物理学进展

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金属卤化物钙钛矿半导体中的自陷激子

张清凯, 王宇箫, 张春峰

物理学进展 2023, 43 (6): 161-177. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.06.001

摘要（578）

PDF （9908KB）（775）

在极性晶体中，由于强电子–声子耦合，激发的电子–空穴对可以被晶格畸变产生的形变势场所俘获，形成自陷激子。金属卤化物钙钛矿半导体作为一种离子晶体已经被证实具有高效的自陷激子发光，成为制备新一代高质量白光光源的理想候选材料。然而，对于金属卤化物钙钛矿中自陷激子发光机制的理解仍然较为匮乏，远远落后于器件方面的发展。为此，本文主要从自陷激子的基础物理角度出发，总结了近年来关于金属卤化物钙钛矿半导体中自陷激子的形成条件、形成机制以及相关激发态动力学的研究进展，并对未来基于该体系中自陷激子机理方面的研究做出展望，从而为该体系中自陷激子的研究提供更加清晰的物理图像。

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钙钛矿太阳能电池的稳定性因素及封装提升性能

戴加祺, 章东, 吴小山

物理学进展 2024, 44 (1): 19-48. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.01.003

摘要（814）

PDF （5083KB）（615）

钙钛矿太阳能电池作为第三代新概念太阳能电池，具有光电转换效率高、成本低和加工灵活等优点，近年来发展迅速，虽然其光电转换效率逐渐可与硅电池相媲美，已接近工业应用水平，但钙钛矿太阳能电池工业应用核心问题是其稳定性。如何使钙钛矿太阳能电池长期保持高效率是研究人员需要解决的最大问题。目前，封装作为解决钙钛矿太阳能电池外部稳定性问题的手段之一已经被广泛研究，良好的封装不仅可以解决器件的稳定性问题，还可以保证器件的安全性，延长使用寿命。本文简要介绍了影响钙钛矿太阳能电池稳定性的因素及稳定性测试的条件。最后介绍了钙钛矿太阳能电池的不同封装结构、封装工艺和封装材料对封装性能的影响。随着封装研究的不断深入，研究人员将不断优化和解决存在的问题，最终实现钙钛矿太阳能电池的大规模产业化应用。

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空间认知的吸引子动力学

王子群, 王涛, 刘锋

物理学进展 2023, 43 (6): 188-201. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.06.003

摘要（453）

PDF （3411KB）（593）

哺乳动物的导航系统包含多种类型的神经元，负责位置感知和空间路径规划，涉及多信息整合。吸引子动力学理论作为一个能统一解释记忆、决策等复杂认知功能的脑理论，可以解释导航系统中神经元的特异性放电和路径整合机制。本文综述了空间认知领域吸引子动力学的最新研究进展。首先，概要介绍了计算神经科学和吸引子动力学的一般理论。接着，以哺乳动物导航系统的连续吸引子动力学为核心，深入探讨了头朝向细胞和网格细胞的放电动力学特征及其功能意义。在此基础上，对导航系统吸引子理论进行了拓展与展望。

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卤化物钙钛矿金属位铋离子掺杂的调控研究进展

黄小芮, 孙悦, 贺圣荣, 邢军

物理学进展 2024, 44 (2): 73-95. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.02.002

摘要（297）

PDF （8816KB）（456）

高性能金属卤化物钙钛矿太阳能电池目前正从实验室研发向工业生产转型，并在未来全球能源领域展示了其不可估量的应用价值。为了实现高性能的金属卤化物钙钛矿太阳能电池，钙钛矿材料作为有源工作层，其性能的提高和优化过程经过了十几年，并已取得巨大的进步。本文以高性能卤化物钙钛矿中金属位铋离子掺杂的调制研究为重点，系统总结了卤化物钙钛矿薄膜的发展和常规制备工艺。研究表明，三元阳离子钙钛矿可以抑制黄相的形成、改变晶粒尺寸、提高稳定性等特点，成为未来高性能钙钛矿光电器件的首选。文章还对铋离子 (Bi3+) 掺杂钙钛矿体系进行了讨论，研究发现 Bi3+ 的特殊电子结构和无毒化学性质，不仅能够提高钙钛矿的稳定性，还能灵活调控钙钛矿的光电性能，从而实现铋离子掺杂的高性能钙钛矿太阳能电池。结合目前卤化物钙钛矿太阳能电池的研究现状，我们可以预见在未来的器件优化过程中，可以将铋离子掺杂策略与三元混合阳离子钙钛矿相互结合。最后，我们展望了实现高性能金属卤化物钙钛矿太阳能电池的几个潜在研究方向。

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压电材料中表面声波的波速测量与调制

王任飞, 刘萧, 吴蒙蒙, 林熙, 刘阳

物理学进展 2024, 44 (3): 103-111. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.001

摘要（260）

PDF （4278KB）（362）

三维固体中除了存在人们熟知的体声波传播模式，还存在能量集中在二维界面的表面声波传播模式。我们利用砷化镓衬底的压电和逆压电效应，通过平面叉指实现了射频电磁波和表面声波之间的相互转化，并搭建超外差电路完成了在边长仅 4 mm 的样品上表面声波波速的测量，结果为 (2.9±0.1) km/s。我们还制作了基于压电陶瓷的单轴应力腔，可以对样品施加最大约为 10 ⁻⁴ 的单轴应变，并观测到了应变对表面声波波速的影响。我们还测量了重要半导体砷化镓在应力下的表面声波波速，演示了该波速测量技术原位探测固体内部力学性质的能力。基于平面叉指换能器的波速测量克服了传统的时差法和驻波法对样品宏观尺寸的要求。本文建立的超外差的测量方法代替了使用商用矢量网络分析仪测量表面声波波速，为以后推广到低功率输入、高相位稳定度的应用场景提供了可能。由于测量装置也可以被用于固体物理相关的前沿实验教学，工作提供了表面声波器件和自制应力腔的细节参数和制作过程。

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黑磷中基于热驱动金属扩散诱导的相变

曹天俊, 单俊杰, 王刚, 林君浩, 梁世军, 缪峰

物理学进展 2024, 44 (1): 1-8. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.01.001

摘要（370）

PDF （6736KB）（357）

二维 (2D) 材料具有原子级平整、可范德华堆叠集成的性质，同时蕴含了丰富的物理现象与优异的电学性质，对其相变行为的研究一直是凝聚态物理与材料科学领域的前沿。本研究中，我们在黑磷 (BP) 中首次实现了基于热驱动金属扩散诱导的阶段式可控相变。通过对 BP-In 界面的热退火处理，我们观察到了从 BP 纯相到 BP/InP 混合相，再到 InP 纯相的阶段式相变现象。利用透射电子显微与拉曼光谱等表征技术，我们对诱导相变产生的机制进行了深入剖析，揭示了 BP-In 中热驱动的金属扩散行为是诱导相变发生的主要原因。通过对热驱动中影响能量供给的两个自由度 (温度与时间) 的精准调控，得到了阶段式相变过程中两个关键的阈值温度 (相变启动与实现纯相转变) 分别为 300 与 350 °C。本研究为 2D 材料体系中相变工程相关的研究提供了新的思路，也为拓展 BP 在电子学与光电子学器件中的应用提供了更多的可能性。

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温稠密物质模拟的第一性原理方法进展

张航, 陈默涵

物理学进展 2024, 44 (2): 49-72. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.02.001

摘要（346）

PDF （2466KB）（345）

温稠密物质 (Warm Dense Matter, WDM) 是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过渡状态的物质，也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科研方向。温稠密物质的量子效应显著，具有部分电离、强耦合、电子简并和热效应等重要的物理性质，因此需要采用量子力学的基础理论来描述。近年来，基于量子力学的第一性原理计算模拟方法发展迅速，逐渐成为了深入理解温稠密物质性质的有效工具。一方面，直接将凝聚态物理和材料科学中广泛适用的第一性原理方法应用于温稠密物质面临着巨大的挑战，特别是在宽温区和极端高压等极端条件下，需要不断改进现有的第一性原理算法和软件。另一方面，基于机器学习的分子动力学方法发展迅速，也给温稠密物质模拟带来了新的工具。在这篇综述中，我们首先回顾了适用于温稠密物质模拟的传统第一性原理方法，包括 Kohn-Sham 密度泛函理论方法和无轨道密度泛函理论方法。其次，我们介绍了近年来发展的新方法和软件，例如改进的第一性原理方法和随机密度泛函理论方法，后者已在国产开源密度泛函理论软件原子算筹 (ABACUS) 中实现。以上新方法可以显著提升温稠密物质的计算规模和效率，从而提升温稠密物质的结构、动力学和输运系数等性质的计算精度。

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磷及磷化物高压结构与性能研究进展

黄叶铧, 郭振源, 李俊凯, 杨欣, 缑慧阳

物理学进展 2024, 44 (3): 123-135. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.003

摘要（194）

PDF （6131KB）（323）

磷作为第五主族非金属元素，具有独特的电子结构和优异的光、电、力学等特性，展现出广泛的应用前景。近年来，研究表明磷及磷化物具有极易受到外场影响和调控的特点, 且在高压条件下具有丰富的物理化学性质。此外，磷及磷化物的独特结构和电子性质使其具有许多不同于传统材料的物理特性。因此，利用高压在磷和磷化物中实现结构转变、超导转变，已然成为高压领域的研究热点。本文以黑磷、锗磷和砷磷等多种典型的磷和磷化物为例，概述了磷和磷化物在高压调控下的结构、电学、光学等方面的响应，讨论其结构与物理性质之间的构效关系，并对未来在高压下磷化物的研究进行展望。

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薄壁量子化方法进展

王永龙, 杜龙

物理学进展 2024, 44 (1): 9-18. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.01.002

摘要（272）

PDF （4146KB）（303）

微纳加工技术的快速发展实现了具有非平庸几何结构的低维材料与结构的制备，使得受几何性质影响的有效动力学问题受到关注。作为研究低维弯曲系统中量子力学的有效方法，薄壁量子化方法，它给出的几何势和几何动量也得到实验的证实。本文将回顾薄壁量子化方法，简述其基本计算框架，明确给出几何量子效应是来自于微分同胚变换和局域标架间的旋转变换。这对于理解引力规范场，演生规范场很有帮助，对理解人工规范场所隐含的几何结构也很有帮助。在特定的量子体系中，几何量子效应可表现为共振隧穿、量子阻塞、量子霍尔效应、量子霍尔黏性、量子自旋霍尔效应和单极磁场等，这些结果从不同角度展示了几何与新奇的物理现象之间的联系。

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单线态裂分中间态的理论研究进展

童磊, 张春峰

物理学进展 2024, 44 (3): 112-122. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.002

摘要（261）

PDF （1708KB）（266）

单线态裂分是指有机材料在光激发后，从一个单重态激子转变为两个三重态激子的光物理过程。该过程有望提高光电转换效率，因而受到了广泛的关注。研究发现单线态裂分中存在一个关键的中间态，而如何构建中间态的波函数则是重要的挑战。本文着重介绍了双激发态波函数构建的两类理论模型，而后讨论了振动、轨道和自旋相互作用对中间态形成和解离的影响。最后总结了进一步的理论研究将面临的挑战。

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高功率激光装置上光致电离等离子体光谱实验的理论研究进

韩波

物理学进展 2023, 43 (6): 178-187. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.06.002

摘要（304）

PDF （5840KB）（191）

光致电离等离子体是宇宙中等离子体的一种重要的存在形式，这种等离子体是一些高能天体发射很强的辐射场照射周围的稀薄等离子体产生的。随着高能量密度物理的发展，2009 年 Fujioka 等人使用高功率激光装置（GEKKO-XII 激光装置）制造出光致电离硅等离子体，并观测到类似于天文观测中的 X 射线光谱。本综述重点总结了 Fujioka 实验以来，各理论工作对实验中 X 射线光谱的模拟结果，并对光致电离等离子体光谱实验方面的研究进行展望。本文期望为相关研究人员深入理解光致电离等离子体光谱发射的物理机制提供参考。

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电子结构对单原子催化剂电催化性能影响的研究进展

何月轩, 王同辉, 文子, 蒋青

物理学进展 2024, 44 (3): 136-156. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.004

摘要（302）

PDF （2081KB）（171）

单原子催化剂由于其独特的电子结构和最高的原子利用率，在各种催化体系中具有广阔的应用前景。调节 SACs 催化剂的电子结构是其进一步发展的关键，可以通过调节电子性质来优化催化剂的吸附能和键能，从而提高催化活性和稳定性。本文通过 SACs 的电子结构及其相关知识，对 SACs 在催化中的作用有了全面的了解。由于电催化是一种减少碳排放和利用可再生能源的技术，并且作为解决日益严重的空气污染问题的方法而受到越来越多的关注，因此高性能催化剂的设计至关重要。为此，讨论了各种电子性质，如能带结构、轨道杂化和相关自旋态等。本文讨论了 SACs 的电子结构对其电化学催化性能的影响，并探讨了其与 SACs 活性和稳定性的关系。了解催化过程中电子结构的基本原理，可以为今后各种催化反应中催化剂的设计提供合理的指导。

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一维自旋轨道耦合费米气体的研究进展

蔡启鹏, 张伟伟, 林良伟, 许益广, 陈紫轩, 王小生, 于海鹏, 方小红, 张义财, 刘超飞

物理学进展 2024, 44 (4): 157-182. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.04.001

摘要（163）

PDF （3164KB）（161）

在超冷费米气体中，通过调节自旋轨道耦合的强度，使其与费米能量相当，可以产生许多新奇的量子效应。在过去几十年里，学者对于一维自旋轨道耦合诱导的费米气体进行了大量的理论和实验研究。与高维自旋轨道耦合相比，一维自旋轨道耦合虽然显得比较简单，但它是实验上探索基本量子物理现象的最可靠和最易行的工具。本文系统地整理了理论工作中一维自旋轨道耦合下费米气体的有趣物理现象。包括动力学振荡和孤子效应、拓扑超流、Majorana 边缘态、铁磁相变和量子相位方面的理论研究。在实验中，如何实现自旋轨道耦合并且观测奇异现象，是研究的热点和难点问题。我们梳理了几种常见的实验方案和检测方法，最后对一维自旋轨道耦合诱导下费米气体方面的研究进行展望。一维自旋轨道耦合可以为初学者提供借鉴，有助于研究自旋轨道耦合调控的多体系统。本文期望为冷原子物理初学者深入理解自旋轨道耦合下多体系统的物理机制提供参考。

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纳米 CMOS 器件中热载流子产生缺陷局域分布的表征

马丽娟, 陶永春

物理学进展 2024, 44 (2): 97-101. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.02.003

摘要（240）

PDF （436KB）（132）

本文针对纳米小尺寸 CMOS 器件，提出了一种根据表面势模型表征热载流子产生电荷陷阱和界面态局域分布的方法。热载流子注入 (Hot Carrier Injectione, HCI) 应力会在栅氧化层和 Si/SiO2 界面中产生电荷陷阱和界面态，随着应力时间递增，这些缺陷的增多引起阈值电压等器件参数的漂移，在漏致势垒降低 (Drain Induced Barrier Lowering, DIBL) 效应下，可以选取表面势最大值处的阈值电压偏移量来表征沟道相应位置处 HCI 致电荷陷阱和界面态。研究发现，通过测量施加 HCI 应力前后器件阈值电压偏移量随源/漏极电压的分布，结合表面势模型计算出源/漏极电压随沟道表面势峰值的分布，可以得到 HCI 致电荷陷阱和界面态沿沟道的局域分布。利用此方法，精确地表征了在 32 nm CMOS 器件中 HCI 应力引起的电荷陷阱和界面态沿沟道的分布，并进一步分析了 HCI 效应的产生机理。

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基于二维 Janus GeS 双层铁电隧道结的电子输运

孙康, 别洁, 吕洋洋, 陈爽, 法伟

物理学进展 2024, 44 (4): 183-207. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.04.003

摘要（103）

PDF （1632KB）（106）

二维范德华 Janus 材料两侧为不同原子，使得其具有内禀的结构不对称性和面外极化。一类新型的二维 Janus 材料 GeS 被发现可用于制备低能耗、高响应速度的铁电隧道结。基于第一性原理计算，我们发现 Janus GeS 双层有三种堆叠模式，它们的横向滑动和垂直位移都可以调节隧道结中的电子输运。此外，基于 GeGe 接触的 GeS 双层的铁电隧道结表现出最高的开/关比。我们的研究将滑移铁电的概念扩展到一类新型的二维范德华 Janus 材料，并揭示了这些材料在实际器件中可能的电阻开关机制。我们的工作为基于二维范德华 Janus 材料的低能耗、快速开关纳米器件的设计提供了理论指导。

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工作记忆的机制与建模方法

杨帆, 钱睿昕, 王涛

物理学进展 2024, 44 (5): 243-258. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.05.002

摘要（107）

PDF （2967KB）（75）

工作记忆是人类认知功能的重要组成部分，涉及在短时间内对信息的存储和加工。延迟响应实验是研究工作记忆的基本实验范式之一，通过在刺激信息与行为决策之间设置一段延迟期，人们可以探究工作记忆系统在延迟期间维持和操纵信息的神经机制。本文概述了延迟响应实验范式，介绍了作为工作记忆关键机制的吸引子动力学。文章系统介绍了两种常用的工作记忆网络分析方法：运动轨迹追踪法和势能景观与环流理论。最后，我们总结了两种动力学方法的特点，并对今后的工作记忆研究方向进行了展望。

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基因转录调控中的输入输出关系研究

周一凡, 孔令行, 吴人杰, 刘锋

物理学进展 2024, 44 (4): 183-196. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.04.002

摘要（134）

PDF （6737KB）（72）

细胞对环境变化的感知和响应是生命活动的核心。基因转录是细胞将外部信号转化为基因表达输出的关键环节，是理解细胞行为的关键。为了解析转录动力学和建立动态的输入输出关系，研究者提出多种转录模型来探究基因对动态调控信号的响应机制。本文将介绍常见的转录模型，展示其计算框架，并详细阐述对应的 mRNA 数量和转录事件持续时间的分布，这对于深入理解输入输出关系和探索潜在的响应机制有重要意义。本文综述不同类型的启动子、同一启动子在不同染色质环境中以及不同网络基序下的响应策略，揭示其调控输入输出关系的规律。对于信道容量接近理论值的系统，信息论的最优解可以揭示转录因子浓度的动态范围、输入输出关系以及基因表达分布的对应关系。通过这些多角度的分析，本文揭示了调控动态输入输出关系的关键因素，促进人们更好地理解基因对转录因子信号的响应机制。定量研究输入输出关系可以识别关键的调控因子、预测基因表达模式的变化，并设计干预措施以调节细胞的功能和行为。

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卤化物钙钛矿单晶及光电探测器：研究进展和挑战

孙悦, 黄小芮, 贺圣荣, 邢军

物理学进展 2024, 44 (5): 209-242. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.05.001

摘要（70）

PDF （15745KB）（43）

近年来，由于金属卤化物钙钛矿材料展现出了优异的光学和电学特性 (如高吸收系数、长载流子扩散长度、小激子结合能、高缺陷容限、可调带隙等性质)，以及其具有低成本的溶液制备工艺，使其在光探测、光电转换和光发射等领域取得了巨大的科研进展。与钙钛矿多晶薄膜相比，钙钛矿单晶具有更长的载流子寿命、更高的载流子迁移率、更长的扩散长度、更低的陷阱密度等优势，从而促进了近十几年来钙钛矿单晶制备和优化的相关研究，并将高质量卤化物钙钛矿单晶广泛应用在光探测等重要应用领域。在这篇综述中，我们聚焦基于不同形式、不同化学组分卤化物钙钛矿单晶 (包括单晶块体和单晶薄膜) 的光电探测器技术领域的最新进展，首先系统综述了卤化物钙钛矿单晶的制备和优化进展，重点关注了三元阳离子杂化钙钛矿单晶的最新进展，然后全面介绍了基于钙钛矿单晶的各类型光电探测器研究现状，最后总结了卤化物钙钛矿单晶光电探测器研究领域目前面临的挑战并进行了展望，有望推动该领域的快速进步和发展。

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