凝結(jié)勢(shì)模型的建立與應(yīng)用.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，科學(xué)家已能夠根據(jù)原子分子構(gòu)型預(yù)測(cè)材料的物理化學(xué)特性，為新材料設(shè)計(jì)開辟了一條有效途徑。然而，已有的理論模型尚不能回答實(shí)際生長(zhǎng)具有特定原子分子構(gòu)型新材料的可能性如何。這一問題對(duì)新材料研發(fā)有嚴(yán)重的影響。以CNx材料為例，1989年Cohen從原子分子結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算出發(fā)預(yù)言C3N4具有與金剛石相當(dāng)?shù)挠捕龋茨茴A(yù)測(cè)制備這種單晶體的難易程度如何。事實(shí)上到目前為止，能夠制備的C3N4晶粒最大線徑只有幾個(gè)微米。因?yàn)槿藗兡壳叭圆磺?/p>

2、楚C3N4形成單晶體的能力是否比金剛石更差，導(dǎo)致相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作陷入進(jìn)退兩難的境地。一般來說，不同材料形成單晶體的能力相去甚遠(yuǎn)，例如，Si很容易形成線徑為幾米的單晶體，而金剛石晶粒卻很難生長(zhǎng)。顯然，在新材料的理論設(shè)計(jì)過程中，不僅要預(yù)測(cè)具有某些優(yōu)越特性的原子分子構(gòu)型，而且要預(yù)測(cè)這種構(gòu)型形成單晶體的能力。如何建立一個(gè)能夠預(yù)測(cè)材料結(jié)晶能力，同時(shí)可以預(yù)測(cè)新材料的熔點(diǎn)和硬度等性質(zhì)的理論體系，向現(xiàn)代物理理論提出了挑戰(zhàn)。
　　針對(duì)以上問題，本文開

3、展了以下工作:
　　(1)根據(jù)單原子在晶體表面“感受”的橫向與縱向勢(shì)場(chǎng)，建立了能夠預(yù)測(cè)單組份（單元）材料結(jié)晶能力的理論模型（下稱凝結(jié)勢(shì)模型），并通過對(duì)一元材料生長(zhǎng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬以及與實(shí)驗(yàn)相比較，驗(yàn)證了該模型的可靠性。
　　(2)將凝結(jié)勢(shì)模型推廣應(yīng)用于二元體材料的結(jié)晶能力預(yù)測(cè)，通過對(duì)Ni-Al和Cu-Au體系晶體生長(zhǎng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬驗(yàn)證了模型的可靠性，并且成功解釋了實(shí)驗(yàn)上鎳基單晶高溫合金中Al摻雜小于6％的現(xiàn)象。
　　

4、(3)在原子水平表面研究吸附原子的擴(kuò)散和成島動(dòng)力學(xué)是制備具有特異量子效應(yīng)光電器件的基礎(chǔ)。我們將凝結(jié)勢(shì)模型推廣應(yīng)用于預(yù)測(cè)固體表面外延島形狀及生長(zhǎng)條件，成功地解釋了目前已有的多種實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，特別是能夠解釋Pt/Pt(111)在400K下外延生長(zhǎng)形成三角形的原子島，而長(zhǎng)期使用的wulff關(guān)系則預(yù)測(cè)其為六邊形，與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不吻合。
　　(4)納米顆粒的催化效率取決于其表面結(jié)構(gòu)，例如Pt(111)面的催化效率要高于其(100)面。因此需要一種快

5、速確定納米顆粒表面結(jié)構(gòu)的理論方法，向目前已有的相關(guān)理論提出了挑戰(zhàn)。我們將凝結(jié)勢(shì)模型推廣應(yīng)用于預(yù)測(cè)納米顆粒的表面構(gòu)型，計(jì)算得到的Pt和Ni的顆粒表面主要是(111)面，都與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合。
　　(5)熔點(diǎn)是材料的重要屬性，預(yù)測(cè)體材料熔點(diǎn)是凝聚態(tài)物理的重要課題之一。目前普遍使用的Lindemann判據(jù)和Born判據(jù)都很難準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各種材料的熔點(diǎn)。我們應(yīng)用凝結(jié)勢(shì)模型預(yù)測(cè)材料的熔點(diǎn)，檢驗(yàn)了一元金屬體材料熔點(diǎn)與凝結(jié)勢(shì)的關(guān)系，同時(shí)又基于凝結(jié)勢(shì)模

6、型提出了“表面熔化勢(shì)”的概念，能夠很好地描寫目前實(shí)驗(yàn)所得到的各種一元材料的各個(gè)表面的熔點(diǎn)。
　　(6)在新材料設(shè)計(jì)中，關(guān)于硬度的理論預(yù)測(cè)也具有挑戰(zhàn)性。在凝結(jié)勢(shì)模型的基礎(chǔ)上，引入了凝結(jié)力概念來預(yù)測(cè)材料的硬度，通過對(duì)Ni，Cu，Al，Ir，Rh，Au，Ag，Pd等一元fcc晶體和hcp晶體Re的研究，驗(yàn)證了該模型的可靠性。
　　本文所建立的凝結(jié)勢(shì)模型能夠預(yù)測(cè)材料的多種性質(zhì)，并且其理論程式簡(jiǎn)單易行，可以方便地植入半經(jīng)驗(yàn)以及第一性原