本工作应用截面扫描隧道显微镜(XSTM)研究了In_0.53Ga_0.47As/InP异质结构的(110)解理面。扫描隧道谱(STS)测量结果显示，InGaAs的电流-电压(I-V) 隧道谱呈现与衬底InP(110)面完全不同特点。InP的I-V谱呈现的零电流平台宽度(隧道谱表观带隙)接近材料带隙，可基于平带模型解释。In_0.53Ga_0.47As的表观带隙却比其带隙(室温0.74 eV)高出约50%。这反映了针尖与InGaAs发生隧穿时的不同物理图像，需应用针尖诱导能带弯曲(TIBB)模型来解释。基于三维TIBB模型的计算，我们发现表面态密度是对隧道谱线特征具有敏感影响的参数。适当选取参数不仅能定量解释InGaAs的I-V 谱的零电流平台宽度，而且能较准确预言零电流平台的起、止能量位置，并能计算给出与实验高度重合的I-V 理论谱线。

图6   (a)—(d) InGaAs的四组I-V 谱实验谱线(黑色实线)与模型计算(红色虚线)的比对，各图中分别注明了计算时采用的表面态密度(DOSS)数值。

本文作者利用MBE技术在n型 InP(001) 面上相继生长InP缓冲层和In_0.53Ga_0.47As层，利用截面扫描隧道显微镜获得其形貌并结合了扫描隧道谱中的电压电流谱 (I-V谱)，给出相应的能带。结合TIBB理论框架计算分析了InGaAs(110) 面的 STS测量结果，文章条理清晰、结构清楚，对于利用I-V 谱分析能带有很好的指导意义。

荧光寿命显微成像(fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM)技术在细胞微环境传感中具有特异性强、灵敏度高、可定量的优点, 被广泛应用于生物医学研究。其中，基于时间相关单光子计数(time-correlated single photon counting, TCSPC)进行荧光寿命探测的方法是目前最常用的技术之一，但受成像原理和条件限制，该技术存在数据采集时间较长、成像速度不够快的不足。本文开发一种能对生物样品中任意数量离散的、形状不规则的感兴趣区域(region of interest, ROI)进行快速FLIM成像的技术。该技术利用声光偏转器(acousto-optic deflector, AOD)实现快速灵活的寻址扫描，并通过对ROI形状特征的简单在线分析，实现AOD与TCSPC同步策略的优化及寿命图像的准确重构，对于生物样品中常见的存在多个离散不规则ROI情形，可大幅节省数据采集时间，从而实现对这些ROI的快速FLIM成像。采用该技术，对氯化铵刺激下活细胞中溶酶体探针LysoSensor Green DND-189的荧光寿命变化进行了动态FLIM成像，以监测溶酶体管腔内pH值的实时变化情况。结果表明，该快速FLIM技术可用于动态监测生物样品中微环境的变化，将在活细胞微环境传感中发挥重要作用。

图5   铃兰根茎切片样品多个离散的不同形状ROI的FLIM成像　(a)明场图像及ROI的选取；(b) EMCCD采集的荧光强度图像；(c) TCSPC采集得到的寿命图像；(d)准确重构的荧光寿命图像。

文章发展了一种快速定点荧光寿命成像技术，较传统荧光寿命成像，该技术突出了一个字“快”，而这种“快”基于只关注感兴趣区域，从而节约了时间。另外，该技术允许对视野中多个离散区域进行寿命表征成像，适合生物体系中生物学事件在空间上不均一性的特点。这种新型快速荧光寿命成像技术在生物医学领域具有重要的潜在应用价值。

Mg(BH₄)₂作为优质的储氢材料，在约300 ℃开始分解释放H2，并最终生成MgB2。由于Mg(BH₄)₂的释氢反应可以在较低的温度下获得MgB2，使其成为了制备MgB2超导材料的一种有效途径。本文采用了原位电阻法，通过测量Mg(BH₄)₂分解过程中电阻温度曲线，详细地研究了Mg(BH₄)₂分解生成MgB2的相变过程。同时，利用电阻温度的微分曲线，确定了在分解过程中不同产物的成相温度(TPF)。其中，MgB2的成相温度可以低至410 ℃。通过与粉末烧结法制备MgB2块材的成相温度对比，估算出反应前Mg的颗粒尺寸最低可达3.4 nm。此外，样品的XRD分析给出了生成的MgB2晶粒在10—18 nm之间，在SEM图像中也同样观察到了MgB2纳米纤维结构。这表明, Mg(BH₄)₂分解生成的Mg与B 形成了接近原子级的混合，从而使MgB2可以在更低的成相温度(410 ℃)、更短的反应时间内成相。该方法为MgB2在超导应用的制备提供了新的思路，有利于实现MgB2的工业化生产。

图2   Mg(BH4)2原位烧结的电阻温度曲线及微分曲线

该文章提拱了一种高效制备MgB2的制备技术，可低成本高产出地获得具有超导特性的MgB2。论文利用原位电阻测试分析了Mg(BH4)2 制备MgB2 的成相过程，并提出，利用Mg(BH4)2 制备的MgB2 有望提高在高场下的临界电流密度，这对于MgB2 在超导强电领域的应用至关重要，该技术对于未来MgB2 的工业化生产具有实际价值，对于从事该领域的同行具有参考意义。

把一个任意量子态在既有噪声又有窃听的信道下安全可靠地传输，是一个广泛而重要的问题。现在已有的方法是先传输大量的Einstein- Podolsky- Rosen (EPR)纠缠对，然后进行纠缠纯化，获得一对近似完美的纠缠对, 再进行隐形传态或者远程态制备来传输量子态。本文给出一种直接安全传输量子态的方法，通过使用量子直接通信，安全地传输大量同样的任意量子态，然后利用单量子态的纯化方法，得到一个近于完美的量子态。这是一种不需要量子纠缠的量子态安全传输方法，避免使用纠缠资源。这种方案是量子隐形传态和远程态制备之外的又一途径。此外，这一方案将原来只是用来传输经典信息的量子安全直接通信扩展到传输任意量子态的新领域，扩大了量子直接通信的用途。这一方案将在未来量子互联网中有重要的应用。

表3   U_φ操作前后序列B中的单光子态和Bob采用的操作(传输实系数态)。

量子态传输是量子通信和量子计算实现中的一个重要过程，其一直是量子信息处理领域研究的一个重要课题。有效的在远距离传输量子态能够丰富量子通信的任务，而在计算节点间进行量子态传输，则能够有助于实现分布式量子计算。本文中，作者提出了一种量子态直接传输的方法，与量子隐形传态的过程不同，方案不是传输信息，而是利用量子直接通信对量子态进行直接传输。

报道了1.5—20 keV/q 的高电荷态O^q+ (q = 3—7)离子与Al表面相互作用发射的O原子的特征X射线谱。分析表明，对于O^q+ (q = 3—6)离子入射时发射的X射线，是由于离子进入表面后与Al原子发生紧密碰撞导致的；而O⁷⁺离子入射时的X射线，主要来自于“空心原子”的衰变。在动能相等的条件下，存在K壳层空穴的O⁷⁺离子的X射线产额相较于O^q+ (q = 3—6)离子高一个数量级，不存在K壳层空穴的O⁶⁺离子的X射线产额也要高于O³⁺。O⁵⁺离子。总体来说，X射线产额以及电离截面与入射离子的初始电子组态有关，且随离子入射动能的增加而增加。根据半经典两体碰撞模型，本文估算了入射离子与靶原子相互作用时分别产生O和Al的Kα-X射线的动能阈值。对于入射动能低于动能阈值且电子组态为1s²的O⁶⁺离子与样品表面相互作用，可能存在多电子激发使O⁶⁺离子产生K壳层空穴。

图2  不同能量的O^q+ (q = 3, 5, 6)离子入射Al表面产生的X射线谱　(a) 5—20 keV/q 的O³⁺离子；(b) 5—20 keV/q 的O⁵⁺离子；(c) 1.5—20 keV/q 的O⁶⁺离子. 箭头位置分别标示了C, O, Al的K壳X射线峰的标准。

慢速高电荷态离子与固体表面相互作用是一个非常复杂的多体过程。研究高电荷离子与表面相互作用产生的X射线，在天体物理以及等离子体诊断等领域有着重要的科学意义和应用价值。该论文测量和分析了低能高电荷态O离子与Al表面相互作用产生的O原子的特征X射线谱。该论文开发出新的分析仪器设备，采集到新的实验数据，发现了可能存在多电子激发过程，对于慢速低势能状态下离子与表面相互作用的动力学过程，拓展出富有想象力和创造性的研究视野。

利用密度矩阵重整化群计算了光学腔中一维无自旋玻色-哈伯德模型的基态。通过研究超流序、局域密度分布、二阶和三阶关联函数, 发现该系统出现了超越平均场理论的两个奇异超固相。这两个超固相同时具备对角和非对角长程序，其中一个展现出包络形式的密度调制振荡，另一个展现出均匀的密度分布。另外，结合光场的超辐射序参量和腔内的平均光子数，发现奇异超固相与腔光场的涨落存在密切关系。该工作给出了光学腔内玻色哈伯德模型的超越平均场理论的新物理，并提供了探索光学腔内光与物质集体物态的完整计算方法。

图6   (a)—(c) U1-ρ 平面的相图　(a) Us=0；(b) Us=5；(c) Us=10；(d) U1-Us平面的相图

本文利用密度矩阵重整化群方法研究了光学腔中的一维玻色-哈伯德模型，发现了在非超辐射区间存在两个有趣的超固相。该模型描述处于一维光学腔中的玻色型超冷原子在光场作用下产生有效的原子间相互作用。这种相互作用导致了一系列有趣的量子关联效应和对称性破缺相。该文章所研究的内容是目前超冷原子中的前沿课题，具有较好的学术意义。

背电极是影响钙钛矿太阳电池性能的一个重要因素。本文采用COMSOL软件仿真研究了背电极材料、结构、厚度对电池性能的影响规律。发现相对于背电极金属的功函数，其阻值对电池性能影响小。背电极结构除了阻值会影响电池性能，还存在影响电池性能的其他因素。蜂窝结构背电极中，考虑制作难易程度的情况下，圆形半径约等于边缘间距时性价比最高。预测背电极中每增加10%的孔隙，电池性能大约提升5%。背电极阻值随着厚度的增加而减小，考虑工艺、成本等因素的前提下，最佳的厚度应在100—150 nm之间。

图1   文献(a)及本文(b)构建的背电极结构在COMSOL中的网格剖分图；(c)文献与本文计算的背电极电阻-厚度变化趋势图。

本论文通过改变背电极设计，研究了背电极材料、结构、厚度等对钙钛矿太阳能电池性能的影响规律，分析了背电极与电池转换效率等关系，得到了金属功函数对电池性能影响较大的结论，对目前钙钛矿电池的优化有指导意义，为电池的性能提高提供了参考与指导。

金属卤化物钙钛矿发光器件具有可溶液加工、高发光效率和良好色纯度等诸多优良特性，受到了广泛的关注，但蓝色钙钛矿发光器件发光效率和光谱稳定性等方面的问题限制了钙钛矿材料在照明和显示领域的进一步发展。本工作研究硫氰酸铵添加剂对准二维混合卤化物钙钛矿薄膜形貌、结晶度、光物理和电致发光特性的影响。结果表明硫氰酸铵能有效钝化准二维混合卤化物钙钛矿薄膜的缺陷, 提高结晶度, 调节相分布, 从而改善其电荷传输特性和发光效率。硫氰酸铵浓度为20%的准二维钙钛矿发光二极管的发光峰值波长位于486 nm处，器件的最大外量子效率为5.83%，最大亮度为1258 cd/m²，分别比未添加硫氰酸铵的器件提升了6.7倍和3.6倍，同时器件发光光谱稳定性和驱动稳定性也得到了明显的提升。本研究为提高蓝色准二维混合卤化物钙钛矿发光二极管的特性提供了一种简单有效的方法。

图4   (a) 器件结构示意图；(b) 电流密度-电压-亮度曲线；(c) 外量子效率-电流密度特性。

本论文利用添加剂工程，通过引入NH4SCN添加剂制备了准二维体系的钙钛矿蓝光发光二极管，器件最高效率为5.83%。添加NH4SCN能够钝化钙钛矿缺陷，提高薄膜电荷传输性能，减少器件非辐射复合，实现了外量子效率超过5%的天蓝光发光二极管，获得了较好的器件效率和稳定性。研究工作具有创新性和有效性。

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)已在量子信息、深空激光通信、激光雷达等众多领域发挥了重要的作用。虽然SNSPD经过二十年的研究，但其光子响应本征机制还有待完善。深入理解与厘清其光子响应过程是研发高性能探测器的前提与关键。现在较为成熟的超导纳米线单光子探测器响应理论有热点模型和涡旋模型。但是这两种理论都存在一定的缺陷，前者存在截止波长，后者存在尺寸效应，都需要进一步完善。超导相位滑移是超导体的内禀性耗散，有望用于解释超导纳米线单光子探测器的光子响应过程，形成统一完备的理论。这三种模型是对SNSPD光子检测理解的不断深入：热点模型是一种唯象模型，研究电子-声子等准粒子体系的相互作用；涡旋模型由Ginzburg–Landau方程和电磁学方程出发，研究涡旋在超导体中的运动及其带来的超导态耗散；相位滑移模型是基于量子力学的解释，研究热扰动和宏观量子隧穿引发的超导态耗散。本文综述了热点模型、涡旋模型和超导相位滑移的基本概念、发展历史和研究进展，讨论和对比了这三种理论的特点和发展前景，为超导纳米线单光子探测器光子检测理论研究提供参考和借鉴。

图1   Gol'tsman等于2001年首次制备出SNSPD, 将热点模型应用在解释其光子响应。(a)—(d)分别表示光子入射、热点形成、热点长大、纳米线全部失超。

超导纳米线单光子探测器是一类重要的超导电子器件，经过近20年的发展，已经在量子信息、激光雷达、深空通信等领域得到了广泛的应用。尽管探测机理已经有很多工作开展，但是尚未形成统一的理论体系。论文作者围绕SNSPD探测距离进行综述，重点围绕热点模型、涡旋模型以及相位滑移机制的过去研究与发展进行了综述。相关内容总结给相关研究工作提供了很好的参考。

近年来，可移动消费电子与电动汽车等产业发展迅速，迫切需要发展高能量密度与高安全稳定性的锂电池，以提高这些设备的长续航与长期稳定运行的能力。这使得全固态锂电池极具潜力，并获得迅速发展。然而，高性能全固态锂电池的发展需要对其充放电机制与性能衰减机理等有深入的认识，对电池内部及界面的微观结构、物相组成、化学成分及局域化学环境等动态演变规律有系统深入的理解。基于此，本文总结归纳了典型原位表征技术，包括原位显微技术 (原位扫描电子显微镜 (SEM)，原位透射电子显微镜 (TEM))、原位X射线技术 (原位X射线衍射 (XRD)、原位X射线光电子能谱 (XPS)、原位近边结构X射线吸收光谱 (XANES)、原位X射线层析成像等)、原位中子技术 (原位中子衍射 (ND)、原位中子深度剖析 (NDP))以及原位波谱技术 (原位拉曼光谱、原位核磁共振 (NMR)与原位核磁共振成像 (MRI)) 等的基本原理、功能、及其应用于研究固态锂电池中电极材料与界面在服役状态下、真实电化学过程中的动态过程与失效机制的代表性研究进展，并对未来先进原位表征技术在全固态锂电池研究中的应用进行了探讨和展望。

图13   (a) 原位3D CT-XANES测试示意图；(b) 对复合电极(LiCoO2∶Li2.2Co0.8O3 = 8∶2)在充放电过程中的原位3D CT-XANES扫描；LiFePO4颗粒在充电过程中的(c)物相变化及(d)物相比率变化。

该综述论文全面阐述了多种原位表征技术在全固态锂电池研究中的应用，包括原位SEM、原位TEM、原位XRD、原位XPS、原位XAS、原位波谱等，每一项技术都介绍了代表性成果。本文综述了多种典型的原位表征技术的基本原理及其在全固态锂电池中的代表性研究，并展望了先进原位表征技术在全固态锂电池研究中的未来发展方向。文章对原位表征技术在全固态电池中的应用具有指导意义。

《物理学报》2021年第19期全文链接：

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2021/19