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关键词： 模拟计算   自旋轨道力矩器件   模拟乘法器   模拟加/减法器   幅值调制   边缘提取   人工突触  

摘要： 随着物联网和人工智能时代的到来,基于冯诺依曼结构的数字计算在处理海量信息时需要消耗大量的能源和时间。另一方面,摩尔定律逐渐走到尽头,硅基晶体管性能无法大幅提升。基于新兴非易失器件的存内模拟计算作为一种新的范式逐渐回归,有望实现高能效、高时效的计算。其中,自旋轨道力矩器件因其读写路径分离,低功耗、高速度、高稳定性和耐久性等受到了广泛关注。 目前,存内模拟计算中,模拟算术运算和基于模拟式人工突触的神经形态计算是两个重要研究方向。模拟算术运算主要通过多个分离单元组成的电路实现,存在面积开销大,时间延迟高等问题;模拟式人工突触主要基于新兴非易失器件来实现乘积操作,然而存在线性度和对称性较差、需要初始化或者外磁场辅助等问题,影响了人工神经网络的精度,限制了其应用。 针对上述问题,本论文首先研究了磁场辅助下自旋轨道力矩操控磁性体磁化状态的改变,建立了磁场与自旋轨道力矩器件电阻之间的线性关系,实现了器件对磁场的线性感知或磁场对器件阻值的线性调控;进而基于器件对磁场的感知,实现了对三维磁场的探测,并研究了电流致磁场感知,建立了电流和器件电阻之间的线性关系,从而实现了器件对电流的线性感知或电流对器件阻值的线性调控;然后基于器件对电流的线性感知,制作了存内模拟乘法器和加/减法器,并实现了信号的幅值调制和图片的边缘提取;最后基于电流对器件电阻的线性调控,实现了人工突触功能。 首先,基于Ta/CoFeB/MgO/Ta(W/CoFeB/MgO/Ta)材料中的磁畴壁移动(成核)机制研究了自旋轨道力矩操控磁体磁化状态的改变,并建立了磁场和器件电阻之间的线性关系。随后,基于器件对磁场的线性感知,利用单器件实现了对三维磁场的探测。并基于电流致磁场感知研究,建立了电流和器件电阻之间的线性关系。 进一步地,基于电流感知,实现了存内模拟乘法器和加/减法器。模拟乘法器通过测试器件的反常霍尔电压可以得到两个电流输入信号的乘积,并实现了信号的幅值调制。模拟加/减法器利用基尔霍夫电流定律,实现了多输入的模拟加/减法,并实现了对图片的边缘提取。最后,基于电流对器件阻值的高线性和对称性的调控,将器件作为突触,阻值作为权重构建人工神经网络,对手写体数字的识别率达到95%。 本论文的研究揭示了自旋器件基于感知功能实现存内模拟计算的可行性,为自旋技术用于发展新型计算范式开辟了思路。

关键词： γ′-Fe4N   柔性自旋阀   磁性   磁电阻   弯曲应变  

摘要： 由于具有高居里温度、高饱和磁化强度、高自旋极化率和大磁致伸缩系数,γ′-FeN在自旋电子器件中存在重要的应用价值。作为自旋电子学的新兴分支,柔性自旋电子学不仅具备传统自旋电子学利用电子自旋的优点,还为自旋电子学与机械性能之间的耦合搭建了桥梁。柔性自旋阀作为柔性自旋电子器件的重要组成部分,是柔性自旋电子学领域的研究热点之一。迄今为止,基于γ′-FeN薄膜的柔性自旋阀还未被研究。本论文利用对向靶磁控溅射法制备了Co/Cu/γ′-FeN/云母柔性自旋阀,系统地研究了Co/Cu/γ′-FeN/云母柔性自旋阀的磁性和电输运特性及应变调控,为γ′-FeN薄膜在柔性自旋电子器件中的应用提供了实验依据。本论文的主要内容如下:由于铁磁性Co和γ′-FeN薄膜之间存在相反的自旋散射不对称性系数,Co/Cu/γ′-FeN/云母柔性自旋阀的磁电阻为负。随着Co薄膜厚度的减小,柔性自旋阀的磁电阻由负变为正。正磁电阻一方面来源于Co/Cu界面自旋散射不对称性系数的改变,另一方面可能与Co和γ′-FeN薄膜之间的非共线初始磁化构型相关。Co/Cu/γ′-FeN/云母柔性自旋阀的磁电阻来源于各向异性磁电阻和巨磁电阻。各向异性磁电阻与Co薄膜的厚度相关,随着Co薄膜厚度的减小,界面散射增强,Co(2.4)/Cu(7.5)/γ′-FeN(7.9)/云母柔性自旋阀的各向异性磁电阻消失。Co/Cu/γ′-FeN/云母柔性自旋阀的磁滞曲线表明,在磁场变化过程中Co和γ′-FeN薄膜的磁化强度方向分步翻转,γ′-FeN薄膜的磁化强度方向优先于Co薄膜发生翻转。弯曲应变可以有效地调控Co/Cu/γ′-FeN/云母柔性自旋阀的磁性和磁电阻。在弯曲应变下,Co(4.8)/Cu(7.5)/γ′-FeN(7.9)/云母和Co(4.8)/Cu(7.5)/γ′-FeN(11.0)/云母柔性自旋阀的面内磁滞曲线分别表现出机械鲁棒性和机械可调性。重复弯曲100次和连续弯曲60小时后,柔性自旋阀的磁性稳定,表明Co/Cu/γ′-FeN/云母柔性自旋阀的机械性能稳定。与未弯曲状态下的磁电阻相比,在曲率半径为7 mm的拉应变下,Co(4.8)/Cu(7.5)/γ′-FeN(7.9)/云母和Co(4.8)/Cu(7.5)/γ′-FeN(11.0)/云母柔性自旋阀的磁电阻分别提高了14%和49%。

关键词： 自旋轨道力矩   自旋霍尔效应   自旋泵浦   侧跳散射   二次谐波霍尔电压测试法  

摘要： 自旋电子学领域最近引起了极大的关注,因为它能够在缩小技术规模的同时,解决当前电子电路中功率耗散增加的问题。基于自旋电子学的结构利用电子的自旋自由度,使其具有零待机泄漏、低功耗、良好的读写性能、非易失性,以及与当前基于CMOS技术的电子电路易于三维集成的特点。所有这些优势推动了在存储单元中使用自旋电子器件的积极研究活动,也改变了未来内存中处理架构的概念。本文对用于新型磁随机存储器(magnetic random access memory,MRAM)的自旋轨道力矩(spin orbit torque,SOT)效应进行探索,着重研究了自旋轨道力矩器件的制备工艺和测试方法,并探索用于自旋轨道力矩器件巨自旋霍尔材料。首先,从SOT的基本理论出发,理解了SOT引起的磁化动力学、SOT的微观来源以及SOT的测试方法。SOT就是自旋电流与磁化矢量之间角动量的传递。而自旋流的产生来源于两种物理机制:非磁性层的自旋霍尔效应和非磁性层/磁性层界面的逆自旋电偶效应。其次,通过推导谐波霍尔电压分析法测试器件自旋轨道力矩大小的理论公式,搭建了二次谐波霍尔电压测试系统,并研究了具有垂直各向异性的SOT器件的制备工艺,通过测试出的二次谐波霍尔电压曲线与理论公式的比较,验证的测试系统的正确性。最后,研究了用于SOT-MRAM的自旋霍尔材料,通过磁控溅射镀膜系统制备了具有巨大自旋霍效应的新型Pt(TiO)纳米复合材料,并通过自旋泵浦效应和逆自旋霍尔效应评估了Pt(TiO)的自旋霍尔角,最终得到的自旋霍尔角可以达到1.6,相对于纯Pt提高了一个数量级。通过二次谐波霍尔电压法和电流诱导的磁化翻转测试研究了Pt(TiO)纳米复合材料在Pt(TiO)/Co/Pt器件中SOT效应。二次谐波霍尔电压测试结果与自旋霍尔角评估的结果一致,并且Pt(TiO)/Co/Pt的临界磁化翻转电流密度低至2.5×10A/cm,相对于纯Pt降低了一个数量级。巨大的自旋霍尔角、低的电阻率以及与半导体工艺良好的兼容使Pt(TiO)在SOT-MRAM器件上有良好应用前景。之后通过自旋霍尔效应外禀机制的物理公式分析了Pt(TiO)中巨大自旋霍尔效应的来源,Pt(TiO)中巨大的自旋霍尔效应来源于Pt中TiO杂质引起的侧跳机制的增强。

关键词： 硅锗纳米晶体   氢化富勒烯   结构搜索   Hubbard模型   高自旋态  

摘要： 碳族纳米材料结构丰富,性能独特。通过结构优化和性能设计可以拓展碳族材料在高性能器件中的应用。原子吸附、替换掺杂带来的结构多样性,可以有效调控体系的性质,同时也让结构变得更加复杂,因为数目庞大的候选结构使得对体系的系统研究变得困难。对于sp3杂化的氢饱和硅锗纳米晶体（SixGeyHz）,量子限域效应可以使体系的发光性质随尺寸变化,而硅锗原子的分布可以进一步影响发光性能;对于sp2杂化的富勒烯(C60),氢原子的表面吸附使部分碳原子出现sp3杂化,而结构的限制导致特定体系的π电子无法完全配对,出现高自旋态。因此可以通过控制氢化富勒中氢原子的分布来设计具有磁矩的分子。通过基于结构识别的第一性原理计算和有效相互作用模型,本文研究了硅锗纳米晶体的稳定结构及电子性质,确定了给定氢原子数目时氢化富勒烯可以达到的最大磁矩,相关研究结果将为碳族纳米材料的设计研发提供理论依据。为了提高结构搜索效率,我们发展了团簇和晶体中基于对称性的结构识别方法,实现结构遍历,做到不重不漏。基于团簇的对称性,我们利用距离矩阵找到了所有的对称操作对应的原子置换操作,得到了团簇的对称操作表。利用对称操作表可以对团簇中的吸附和替代的结构进行枚举和去重。结合利用有限群的群链结构的有效算法,可以将具有指定点群对称性的结构生成出来。在晶体结构的研究中,利用Hermite标准形,我们得到给定扩胞倍数的所有晶胞。检查晶体的对称性可以对晶胞进行去重,晶胞对应的原子对称操作表可用于对合金结构的结构生成和去重。通过晶胞扩充的方法,我们给出了晶格匹配的通用流程,确定了硅烯在Ag（111）面上可能的匹配晶格结构。相关程序的开发为结构搜索和材料设计奠定了工作基础。对于不同尺寸、形状的SixGeyHz纳米晶体,我们研究了硅、锗原子分布对体系稳定性和电子性质的影响。第一原理计算结果表明,键能模型可以准确、高效评估硅锗纳米晶体的能量。利用键能模型分析不同替代位点的稳定性差异,我们发现稳定结构中的硅原子倾向于处在与较多氢原子成键的位置,合理解释了稳定结构对应的硅、锗原子比例和分布。考虑不同化学势情况下自由能的变化,我们得到了硅锗纳米晶体的化学势相图,探究了稳定结构随环境的演化情况。通过硅锗纳米晶体的能隙计算,发现体系能隙会随不同原子分布情况而变化,但尺寸效应依然占据主导地位,使得纳米晶体的能隙随体系尺寸（原子数目）增大逐渐变小;在原子数目相同时,不同形状体系的能隙分布会随着表面积的增大而逐渐增大。此外,我们考虑温度对纳米晶体能隙的影响,得到了室温下稳定结构的发光性质。结合第一原理方法和Hubbard模型,我们发现氢化富勒烯C60H_n中可能存在未成对电子,出现高自旋的电子态。由于第一性原理计算该体系磁基态时很依赖初始磁矩设置,我们采用Hubbard模型来确定各种磁构型的初始磁矩分布。通过对C60H2体系所有的23种结构的磁基态计算,我们发现了9个具有高自旋态的结构和一个反铁磁构型的结构。建立相互作用模型可以预测出现磁矩的C60H_n中氢的吸附位点。通过对n=3,4体系的第一原理计算,我们确认该模型可以较好地描述C60H_n的磁相互作用。利用模型结论对n>4的情况进行了结构筛选,在n<6时找到了单个分子内未成对电子数目和吸附的氢原子数目相同的结构。我们的结果将为实验中基于氢吸附富勒烯体系磁性器件设计提供参考。

关键词： 青少年心理学   抑郁情绪   积极表象脚本   行为激活能力  

摘要： 背景与目的：　　近年来，青少年抑郁检出率高居不下，且呈持续上升趋势，再加上新冠疫情肆虐，致郁因素的增加更是导致抑郁群体比重的加重。积极表象脚本技术能够缓解抑郁青少年的情绪状态，提高行为激活水平。为了探究积极表象干预技术对抑郁青少年个体心理健康的干预效果。本文一共进行了两个研究，第一个修订中文版未来事件影响力量表，用于评估个体侵入性前瞻性心理表象。第二个研究考察积极表象干预技术对抑郁情绪个体的线下干预效果。本研究首次将积极表象脚本技术线下应用于青少年抑郁情绪个体，并将积极表象脚本干预技术以微课的形式制成积极表象脚本训练方法，为促进青少年心理健康教育提供了新思路。　　方法：　　(1)研究一选取1124名中国被试完成中文版未来事件影响力量表，贝克抑郁量表第二版，特质焦虑量表。　　(2)研究二采用2(组别：干预组，对照组)×4(时间点：T1，T2，T3，T4)不等组随机对照试验设计，对干预组(34人)进行积极表象脚本干预，对照组(19人)采用等待干预的方法，即实验结束后，对照组被试可自愿决定是否接受表象脚本干预或心理咨询。施测时间为4个时间点，分别为T1(实验干预前)、T2(两次实验干预后施测)、T3(4周后的追踪)和T4(8周后的追踪)。主要因变量为行为激活和抑郁水平，其他因变量为侵入性表象、未来事件的影响、冗思、青少年过往生活事件。　　(3)结合研究二的成果，将积极表象脚本技术运用至中学生心理健康教育的实施过程中，结合当前常态化疫情防控形势，通过网络微课途径，以表象脚本训练的方式进行普及和运用，丰富心理健康教育形式，辅助实现心理健康教育的总目标。　　结果：　　1、中文版未来事件影响力量表的信效度均符合心理测量学统计标准，总量表内部一致性信度为0.868，未来期望因子内部一致性信度为0.794，过度唤醒因子内部一致性信度为0.833，未来回避因子内部一致性信度为0.857。重测信度为0.83。探索性因素分析得到三因子模型，各项目因子载荷均大于0.5。验证性因素分析结果显示，中文版IFES三因子模型最优，具体为：?2/df=3.334，TFI=0.900，CFI=0.913，RMSEA=0.064，SRMR=0.065。通过ROC曲线分析发现，IFES-C评分对抑郁和焦虑具有一定预测价值，在抑郁上，最佳临界值为32分，在焦虑上，最佳临界值为25分。　　2、积极表象脚本技术的线下干预对青少年抑郁情绪及抑郁行为激活有一定的效果。在抑郁情绪中，时间点主效应显著(F(3,52)=56.023,P＜0.001,η2=0.523)，T2、T3和T4效果显著大于T1(P＜0.01)，即干预后效果显著大于干预前。在行为激活中，时间点主效应显著(F(3,52)=30.061，Plt;0.001，η2=0.371)，T2、T3、T4效果显著大于T1(P＜0.05)，即干预后效果显著大于干预前。中介模型发现，冗思在积极表象脚本干预与抑郁个体的抑郁情绪(CI=[-0.56,-0.01])和行为激活水平(CI=[0.01,0.49])之间起部分中介作用，未来事件影响力在积极表象脚本干预与抑郁个体的抑郁情绪(CI=[-1.21,-0.41])和行为激活水平(CI=[0.41,1.23])之间起完全中介作用。　　结论：　　(1)IFES中文版由未来期望因子、过度唤醒因子和未来回避因子构成三维度，量表的信度较好，结构稳定，适用于中国人评估个体侵入性前瞻性心理表象的研究，且IFES-C对抑郁和焦虑具有一定的预测意义。　　(2)使用积极表象脚本干预技术对青少年抑郁情绪个体进行线下干预，可以帮助青少年缓解抑郁情绪，提高行为激活能力。在追踪两个月内，干预效果稳定。冗思在积极表象脚本干预与抑郁个体的抑郁情绪和行为激活水平之间起部分中介作用，未来事件影响力在积极表象脚本干预与抑郁个体的抑郁情绪和行为激活水平之间起完全中介作用。　　(3)基于研究的结果，将积极表象脚本干预技术与微课相结合。探索新的提高中学生心理健康教育方式，供广大心理健康工作者参考学习，以期能够降低抑郁青少年抑郁水平，保障中学生的身心健康发展。

关键词： 量子力学  

ISBN: (纸本)9787313267665

摘要： 本书聚焦量子力学中的方法论在核物理与核天体物理前沿课题中的应用，研究范围小到费米尺度的原子核及其在极端条件下的新物理和新现象，大到半径在10公里左右的中子星，涉及从微观到宇观的前沿热点问题。本书基于量子力学的基本原理和方法论，融合作者团队的最新研究成果，以专题的形式介绍量子力学方法论在5个方面的前沿应用，包括变分法及其在对关联中的应用、量子散射Glauber理论及其对晕核反应可观测量的描述、量子电磁辐射跃迁理论及其在俘获反应中的应用、量子力学的半经典WKB近似及其对核子衰变宽度的描述，以及相对论平均场理论在中子星物理中的应用。

关键词： 经皮椎体后凸成形术   骨质疏松性椎体压缩骨折   聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥   骨水泥量   有限元技术   低温骨水泥灌注技术   生物力学   绵羊  

摘要： 目的:在快速康复理念下,结合理论和实际,通过生物力学研究探讨低温聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(Polymethylmethacrylate,PMMA骨水泥)联合双侧经皮椎体后凸成形术(Percutaneous kyphoplasty,PKP)作为当前最优配置治疗椎体骨折所需的骨水泥灌注量。方法:选取8只成年绵羊,经筛选椎体T8-L2后最终获得50个椎体,使用拉丁方设计,骨水泥灌注量以占骨折后椎体体积百分比为指标,将椎体分配至第一阶段(5%,10%,15%,20%)和第二阶段(15%,16%,17%,18%,19%,20%)各个组中,通过实验创建骨质疏松性压缩骨折,记录椎体初始强度和刚度、骨折后椎体前缘高度,并使用有限元技术精确计算每个椎体骨折后体积,使用不同体积的低温PMMA骨水泥(占骨折后椎体体积百分比)联合双侧PKP依序治疗第一阶段和第二阶段骨折椎体,然后重新压缩,记录椎体术后强度和刚度、术后椎体前缘高度。结果:(1)所有椎体术前高宽深度、脱钙前后骨密度、强度和刚度比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。(2)术后第一阶段中,20%组椎体强度高于术前,5%,10%,15%组椎体强度低于术前,差异均有统计学意义(P<0.05);术后各组椎体刚度均低于术前,差异有统计学意义(P<0.05);术后各组椎体前缘高度均高于术前,差异有统计学意义(P<0.05);20%与15%组术后椎体强度、刚度及前缘高度比较,差异无统计学意义(P>0.05);20%与10%,5%组术后椎体强度、刚度及前缘高度比较,差异有统计学意义(P<0.05);15%与10%,5%组术后椎体强度、刚度比较,差异有统计学意义(P<0.05);15%与5%组术后椎体前缘高度比较,差异有统计学意义(P<0.05),15%与10%组和10%与5%组术后椎体前缘高度比较,差异无统计学意义(P>0.05)。(3)术后第二阶段中,15%,16%,17%组椎体强度低于术前,18%,19%,20%组椎体强度高于术前,差异均有统计学意义(P<0.05);18%,19%,20%三组术后强度比较,差异无统计学意义(P>0.05),15%,16%,17%三组术后强度比较,差异无统计学意义(P>0.05);18%,19%,20%三组术后强度高于15%,16%,17%三组,但与16%,17%两组比较,差异无统计学意义(P>0.05),与15%组比较,差异有统计学意义,(P<0.05)。术后各组椎体刚度均低于术前,差异有统计学意义(P<0.05),术后刚度各组间差异无统计学意义(P>0.05);术后各组椎体前缘高度均高于术前,差异有统计学意义(P<0.05),术后椎体前缘各组间差异无统计学意义(P>0.05)。(4)骨水泥渗漏情况,第一阶段内20%组有4个椎体出现渗漏。第二阶段内17%组有2个椎体出现渗漏趋势,18%组内有3个椎体出现渗漏,19%组内有3个椎体出现渗漏,20%组内5个椎体均出现渗漏。结论:在一定的范围内,骨折椎体强度、刚度和高度的恢复与骨水泥灌注量相关,在确保骨水泥无渗漏前提下,使用占骨折椎体体积16%骨水泥联合双侧PKP,骨折椎体的生物力学和高度恢复为其最佳。

关键词： 基态解   对称破缺   k包解   集中紧  

摘要： 本文主要考虑一类半线性薛定谔方程在L2-次临界情形下,解的存在性.方程如下:(?)其中2

关键词： 分层介质格林函数   Sommerfeld积分   空间列表与插值方法   全连接神经网络   最小二乘支持向量机  

摘要： 根据实际工程应用的要求和需求,无论军事领域还是民用商用领域,对复杂电磁环境中目标电磁辐射和散射问题的研究,都日益备受关注和欢迎。与自由空间目标电磁特性的研究有所不同,在复杂环境背景下,必须充分考虑环境与目标之间的复杂物理过程对目标电磁特性的影响,才能实现对目标的精确且有效地建模和数值计算。平面分层介质模型是对目标与复杂环境进行综合建模最简单且有效的方法之一,分层介质格林函数(LMGF)是平面分层介质建模的基础和核心。实际上,分层背景环境对特定目标电磁特性的作用全部包含在分层介质格林函数中。在计算电磁学中,LMGF的定义是在分层介质背景下,任意单元强度的极化源在某一场点产生的点源响应(场或位)。由于不同的数学定义或积分方程,LMGF的具体形式也不同。本文首先通过矢量波函数和引向矢量位理论推导出场型分层介质格林函数。为了降低积分核的奇异性,利用数学矢量恒等式和分部积分法理论,推导出具有低奇异性的矩阵友好型分层介质格林函数。与自由空间格林函数相比,LMGF的计算涉及到Sommerfeld积分,这导致在使用直接数值法求积时收敛缓慢。因此,寻找一种高效、准确地计算LMGF的方法是非常重要和迫切需要的。其次,本文总结回顾了Sommerfeld积分的特点,重点研究了Sommerfeld积分的高效快速计算方法。然后,本文研究了空间列表与插值方法(TIM)加速LMGF计算,使用过程中,将拉格朗日插值法(LIM)、高斯基函数插值法(GIM)和牛顿插值法(NIM)与直接数值积分相结合。数值算例表明TIM通过减少Sommerfeld积分的计算次数,明显提高了LMGF的计算效率。其次,考虑到神经网络的非线性拟合能力、强大的计算效率和良好的泛化能力,本文提出了基于优化算法的全连接神经网络(FNN-MEA)加速LMGF计算,采用了直接数值积分求得的LMGF作为训练集,训练出全连接神经网络(FNN),从而表征LMGF。由于优化算法的随机性,LMGF的预测结果不稳定性且效率相对较低。接着,鉴于最小二乘支持向量机(LSSVM)算法基于结构风险最小化准则且超参数少,本文进一步研究了基于LSSVM的LMGF快速计算,并引入交叉验证法来确定网络超参数。通过数值算例和数据性能评价指标,相比于FNN和FNN-MEA,利用LSSVM计算LMGF的计算精度与效率都得到了改善。