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面向高性能摩擦纳米发电机的电介质材料

物理学报 2024年第7期73卷 8-27页

作者：邓浩程李祎田双双张晓星肖淞武汉大学电气与自动化学院电网环境保护全国重点实验室武汉430072 湖北工业大学电气与电子工程学院新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心武汉430068

摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)作为微纳电源或自取能传感器近年来在多领域表现出广阔的应用潜力.TENG的输出性能提升与作为摩擦起电层的电介质材料接触起电特性密切相关.本文首先介绍了TENG及其电介质摩擦起电层的... 详细信息

摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)作为微纳电源或自取能传感器近年来在多领域表现出广阔的应用潜力.TENG的输出性能提升与作为摩擦起电层的电介质材料接触起电特性密切相关.本文首先介绍了TENG及其电介质摩擦起电层的相关基础理论和模型;其次,阐述了TENG电介质材料的选材、改性(表面改性、体改性)和结构设计策略,其中表面改性和体改性涉及表面粗糙度控制、官能团调控、电介质材料介电参数优化,在电介质的结构设计方面,重点介绍了电荷传输层、捕获层、阻挡层的原理及通过多层结构来提高TENG介电性能的典型方法;最后,强调了本领域发展面临的挑战和未来发展趋势,为面向高性能TENG的纳米电介质材料开发提供参考.

关键词：摩擦纳米发电机电介质材料微纳复合材料电荷调控

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定中和驱动一体化的超导转子驱动方法

物理学报 2024年第3期73卷 299-309页

作者：张源胡新宁崔春艳崔旭牛飞飞黄兴王路忠王秋良中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049 中国科学院赣江创新研究院赣州341119

高速旋转的超导转子可制作高精度惯性器件,对载体的角位置或角速度进行测量,超导转子的质量偏心和球面误差是影响测量精度的主要误差源.超导转子结构越复杂,其制作和装配过程造成的质量偏心和球面误差就越大,则其测量角速度的精度越低.... 详细信息

高速旋转的超导转子可制作高精度惯性器件,对载体的角位置或角速度进行测量,超导转子的质量偏心和球面误差是影响测量精度的主要误差源.超导转子结构越复杂,其制作和装配过程造成的质量偏心和球面误差就越大,则其测量角速度的精度越低.基于此,本文设计了一种结构简单的超导转子驱动电磁结构,并通过有限元方法研究了定子对超导转子产生的转矩,分析了定子对超导转子的定中和加转效果.基于对超导转子转矩的研究结果,提出了一种定中和驱动一体化的超导转子驱动方法,即通过定子线圈同时实现定中和驱动功能,并设计了对应的定子控制时序.最后分析了所提驱动方法驱动过程的力矩分布,并结合定子系统的响应特性对驱动效果进行了定量分析,计算了不同条件下超导转子加速到50 Hz需要的时间.结果表明,所设计的驱动电磁结构及提出的定中驱动一体化的驱动方法可以对超导转子定中和驱动,研究结果为进一步优化超导转子结构,及超导转子的驱动方法提供参考.

关键词：超导转子麦斯纳力定中和驱动一体化电磁驱动

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基于光束偏移器的光的轨道角动量分束器

物理学报 2024年第7期73卷 163-170页

作者：张卓张景风孔令军北京理工大学物理学院先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室纳米光子学与超精密光电系统北京市重点实验室北京100081

近年来,光的轨道角动量自由度的高维度特性引起了广泛的关注.该自由度在许多科学领域得到了研究和应用,特别是在光通讯和量子信息领域.为了充分利用轨道角动量的高维特性,不同的轨道角动量态的非破坏分离成为一个最基本的要求.然而,目... 详细信息

近年来,光的轨道角动量自由度的高维度特性引起了广泛的关注.该自由度在许多科学领域得到了研究和应用,特别是在光通讯和量子信息领域.为了充分利用轨道角动量的高维特性,不同的轨道角动量态的非破坏分离成为一个最基本的要求.然而,目前已有的轨道角动量分束系统,要么在稳定性和级联拓展性方面有所不足;要么分离后的轨道角动量态的特性遭到严重破坏,无法参与进一步的相互作用过程.本文基于光束偏移器构建微型Mach-Zehnder干涉仪,设计了一个稳定且紧凑的轨道角动量分束器,实现了轨道角动量模式的非破坏分束.设计中由于只存在光束的全反射,因此理论上能量损耗为零.在微型Mach-Zehnder干涉仪中的光束经过的光学元件相同,且光束的空间偏移量较小,所以该轨道角动量分束器具有很好的稳定性.此外,由于被分开的轨道角动量态与入射的轨道角动量态具有相同的传播方向,因此该分束器具有很好的可拓展性,便于级联使用.本研究对轨道角动量这一高维自由度在光通讯等相关领域的应用有重要意义.

关键词：轨道角动量态识别光通讯

基于源项解耦的物理信息神经网络方法及其在放电等离子体模拟中的应用

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物理学报 2024年第14期73卷 155-166页

作者：方泽潘泳全戴栋张俊勃华南理工大学电力学院广州510641

近年来,以物理信息神经网络(PINNs)为代表的人工智能计算范式在等离子体数值模拟领域获得了极大关注,但相关研究考虑的等离子体化学体系较为简化,且基于PINNs求解更为复杂的多粒子低温等离子体流体模型的研究还尚处空白.本文提出了一个... 详细信息

近年来,以物理信息神经网络(PINNs)为代表的人工智能计算范式在等离子体数值模拟领域获得了极大关注,但相关研究考虑的等离子体化学体系较为简化,且基于PINNs求解更为复杂的多粒子低温等离子体流体模型的研究还尚处空白.本文提出了一个通用的PINNs框架(源项解耦PINNs,Std-PINNs),用于求解多粒子低温等离子体流体模型.Std-PINNs通过引入等效正离子,并将电流连续性方程替代各粒子输运方程作为物理约束,实现了重粒子输运方程源项与电子密度、平均电子能量的解耦,极大降低了训练复杂度.本文通过两个经典放电案例(低气压氩气辉光放电、大气压氦气辉光放电)展示了Std-PINNs在求解多粒子低温等离子体流体模型的应用,并将结果与传统PINNs和有限元(FEM)模型进行了对比.结果显示,传统PINNs输出了完全错误的训练结果,而Std-PINNs与FEM结果之间的L2相对误差能达到约10–2量级,由此验证了Std-PINNs在模拟多粒子等离子体流体模型的可行性.Std-PINNs为低温等离子体模拟提供了新的思路,并拓展了深度学习方法在复杂物理系统建模中的应用.

关键词：物理信息神经网络低温等离子体源项解耦流体模型

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单层蓝磷带电点缺陷的结构稳定性及电子性质

物理学报 2024年第13期73卷 269-276页

作者：马荣荣马晨蕊葛梅郭世祺张均锋山西师范大学物理与信息工程学院太原030031 海南师范大学物理与电子工程学院海口571158

作为一种新型的二维材料,蓝磷因其具有较高的载流子迁移率和较大的禁带宽度引起了研究者们极大的研究兴趣.近年来已有研究讨论了蓝磷中的结构缺陷,但是关于其缺陷带电性质的研究尚未见报道.本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,... 详细信息

作为一种新型的二维材料,蓝磷因其具有较高的载流子迁移率和较大的禁带宽度引起了研究者们极大的研究兴趣.近年来已有研究讨论了蓝磷中的结构缺陷,但是关于其缺陷带电性质的研究尚未见报道.本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,讨论了蓝磷SW(Stone Wales)缺陷、单空位(SV)缺陷、两种双空位缺陷(DV-1和DV-2)以及两种替位缺陷(OP和CP)的带电性质.利用带电缺陷体系能量依赖于晶胞尺寸的渐进表达式进行外推的方法,修正了蓝磷带电缺陷体系的形成能.研究结果表明,在所讨论的缺陷中,富O条件下OP具有最低的形成能,最稳定;而SV的离化能最小,最容易电离.引入的缺陷态会对蓝磷的禁带宽度产生影响.缺陷带电过程中,缺陷态位置变化导致绝大部分缺陷转变为深能级缺陷.本研究结果对缺陷工程在二维材料上的应用提供了一定的理论指导.

关键词：第一性原理计算蓝磷带电缺陷离化能

Einstein-Bumblebee引力理论中的Kerr-Sen-like黑洞玻色子隧穿辐射

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物理学报 2024年第4期73卷 60-68页

作者：谭霞杨树政齐鲁师范学院物理与电子工程学院济南250200 西华师范大学物理与天文学院南充637002

Lorentz-breaking理论不仅对弯曲时空背景有影响,而且对于在弯曲时空中的玻色子和费米子的动力学方程都有一定的修正.因此,我们需要在不同的黑洞时空中对玻色子和费米子的量子隧穿辐射进行适当的修正.从而得到经过Lorentz-breaking理论... 详细信息

Lorentz-breaking理论不仅对弯曲时空背景有影响,而且对于在弯曲时空中的玻色子和费米子的动力学方程都有一定的修正.因此,我们需要在不同的黑洞时空中对玻色子和费米子的量子隧穿辐射进行适当的修正.从而得到经过Lorentz-breaking理论修正后的黑洞Hawking温度等物理量的新表达式及其物理意义.本文根据Einstein-Bumblebee引力理论中得到的Kerr-Sen-like(KSL)黑洞时空度规,在标量场作用量中引入aether-like场矢量修正项和弯曲时空中的d’Alembert算符并应用弯曲时空中的变分原理,研究了此时空度规中的Lorentz-breaking修正项及KSL时空中自旋为零的含有Lorentz-breaking修正项的玻色子动力学方程的新形式.通过正确选择与KSL时空度规相对应的aether-like场矢量,求解修正的玻色子动力学方程,得到了修正的量子隧穿率,并在此基础上研究了含有Lorentz-breaking修正项的此黑洞的Hawking温度和Bekenstein-Hawking熵.此外,还研究了Lorentz-breaking效应对玻色子正、负能级分布及其能级交错的最大值的影响,从而得出此黑洞时空中的量子非热辐射的条件.最后对所得到的一系列结果的物理意义进行了深入的讨论.

关键词： Lorentz-breaking Einstein-Bumblebee引力理论 Kerr-Sen-like黑洞 Bekenstein-Hawking熵

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多晶材料散射模型及识别实验研究

物理学报 2024年第3期73卷 134-142页

作者：刘昱贺西平贺升平陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西省超声重点实验室西安710119 泸州高新技术研究所泸州646000

超声波识别在国防、军事、航空航天、核设施等高科技领域具有重要的应用价值.利用超声波可以实现对个体金属材料的识别,但现有研究侧重于识别材料超声信号差异的算法,缺乏识别机理.本文以2A12铝合金为例,利用6个晶粒在尺寸、形状、排布... 详细信息

超声波识别在国防、军事、航空航天、核设施等高科技领域具有重要的应用价值.利用超声波可以实现对个体金属材料的识别,但现有研究侧重于识别材料超声信号差异的算法,缺乏识别机理.本文以2A12铝合金为例,利用6个晶粒在尺寸、形状、排布方向以及排列顺序不同时,建立了10个2A12铝合金微结构的初级模型,以此类比多晶金属材料的复杂微观结构.利用Comsol有限元软件仿真计算了金属材料不同微观结构中的超声波时域信号,并将回波信号中的的背向散射信号提取为超声指纹.定义了特征差异Q,量化了具有不同微结构的散射模型间的超声指纹的差异.结果表明,微观结构的细微变化也会导致超声信号出现差异,其中晶粒尺寸的变化对信号的影响更为显著.随后提出了超声识别算法,并对4块形状完全一致的2A12铝合金样品进行了识别实验.识别结果表明,利用超声指纹可以准确识别出目标样品,且各样品间的超声指纹有显著区别.最后对样品进行了扫描电子显微镜实验,所得电子显微镜图片显示了各样品真实微观结构的形貌与差异,证实了所建立的超声散射模型的有效性.

关键词：超声散射微观结构多晶材料超声识别有限元方法

基质VO_(4)^(3+)与掺杂离子Pr^(3+)荧光强度比的新型高灵敏度光学测温研究

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物理学报 2024年第9期73卷 263-270页

作者：严涌飚李霜丁双双张冰雪孙浩鞠泉浩姚露长春理工大学物理学院长春130022 长春理工大学国际纳米光子学与生物光子学联合研究中心吉林省纳米光子学与生物光子学重点实验室长春130022

目前,光学测温技术在传感、治疗、诊断和成像等领域取得了重大突破.但是,基于传统热耦合能级荧光强度比测温的灵敏度较低,限制了其进一步的发展.本文基于基质与掺杂离子间不同的温度依赖行为,提出了一种新型的具有高灵敏度的测温方案.首... 详细信息

目前,光学测温技术在传感、治疗、诊断和成像等领域取得了重大突破.但是,基于传统热耦合能级荧光强度比测温的灵敏度较低,限制了其进一步的发展.本文基于基质与掺杂离子间不同的温度依赖行为,提出了一种新型的具有高灵敏度的测温方案.首先,采用固相法成功合成了YVO_(4):Pr^(3+)荧光粉.然后,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜和荧光分光光度计对样品的结构与发光特性进行表征.XRD结果表明Pr^(3+)成功掺入YVO_(4)基质.SEM结果表明样品为长方体形状微米晶颗粒,平均颗粒大小约为2.1μm.在320 nm激发下,YVO_(4):Pr^(3+)主要呈现出在440 nm附近的蓝光发射和606 nm的红光发射,发光峰不存在明显的重叠.基于VO_(4)^(3+)与Pr^(3+)的发光对温度的不同响应,实现了新的荧光强度比测温方案.测温范围为303—353 K,最大绝对灵敏度和相对灵敏度分别为0.651 K–1和3.112×10^(–2) K^(–1)@353 K,远高于传统的热耦合能级测温方案.这为设计具有优异温度灵敏度和信号可辨别性的自参考光学测温材料提供了一种有前景的途径.

关键词：发光特性光学测温荧光强度比温度灵敏度

结合电子束辐照与压电压力波法空间电荷分布实时测量的空间电荷包迁移行为的研究

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物理学报 2024年第2期73卷 278-286页

作者：潘佳萍张冶文李俊吕天华郑飞虎同济大学电子与信息工程学院上海201804

空间电荷包现象是一种特殊的空间电荷现象,具体表现为空间电荷以包的形态沿着极化电场的方向进行迁移.目前针对空间电荷包现象的研究还存在一些不足,研究的对象通常集中在聚乙烯及其交联产物中的正极性空间电荷包.本文提出了一套用于负... 详细信息

空间电荷包现象是一种特殊的空间电荷现象,具体表现为空间电荷以包的形态沿着极化电场的方向进行迁移.目前针对空间电荷包现象的研究还存在一些不足,研究的对象通常集中在聚乙烯及其交联产物中的正极性空间电荷包.本文提出了一套用于负极性空间电荷包特性研究的一体化实验系统,可进行电子束辐照与压电压力波法空间电荷分布实时测量相结合的实验研究,并简要介绍了该系统的结构与功能.该系统适用于不同厚度范围的各类绝缘电介质样品在不同电场下的实验研究.本文使用该实验系统初步研究了在不同外加电场(15,20,2.5,30 kV/mm)下聚丙烯与聚甲基丙烯酸甲酯样品内负极性空间电荷包的迁移行为,并从实验结果中提取了负极性载流子;(电子)的迁移特性.聚丙烯与聚甲基丙烯酸甲酯样品中电子的迁移速率均存在随着电场的增加而减小的负微分迁移率现象,聚丙烯中该现象出现的阈值电场约为26.0 kV/mm,聚甲基丙烯酸甲酯中该现象出现的阈值电场约为19.5 kV/mm,消失的截止电场约为27.5 kV/mm.

关键词：绝缘聚合物空间电荷包电子束辐照载流子迁移率