具有较低电离能的钙(Ca)元素很容易和氮原子形成离子键钙氮化物. 高压为寻找新型钙氮化合物提供了全新的技术途径. 因此, 利用高压方法, 通过改变配比的方式, 寻找具有新奇特性的钙氮高压结构, 是一项非常有意义的工作. 本文利用基于密度泛函理论的结构搜索方法, 在100 GPa条件下, 通过预测得到了一个稳定的Ca5N4相. 该结构内部氮原子之间以N—N共价单键键合, 氮原子和钙原子之间是离子键相互作用, 且钙氮之间的电荷转移量为1.26 e/N atom. 能带结构计算表明P 21/c-Ca5N4是一个直接带隙为1.447 eV的半导体结构. 最后, 系统地给出了该结构的拉曼振动光谱, 并指认了拉曼振动模式, 为实验合成该结构提供了理论指导.
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