中国科技期刊卓越行动计划推介：《物理学报》2025年第2期

摘要：自发极化强度是衡量铁电材料极化能力的关键指标。新兴的纤锌矿铁电材料因较高的自发极化而受到广泛关注，但目前对影响这一性质的关键因素的理解仍然不足。本文旨在通过结合机器学习和第一性原理方法来解决这一问题。首先，计算了40种二元和89种简单三元纤锌矿材料的自发极化强

封面文章数据论文

纤锌矿铁电材料自发极化强度的本征影响因素

康瑶，陈健，童祎，王新朋，段坤，王嘉琪，王旭东，周大雨，姚曼

物理学报, 2025, 74(2):027701

doi: 10.7498/aps.74.20241520

cstr: 32037.14.aps.74.20241520

自发极化强度是衡量铁电材料极化能力的关键指标。新兴的纤锌矿铁电材料因较高的自发极化而受到广泛关注，但目前对影响这一性质的关键因素的理解仍然不足。本文旨在通过结合机器学习和第一性原理方法来解决这一问题。首先，计算了40种二元和89种简单三元纤锌矿材料的自发极化强度，并从元素基本属性、晶体结构参数和电子性质中提取了多种特征。随后，采用Boruta算法和距离相关系数分析方法进行特征筛选，提出了一个全面而精确的纤锌矿材料自发极化强度的机器学习预测模型。进一步借助SHapley Additive exPlanations分析方法，阐明了影响自发极化强度的关键因素是阳离子离子势的均值IPi_Aave和晶胞参数a等。本研究弥补了目前对自发极化强度多因素的影响机制理解的缺乏，为系统评估新兴纤锌矿材料的自发极化强度提供了帮助，有助于加快性能优异的纤锌矿铁电材料的筛选。本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00073 中访问获取。

图1 组内距离自相关系数热图 (a) 元素基本属性特征；(b) 晶体结构特征；(c) DC特征；(d) COHP，BC，ELF特征；(e) DOS特征。(f) 保留特征的组间距离自相关系数热图

同行评价

本文在铅锌矿铁电材料的特征设计方面做了有价值的工作，并利用机器学习方法研究了纤锌矿铁电材料自发极化强度的影响特征。该研究的创新性体现在将机器学习与材料设计相结合，为理解和预测铁电材料的自发极化提供了一种新颖的思路。文章结构清晰，实验和数据分析充分。

刘笑宏，滕玉勤，李琬钰，张彩霞，黄巍

物理学报, 2025, 74(2):020701

doi: 10.7498/aps.74.20241542

cstr: 32037.14.aps.74.20241542

基于室温原子的超外差太赫兹电场探测，场强灵敏度可达5.76 μV/(cm·Hz1/2)，线性动态范围优于60 dB。原子超外差太赫兹探测具有极高的灵敏度，可用于精确测量材料的透射率，实现对材料厚度的高精度测量。本文实验测量了蓝宝石晶体材料和聚四氟乙烯有机材料的厚度，而且由太赫兹透射信号可以清晰地分辨出单层石墨烯与少层石墨烯。甚至对于厚度达到1 μm的超导金属铌薄膜也可以探测到微弱的太赫兹透射信号，这都得益于原子超外差太赫兹探测器的高灵敏度。总之，本文采用的基于原子超外差探测太赫兹测厚技术，在有机材料缺陷检测、涂层材料测厚及二维材料参数测量等方面都具有重要的应用价值。

图1 实验方案 (a) 实验能级图；(b) 实验装置示意图

同行评价

论文基于室温原子的超外差方法，实现了太赫兹电场高灵敏探测，提出了一种基于原子超外差的精确测量材料透射率，从而实现对材料厚度的高精度测量方法。实验测量了蓝宝石晶体材料和聚四氟乙烯有机材料的厚度，并且可以通过透射率的测量分辨出单层石墨烯与多层石墨烯，甚至可以获得厚度1 μm的超导金属铌薄膜的透射率。太赫兹测厚技术，在有机材料缺陷检测、涂层材料测厚及二维材料参数测量等方面都具有重要意义，该论文用原子超外差实现测厚具有较好的创新性和应用价值，对相关领域的发展具有积极作用。

刘铭婕，田亚莉，王瑜，李晓筱，和小虎，宫廷，孙小聪，郭古青，邱选兵，李传亮

物理学报, 2025, 74(2):023101

doi: 10.7498/aps.74.20241435

cstr: 32037.14.aps.74.20241435

本文采用完全活性空间自洽场(complete active space self-consistent field，CASSCF)和加戴维森校正的多参考组态相互作用(multireference configuration interaction with Davidson correction，MRCI+Q)方法，研究了超氧阴离子(O2-)的低激发电子态及自旋-轨道耦合(spin-orbit coupling，SOC)效应对电子态的影响。使用aug-cc-pV5Z-dk基组，计算了O2-第一和第二解离极限对应的42个Λ-S态的势能曲线(potential energy curves，PECs)以及束缚态的光谱常数。同时考虑SOC效应，计算了这42个Λ-S态分裂形成的84个Ω态的PECs和部分束缚态的光谱常数。其中第一解离极限结果与已有文献高度一致，第二解离极限结果为本文计算提供。这些结果为研究O2-的电子结构和光谱性质提供了重要的理论依据。针对a4∑u-态的双势阱现象，本文通过比较不同基组下的计算结果，证实了a4∑u-态的双势阱形成源于与24∑u-态的避免交叉影响。此外，研究发现基组大小直接影响a4∑u-态的首个势阱深度，这进一步表明基组选择对光谱常数计算的精确性至关重要。本文数据集可在科学数据银行https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00076中访问获取。

图1 O2-，12∑g+与22∑g+态PECs

同行评价

本文采用MRCI+Q 计算方法研究了O2-的低电子态及自旋轨道耦合效应对电子态的影响，展示能量最低的两支解离极限对应42个电子态的势能曲线，以及考虑SOC之后的84个Ω态的势能曲线以及部分束缚态的光谱常数。对于相同对称性的电子态之间的避免交叉现象进行了研究，探究了对a4∑u-态的双势阱现象。同时证明了基组的选择对于光谱常数计算精确性的影响。这些高精度的从头计算不仅有助于了解O2-的电子结构、激发态的电子性质，还可以深入了解其他具有相同价电子的双原子分子。

余慧芬，祁核，涂小牛，张海波，陈大力，吴捷，陈骏

物理学报, 2025, 74(2):027702

doi: 10.7498/aps.74.20240906

cstr: 32037.14.aps.74.20240906

压电振动传感器与其他振动传感技术相比具有频率范围宽、动态范围大、结构简单、工作可靠、体积小等优点，在核电行业、航空航天、轨道交通及国防军工等多个领域有着广泛的应用。然而，随着振动测试技术的飞速发展以及应用领域的不断拓宽，对压电振动传感器在极端环境中长时服役的可靠性提出了更高要求，如何提高压电振动传感器的服役温度满足极端环境下的应用需求是目前迫切解决的问题。本文综述了高温压电传感技术应用场景和工作原理，讨论了常见的高温压电陶瓷和晶体材料，系统地总结了现有的压电振动传感器工作模式、不同类型压电振动传感器结构及传感器振动校准装置，重点介绍了近年来国内外高温振动传感器的研究进展。在此基础上，探讨了高温压电振动传感器当前面临的问题及未来发展趋势，为开发下一代极端环境应用的超高温振动传感器提供了思路，有望促进国内高温压电振动传感技术的进一步研究。

图1 高温振动传感器应用场景

同行评价

高温振动传感器在航空发动机、核电机组等国家重大战略装备中具有不可或缺的作用，其在基础科研和应用研究方面都是较为热门的课题。本文作者通过梳理当前高温压电材料及高温压电振动传感器研究进展，对不同类型高温压电振动传感器结构、优缺点、应用场景都进行汇总，探讨了国内高温压电振动传感器实际应用中存在的困难及未来发展趋势，为我国高温振动传感器的国产化以及开发下一代极端环境下装备应用的超高温振动传感器提供了思路，对从事压电材料和智能传感器研究的读者具有很好的指导作用。

物理学报, 2025, 74(2):025201

doi: 10.7498/aps.74.20241330

cstr: 32037.14.aps.74.20241330

在霍尔推力器中，电子漂移、电子碰撞，以及等离子体密度、温度、磁场梯度所蕴含的自由能会驱动各种频率和波长的不稳定性。不稳定性的存在会破坏等离子体的稳定放电，削弱推力器与电源处理单元的匹配度，降低推力器的性能。基于此，本文利用基于流体模型推导的色散关系研究了霍尔推力器中由电子碰撞、等离子体密度和磁场梯度驱动的不稳定性。结果表明：1) 在考虑电子惯性、电子与中性原子的碰撞，以及电子E×B 漂移时能够在推力器近阳极区到羽流区内的任一轴向位置处激发不稳定性。随着角向波数ky的增大(k = 2π/λ，λ为波长)，模式将从由碰撞激发的低杂波不稳定性转变为离子声波不稳定性。当ky = 10 m-1时，最大增长率γmax对应频率ωr随着碰撞频率νen的增大而轻微减小；当ky = 300 m-1时，γmax对应的频率ωr以及最大频率ωrmax 几乎不随碰撞频率变化。不依赖于ky的大小，对于碰撞激发的不稳定性，模式的增长率随着碰撞频率的增大而增大。2) 同时考虑电子惯性、电子碰撞效应，以及密度梯度时，密度梯度对驱动不稳定性占主导作用。模式的动力学行为不会随ky的增大而变化，但模式的本征值随ky的增大而增大。在密度梯度κN = 0的两侧，由于密度梯度引起的抗磁性漂移频率ωs的符号发生了变化，模式的本征值在κN = 0两侧有相反的变化趋势：当ω*与ωr符号相反时，密度梯度对不稳定性的激发有削弱作用(κN >0)；当ω*与ωr符号相同时，密度梯度对不稳定性的激发有增强作用(κN

图1 模式频率和增长率在相空间中的变化

同行评价

编辑推荐

基于空间增殖系数修正的钚材料快中子多重性测量

李凯乐，黎素芬，蔡幸福，霍勇刚，王飞

物理学报, 2025, 74(2):021401

doi: 10.7498/aps.74.20241529

cstr: 32037.14.aps.74.20241529

快中子多重性测量技术是军控核查领域一项重要的无损检测技术，可用于核材料的质量衡算。但该方法是基于点模型假设建立的，会造成系统偏差。为修正偏差提升测量精度，本文对两种不同形状的样品进行了快中子多重性模拟测量，得到了材料空间体积内中子产生、吸收和净增长随位置的变化关系，发现了中子泄漏增殖系数的空间变化规律。根据中子多重性阶乘矩与待测参数间的函数关系，提出了一种基于空间增殖系数修正的方法，通过引入修正因子gn，推导了快中子多重性加权点模型方程。为验证该方法的准确性，本文通过Geant4搭建了一套测量模型，对球体和圆柱体两种形状的公斤级钚样品进行了模拟测量。结果表明，快中子多重性加权点模型方程的测量精度高于点模型方程，测量偏差缩小至6%以内，提供了一种求解公斤级钚样品质量的优化方法，推动了快中子多重性测量技术向前发展。

图1 泄漏增殖系数拟合结果

同行评价

论文首先对钚材料的中子空间增殖效应进行了分析，在此基础上，提出了基于n阶增殖系数的修正因子，推导了快中子多重性加权点模型方程，并通过模拟计算进行了验证，结果表明该方法有效降低了快中子多重性对大质量样品的求解偏差。论文的研究内容针对性强，相关研究具有较高的参考价值，可应用于核保障监督和核军控等领域。

编辑推荐

低能电子在直径为800 nm的聚对苯二甲酸乙二醇酯纳米微通道中的输运过程

李鹏飞，刘宛琦，哈帅，潘俞舟，樊栩宏，杜战辉，万城亮，崔莹，姚科，马越，杨治虎，邵曹杰，Reinhold Schuch，路迪，宋玉收，张红强，陈熙萌

物理学报, 2025, 74(2):024101

doi: 10.7498/aps.74.20241196

cstr: 32037.14.aps.74.20241196

研究了2 keV电子在直径为800 nm，长度为10 μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)纳米通道中的输运过程。结果表明，当纳米微通道倾角为0°时，穿透电子的穿透率可达10%，而当倾角大于几何张角时，穿透电子的透射率小于1%。穿透电子角分布中心没有随微孔倾角的变化而移动，因此没有如在正离子的情况下那样观察到绝缘微孔对电子的导向效应。在充电达到稳态时，当微孔倾角小于几何张角时，电子分裂成上下两个电子斑。穿透电子的全角分布的时间演化表明，在充电开始时，穿透电子为单电子斑。随着入射电荷量(充电时间)的累积，穿透电子被上下拉伸，并逐渐分裂成两个电子斑。当纳米微孔的倾角超过几何张角时，穿透电子的分裂趋于消失。对电子造成微孔内壁上的电荷沉积的模拟计算表明，微孔表面被激发出大量空穴，形成正电荷累积；而部分入射电子沉积于表面以下更深处，形成负电荷层，因此不利于产生类似正离子的导向效应。本文还讨论了造成穿透电子角分布上下分裂的可能原因，并据此提出验证电子和离子充电机制不同的新的实验方法。研究结果为利用绝缘微通道控制电子传输技术的发展提供了支撑。

图1 倾角为0°时，穿透电子分布示意图

同行评价

文章对目前带负电的粒子在绝缘纳米微孔膜传输机制研究中的一些问题做了比较详细的说明，利用实验结果与模拟结果对其中的一些问题做了回应，并讨论了实验过程中穿透电子角分布上下分裂的原因。研究结果可为利用绝缘微通道控制电子传输技术的发展提供参考。

张凯，徐鹏，关学锋，杜玉群，王轲杰，陆勇俊

物理学报, 2025, 74(2):020201

doi: 10.7498/aps.74.20241275

cstr: 32037.14.aps.74.20241275

锂离子电池中的电极总是处于特定的约束当中，这些约束既包括电池内部不可避免的被动结构约束，又包括一些新兴技术应用场景可能赋予的外部主动约束。本文主要利用化学-力学双向耦合的基本假设建立描述双层电极结构的理论模型，考虑4种不同强弱的理想化变形约束作为其边界条件，并通过数值求解研究在充电过程中这些外部约束对双层电极中Li扩散和应力的影响。从力学的角度，所研究的双层电极结构存在侧向伸缩和弯曲变形两个自由度，弱化的约束条件能够部分或完全激活这些应力释放机制，从而降低电极结构整体的应力水平，并提升结构的力学稳定性。然而，从电化学的角度，电极结构的正向弯曲变形所产生的应力梯度会阻碍嵌Li过程，强化的约束能够部分或完全抑制电极的正向弯曲，使活性层内Li浓度更加均匀，从而提高活性层的容量利用率。这些结果不仅为进一步理解双层电极在更加真实或极端服役条件下的化学-力学响应提供理论参考，还从设计的角度表明折中的外部约束有利于平衡电极的结构耐久性和电化学性能。

图1 (a) 活性层与集流体构成的双层电极横截面示意图(1，2分别代表活性层和集流体)；(b) 四种电极的约束情况

同行评价

本文主要讨论了四种力学约束对锂离子电池双层电极中锂扩散和应力的影响，是一篇偏应用的理论工作。文章结构合理，逻辑清晰，行文流畅，讨论充分可靠。

编辑推荐

邹文静，赵玉康，吴有智，张材荣

物理学报, 2025, 74(2):028101

doi: 10.7498/aps.74.20241294

cstr: 32037.14.aps.74.20241294

通过超薄层插入与掺杂相结合的方式，分别以激光染料DCM(4-(Dicyanomethylene)-2-methyl-6-(4-dimethyl-aminostyryl)-4H-pyran)、铱配合物Ir(ppy)3(tris(2-phenylpyridine) iridium)和联苯乙烯衍生物BCzVB(1,4-bis[2-(3-N-ethylcarbazoryl)vinyl]benzene)为红色、绿色和蓝色发射体，制备了磷光敏化荧光白色有机电致发光器件（OLED）。通过改变DCM超薄层在CBP:Ir(ppy)3掺杂层中的插入位置实现了白色发光，最高外量子效率为2.5%(电流效率为5.1 cd/A)，最高亮度为12400 cd/m²，且其中一种器件在1 mA/cm²的电流密度下，国际照明委员会(Commission Internationale de L'Eclairage，CIE)坐标达到了理想白光平衡点(0.33，0.33)。白光的获得归因于Ir(ppy)3适合的掺杂比例和DCM适合的插入位置，较好地均衡了红、绿、蓝三基色发光比例。结果表明，通过磷光敏化荧光实现三线态激子将部分能量传递给单线态激子，可望实现高效率白色有机电致发光器件，从而降低能耗并为促进OLED的应用提供更多空间。

图1 (a) OLED器件结构示意图；(b) OLED器件能级结构示意图

同行评价

本文通过超薄层插入与掺杂相结合的方式，探索实现白色发光的可行性。研究显示在这种结构器件中可载流子以在多区域复合，结合能量传递和敏化发光，可以调节红、绿、蓝三基色发光比例，并且在特定电流下得到标准白色发射。该工作为白光发光器件实现提供了一个参考方案，是一个很有意义的工作。

物理学报, 2025, 74(2):027501

doi: 10.7498/aps.74.20241340

cstr: 32037.14.aps.74.20241340

稀土元素具有相似的基态电子性质，其独特的镧系收缩效应可以降低高熵材料中稀土元素的混合焓，这对于制备廉价且高性能的高熵稀土金属间化合物至关重要。本文在分析磁化和反磁化曲线的基础上，辅以Henkel曲线和磁黏滞系数S计算，研究了Nd11.76Fe82.36B5.88(NdFeB)，以及高熵稀土永磁合金化合物(La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Dy0.2)11.76Fe82.36B5.88和(La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Tb0.2)11.76Fe82.36B5.88等快淬条带的反磁化机理。研究结果发现，与纯NdFeB相比，高熵稀土永磁材料的晶间耦合作用显著增强，而磁偶极相互作用减弱。这表明，含重稀土的高熵材料中元素扩散机制在使样品均匀化的同时，其矫顽力有大幅度提高，矫顽力机制为硬磁相晶粒中的反磁化畴形核。(La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Dy0.2)11.76Fe82.36B5.88的磁黏滞系数大于纯NdFeB，(La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Tb0.2)11.76Fe82.36B5.88由于硬磁相反转与磁晶间耦合作用不同步，导致样品在具有较大各向异性场的同时，磁黏滞系数较小。这表明高熵稀土永磁材料的反磁化机理与传统稀土永磁材料显著不同，值得进一步深入研究。