课程文献中心 更多>>

关键词： 自旋电子学   机器学习   四元Heusler合金   半金属铁磁体   第一原理计算  

摘要： 在自旋电子学研究中,一直期望能找到更多高度自旋极化的材料,并且具有高于室温的居里温度以保证在日常中使用。当前,机器学习正在成为帮助材料设计和挖掘的重要方法,受到广泛重视和应用。把机器学习用于自旋电子学材料研究,有助于加快研究的步伐。本文采用机器学习方法结合高通量第一原理计算,在四元Heusler合金中寻找高自旋极化,居里温度高的稳定材料。通过使用开放量子材料数据库中收集的约43000种材料训练、验证和测试机器学习模型,以找到结构与稳定性之间的关系。研究中运用最近邻回归、决策树回归、随机森林回归和深度神经网络等机器学习方法,采用已得到的数据集,通过使用多种指标(如皮尔逊相关系数、决定系数和平均绝对误差)对这些模型的性能进行了统计评估。对比后发现,深度神经网络模型取得了0.99的皮尔逊相关系数,平均绝对误差仅0.021 e V/atom,表现最好。在此基础上,最终采用基于深度神经网络模型的机器学习方法进行研究。使用已经获得的性能最佳的深度神经网络模型对24480种候选材料进行筛选,得到了4651种有可能经实验合成且稳定存在的四元Heusler材料。然后利用基于密度泛函理论的第一原理计算方法对这4651种材料进行高通量计算,发现了189种可能的高自旋极化率材料,包括149种半金属,15种磁性半导体以及25种自旋无带隙半导体。进一步通过平均场理论估算居里温度,发现这些材料中有144种材料高于或接近室温。最终,进一步对得到的16种温度最高的磁性半金属和磁性半导体材料的声子谱进行研究,发现这些自旋电子学材料均是动力学稳定的。这些结果表明论文工作设计的这一套流程是可行的,能够充分利用现有开放数据库资源使用机器学习做数据挖掘,从而高效低成本地进行自旋电子学材料的研究,帮助提高自旋电子学材料的设计和开发效率。

关键词： 石墨炔   应变调控   自旋输运性质   第一性原理   非平衡格林函数   能带结构  

摘要： 石墨炔作为一种新型的二维Dirac纳米材料,具有种类丰富的碳-碳化学键、良好的化学稳定性和优异的电荷输运性质等,成为分子电子学研究领域的热门材料。此外,石墨炔具有多种同素异形体,且丰富可控的电子结构性能和磁学性质,使其在自旋纳米器件领域具有不可估量研究及应用价值。本文基于密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,深入研究了多种应变调控方式对石墨炔纳米带的电子结构和分子器件自旋输运性质的影响,如面内应变、均匀应变和位点应变等,通过分析体系透射系数、局域态密度以及自旋劈裂特征等,深入剖析了石墨炔分子器件自旋输运性质的多元应变调控的微观机理。本文的具体研究内容如下:（1）研究了面内应变对锯齿形γ-石墨炔纳米带（ZγGYN）在金电极间的自旋输运性质的影响。结果表明,面内应变对器件的输运性质起重要作用。首先,面内应变能有效加强金电极和中间散射区的界面耦合作用,使电子传输通道变宽,从而导致通过器件的电流增强。其次,器件中心散射区纳米带的长度能削弱电极和散射区的耦合。最后,引入S形面内应变后,相应的器件中出现明显的自旋劈裂现象,表明应变可以改变体系磁性的分布。（2）研究了均匀应变和化学锚定基团的协同效应对ZγGYN在金电极间的自旋输运性质的影响。结果表明,不同的化学分子（吡咯、噻吩和磷杂茂）连接时,压缩或拉伸均匀应变对器件的电荷输运行为产生的影响不同。在均匀应变调控下,体系出现明显的自旋极化现象且最高极化率可达到90%左右,并且从体系的电流-电压（I-V）曲线中观察到了负微分电阻（NDR）效应。（3）研究了应变位点对ZγGYN在二维磁性材料Fe3Ge Te2电极间的电子结构和自旋输运性质的影响。研究发现二维磁性电极的引入会给体系带来自旋注入的效果,改变体系中电子的磁性分布,因此在各个器件的透射谱中都出现了自旋劈裂现象。此外,对碳单键处引入10%的拉伸应变后,ZγGYN的电子结构出现了半金属性,通过计算电荷输运性质还发现了器件的NDR效应。（4）研究了双边氟化和单边氟化作用对锯齿形δ-石墨炔纳米带（ZδGYNR）分子器件的电子结构和自旋输运性质的影响。首先,通过计算总能可确定ZδGYNR的基态为反铁磁（AFM）态。其次,通过分析不同磁构型下氟化作用对器件输运行为的影响,发现氟化作用使器件中出现明显的负微分电阻效应。最后,双边氟化效应诱导器件出现自旋极化率接近100%的双自旋过滤效应,同时能实现单向导电性和自旋整流功能。图51幅,表0个,参考文献235篇。

关键词： 自旋电子学   自旋轨道力矩效应   自旋霍尔效应   自旋轨道力矩型磁随机存储器  

摘要： 利用电流产生的自旋轨道力矩驱动磁化翻转,已经在自旋电子学领域引起了广泛关注,因为自旋轨道力矩提供了一种快速、有效地操控磁化的手段。本博士学位论文基于自旋轨道力矩效应,研究了重金属材料以及铁磁材料产生的自旋流,在磁纳米异质结中调控和驱动磁矩翻转,并如何对其输运性质产生影响,具体的研究成果如下:（1）利用两路正交电流的办法,在Pt/Co/MgO垂直体系中实现了自旋向上、自旋向下以及自旋随机态的非易失性写入。通过引入自旋随机态,可以通过电学手段来调控翻转的极性（顺时针或逆时针）,而之前是通过改变磁场方向的方式实现的。而且,利用多畴翻转模型很好地再现了手性可调多态翻转的特征。此外,通过精确控制写入时电流的大小及路径,可以实现自旋向上和自旋向下两个态之间每一个态的写入。（2）在排除反常霍尔效应和各向异性磁电阻效应的影响下,我们运用自旋力矩-铁磁共振的方法,在Y3Fe5O12/NiFe体系研究铁磁材料产生的与磁化无关的自旋流。这个实验的关键点主要在于YIG和NiFe在同一磁场下,共振频率不同,即YIG处于共振模式下,可以探测到由自旋霍尔磁电阻贡献的整流电压,而NiFe不处于共振状态,其各向异性磁电阻不贡献整流电压;其次,在测量过程中,YIG与NiFe的磁矩方向始终保持平行状态,NiFe由于反常霍尔效应产生的自旋流对整流电压并无贡献(YIG×AHE=0)。因此,我们测量得到NiFe产生的与磁化无关的类阻尼SOT效率,其大小相当于Pt的25%,自旋霍尔角符号与Pt相同。（3）以IrMn/CoFeB/W/CoFeB体系为例,两层CoFeB分别具有面内磁各向异性和垂直磁各向异性,研究在驱动垂直CoFeB磁化翻转的过程中,面内CoFeB产生的自旋流与其磁化方向的角度依赖关系。面内CoFeB磁化方向通过自旋霍尔磁电阻及各向异性磁电阻来确定。此外,为了排除不同器件间误差的影响,我们在同一个器件上,利用临界翻转电流和SOT效率两种表征方法,测量了CoFeB产生的自旋流与其磁化方向的依赖关系。发现在SOT翻转过程中,面内CoFeB由反常霍尔效应产生自旋流的贡献可忽略不计,即其SOT效率是磁化无关的,表明在T型结构中,面内铁磁层易轴的最佳方向应平行于电流方向。（4）我们在T型结构中（CoFeB/W/CoFeB）实现了零磁场SOT翻转,并发现其对称破缺场的方向平行于面内铁磁层的磁化方向,与面内铁磁层提供的退磁场方向相反。另外,通过在面内CoFeB和重金属W层中间插了一层2.5 nm厚的绝缘层MgO,用来隔绝面内CoFeB产生的自旋流及两层CoFeB之间的层间耦合,发现在CoFeB/MgO/W/CoFeB体系中,零磁场翻转仍可以实现,表明在我们的CoFeB/W/CoFeB“T”型磁结构的器件中,橘皮效应是零磁场SOT翻转的主要机制,而且我们也通过微磁学模拟的方法证实和重复了这一实验结果。此外,我们利用磁滞回线偏移法测量得到铁磁金属CoFeB的有效自旋霍尔角SH为-0.024,并且发现在SOT翻转过程中,26%自旋流来自于面内CoFeB的贡献。

关键词： 亨利·斯塔普   意识   量子力学   心理物理理论 Henry Stapp   consciousness   quantum mechanics   psychophysical theory  

摘要： 不同于心理学家将意识理解为单纯的心理活动，作为量子物理学家的亨利·斯塔普认为，意识是心理和物理两种因素相互作用的结果。在结合海森堡量子不确定性和大脑神经活动的基础上，斯塔普提出了一种基于量子力学的意识理论——心理物理理论，并最终将意识理解为对大脑顶层神经编码选择的结果。心理物理理论作为一种量子意识理论，它符合科学实在论的因果效应标准及其主要特征，是具有实在性意义的意识理论。然而，由于心理物理理论从心理和物理两方面来解释意识，其本质上仍未脱离二元论的窠臼。再者，作为一种物理学意义上的意识理论，其理论基础还不够完善，因此其遭受着来自多方面的质疑与挑战。

关键词： 声发射技术   相关系数   能量比   信息准则(AIC)   信号同源  

摘要： 基于声发射（Acoustic Emission,AE）现象能够动态、实时地感知材料内部的变化,使用声发射技术可以高效、快速地检测结构的损伤和状态。在精确定位声发射源的基础上,能将混凝土材料的力学物理量和声发射信号参数之间建立关系,从而为深入研究声发射技术提供坚实的支撑,因此混凝土结构中的声发射源定位研究意义重大。针对声发射源定位的关键参数与问题,本文提出基于小波包频带能量谱与时差修正的声发射源定位方法,以提高混凝土结构中声发射源定位的精度。结合断铅试验和剪切试验,本文使用改进能量比-AIC法、小波包频带能谱系数法、联合定位法,探索混凝土试件中声发射源的定位课题,并与传统定位算法、信号到时修正方法和同源性分析算法对比、分析,评估本文所提出方法的实际效果和表现。本文的主要研究工作包括:（1）深入分析现有的时差定位方法等声发射源定位理论和算法,界定了影响定位精度的两个主要因素——声发射信号到达时间（即信号到时）与信号同源性。在此基础上,围绕这些因素开展后续研究。（2）针对声发射信号到时,分析、比较了常用的到时修正的算法;基于能量比法和AIC算法,提出了改进的能量比-AIC组合算法,显著提高了低幅值信号的到时拾取精度。（3）针对信号同源性影响因素,提出了新的声发射信号同源性分析的算法——小波包频带能谱系数算法。主要通过小波包分解,将采样频率细化成很多个频带,通过最大能量所在的频带来进行同源声发射信号判别。（4）为了进一步提高声发射源定位精度,提出了声发射源联合定位方法。该方法主要是通过同源性分析将同源性信号提取出来,根据筛选得到的声发射信号,通过到时修正算法去修正到时,再利用时差定位方法精确确定声发射源的坐标。通过对混凝土小梁做网格断铅实验,验证了上述方法的有效性;对混凝土柱进行剪切试验,将定位的结果与剪切破坏的试验破坏面范围做了比较,进一步验证算法的效果。上述的工作表明:本文提出的信号到时修正算法、同源性分析算法与联合定位方法能够显著提升混凝土结构中声发射源的定位精度。

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。

关键词： 对数薛定谔方程   约束极小化方法   变号解  

摘要： 本文主要用变分方法研究对数Schr(?)dinger方程-Δu+V(x)u=ulog u2+|u|p-2u,x∈RN,(0.1)其中20.我们讨论了在不同位势假设下Nehari流形N或集合M上限制极小问题的可达情况,并利用方向导数和Miranda定理证明了极小达到元是方程(0.1)的解.特别的,我们证明了正解以及变号解的存在性.第一节中,我们主要介绍方程的相关背景,并阐明本文的动机、结果和主要方法第二节中,我们给出了一些预备知识及其证明.第三节中,我们结合方向导数和Miranda定理,通过极小可达证明了方程有正解和变号解.第四节中,我们主要使用约束极小化方法,通过集中紧分析和极大值原理,证明了极小可达的情况.

关键词： 差分方法   有限元方法   转移矩阵算法   T矩阵算法   Lippmann-Schwinger方程   Wood反常现象  

摘要： 我们在学习和研究物理的过程中,经常会遇到一些问题是需要使用计算机来解决的,这个时候就要求计算机拥有比较良好的性能,但是,如果我们能使用合适的算法,就能减小对计算机内存的消耗,这将会有助于我们解决问题。本文主要对两个量子力学的基本问题进行了算法的研究。第一个问题是二维薛定谔方程本征问题,本文首先使用差分方法得到方势阱中粒子的概率密度分布图像,再使用有限元方法得到正多边形势阱以及正多角形势阱中粒子的概率密度分布图像,接着本文通过改变势阱边界与原点距离的分割数量和势阱圆心角的分割数量,探究有限元方法的数值解何时趋近于稳定,最后本文将差分方法和有限元方法求得的粒子概率密度分布图像在方势阱的边界条件下分别和解析解的粒子概率密度分布图像进行比较和误差分析。第二个问题是粒子的散射问题,本文首先使用转移矩阵算法求解粒子对一维方势垒散射的透射率、反射率,然后使用T矩阵算法求解粒子对一维δ势垒和二维光栅势垒散射的透射率、反射率,最后通过粒子对二维光栅势垒的散射图像展示了Wood反常现象中具有散射极大值的粒子束会随着入射粒子束的入射角度变化而在一个极小的范围内发生剧烈变化的现象。有限元方法大多是在工程方面的应用,少有有限元方法与量子力学相结合的工作,本文使用有限元方法求解粒子在势阱中的概率密度分布,是新颖且有深度的工作。另一个方面,散射模型是量子力学中非常基础的问题,第三章以一维散射模型为基础,数值求解粒子对二维光栅势垒的散射现象,得出与Wood实验相同的结果,这对我们理解衍射光栅动力学和表面等离激元这些领域有巨大帮助。以上两个问题都是量子力学中的基本问题,通过使用数值方法解决这两个问题将使我们对量子力学的学习有了更深刻的了解,也丰富了我们对量子现象的研究手段。

关键词： 氧化锌   外延生长   蓝宝石图形衬底   第一性原理计算  

摘要： 氧化锌(ZnO)是典型的第三代半导体材料,具备高激子束缚能(60 meV)、宽带隙(3.37 eV)以及抗辐射性能强等优点,使其在激光和紫外发光二极管器件等领域有广泛的用途。随着材料科学技术的不断发展,ZnO的单晶制备技术不断成熟,质量得到了极大地提高,制备路径也变得多样化,已经做到了绿色无污染,充分符合当下环保发展路径。高质量ZnO薄膜制备是获得高性能ZnO基光电器件的关键。为了探索高质量ZnO薄膜生长方法,我们在蓝宝石图形衬底上进行了 ZnO薄膜的外延生长。因为蓝宝石图形衬底表面的规则立体图形能够让薄膜的生长具有一定的选择性,位错和缺陷都能够得到一定程度地减少,从而提升了薄膜的生长质量、内量子效率和光提取效率,使图形衬底在发光LED器件中得到了广泛地运用。基于此,本工作利用分子束外延(MBE)在蓝宝石图形衬底上生长了厚度为1 nm的氧化锌(ZnO)薄膜和氧锌镁(MgZnO)薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM)分析表明,相较于MgZnO薄膜,ZnO薄膜在蓝宝石图形衬底上具有更明显的生长取向性。根据这一现象,我们后期采用原子层沉积(ALD)方法,在图形衬底上生长了不同厚度的ZnO薄膜来探索薄膜厚度对薄膜性能的影响。表面形貌分析表明,ZnO薄膜趋向于在图形衬底的侧面上优先生长。结构和光学特性分析表明,随着薄膜厚度的增加,一方面会出现越来越多的晶面,但这些晶面始终为纤锌矿结构的晶面,另一方面薄膜的质量也得到了提升,并且样品发生了蓝移现象,禁带宽度得到了加宽。为了进一步拓宽ZnO基半导体材料的应用场景,往往能够通过成熟的能带工程和自旋调控等途径对其各方面性能进行调控。比如,通过Mg原子掺杂形成三元合金MgZnO来拓宽ZnO带隙的能带工程;或是通过在ZnO中掺杂磁性过渡金属离子或稀土金属离子来替代非磁性Zn元素,实现自旋调控并形成稀磁半导体材料等。基于此,我们将ZnO能带工程及自旋调控进行了有机结合,利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,计算并分析了 Fe-Mg共掺ZnO体系的结构性质、结构稳定性和电磁性能。结构分析表明,Fe原子的掺杂是体系产生畸变的主要原因,而Mg原子虽然不会给ZnO带来畸变,但其与Fe原子的强相关性会影响Fe原子给体系带来的畸变程度。稳定性分析表明,体系的稳定性和畸变程度呈正相关关系。电磁性能分析表明,Fe原子和Mg原子的掺杂虽然能够一定程度上调制ZnO的带隙,但并不会改变其直接带隙特性。此外,Fe原子的掺杂会在体系中引入一定的磁性和杂质能级。通过对Fe原子初始磁矩方向的调控能够进一步调制体系的能带结构和带隙。在2.78%Fe掺杂浓度和1.39%Mg掺杂浓度的Fe-Mg共掺ZnO体系中,从其自旋电荷密度和能带结构中可以发现,O原子总是与周围Fe原子发生顺磁耦合,并且当Fe元素的初始磁矩平行时,在其相反的通道中带隙会变宽。而当Fe原子的初始磁矩反平行时,体系的自旋向上和自旋向下通道的带隙均会变窄。这说明Fe原子的初始磁矩对能带结构有很大的影响,为动态调节带隙提供了另一种方法,使体系成为带隙可控的稀磁半导体(DMS)。

关键词： 表象训练   普通高校   华尔兹舞   运动技能学习  

摘要： 近年来随着国内体育舞蹈的热度不断增加,大多数普通高校都已经开设了体育舞蹈选修课。华尔兹舞是体育舞蹈所包括的十个舞种里面历史最悠久的舞蹈,是体育舞蹈选修课的主要教学内容之一,其舞蹈风格高贵典雅,深受高校大学生的喜欢。华尔兹舞作为体育舞蹈十个舞种里面技术动作较为复杂的舞蹈,在现阶段普通高校体育舞蹈选修课教学中,普遍存在着课时量较少、教学内容难度较大等问题。表象训练作为体育运动实践中最为广泛运用的心理技能训练方法之一,可以帮助练习者建立正确的运动表象,提高运动表现和练习效率。基于此,本研究旨在将表象训练运用到普通高校体育舞蹈选修课华尔兹舞教学中,验证表象训练对学生华尔兹舞技能学习是否具有良好的促进作用,探讨表象训练对学生表象能力、华尔兹舞技能习得效果和保持效果的影响。本研究以表象训练在普通高校华尔兹舞教学中的应用为研究对象,以81名20-21岁的普通高校体育舞蹈选修课学生(非体育专项)为实验对象,运用文献资料法、专家访谈法、问卷调查法、实验法以及数理统计法展开深入研究。通过为期10周的华尔兹舞教学与31天的技能保持,在实验结束后对实验对象的各项数据进行统计与分析。结果:(1)在实验后测试中,实验组与对照组表象能力之间存在显著性差异(p<0.05);(2)在华尔兹舞技能习得测试第4-10周,实验组在技能测试总分、艺术表现力和动作规格指标成绩上均显著高于对照组(p<0.05);(3)在华尔兹舞技能习得测试第6-10周,实验组在音乐节奏指标成绩上均显著高于对照组(p<0.05);(4)两组学生的华尔兹舞动作熟练度指标成绩仅在第6周出现显著性差异(p<0.05),在其他技能习得测试时间均无显著性差异(p>0.05);(5)在华尔兹舞技能保持测试的第1、2、6、15、31天,实验组在技能测试总分、艺术表现力和动作规格指标成绩上均显著高于对照组,而实验组动作熟练度和套路完整度指标成绩仅在保持测试的第31天显著高于对照组(p<0.05)。结论:(1)与传统华尔兹舞教学相比,融入表象训练的华尔兹舞教学可以显著提高学生的表象能力;(2)表象训练对学生华尔兹舞技能习得具有促进作用,与传统华尔兹舞教学相比,融入表象训练的华尔兹舞教学可以显著提高学生的音乐节奏、艺术表现力和动作规格;(3)表象训练对学生华尔兹舞技能保持具有促进作用,与传统华尔兹舞教学相比,融入表象训练的华尔兹舞教学可以显著促进学生的艺术表现力、动作规格、动作熟练度和套路完整度的保持。