凝结势模型的建立与应用

【摘要】随着计算机硬件的发展,科学家已能够根据原子分子构型预测材料的物理化学特性,为新材料设计开辟了一条有效途径。然而,已有的理论模型尚不能回答实际生长具有特定原子分子构型新材料的可能性如何。这一问题对新材料研发有严重的影响。以CNx材料为例,1989年Cohen从原子分子结构的理论计算出发预言C3N4具有与金刚石相当的硬度,但未能预测制备这种单晶体的难易程度如何。事实上到目前为止,能够制备的C3N4晶粒最大线径只有几个微米。因为人们目前仍不清楚C3N4形成单晶体的能力是否比金刚石更差,导致相关的实验工作陷入进退两难的境地。一般来说,不同材料形成单晶体的能力相去甚远,例如,Si很容易形成线径为几米的单晶体,而金刚石晶粒却很难生长。显然,在新材料的理论设计过程中,不仅要预测具有某些优越特性的原子分子构型,而且要预测这种构型形成单晶体的能力。如何建立一个能够预测材料结晶能力,同时可以预测新材料的熔点和硬度等性质的理论体系,向现代物理理论提出了挑战。针对以上问题,本文开展了以下工作：(1)根据单原子在晶体表面“感受”的横向与纵向势场,建立了能够预测单组份(单元)材料结晶能力的理论模型(下称凝结势模型),并通过对一元材料生长的分子动力学模拟以及与实验相比较,验证了该模型的可靠性。(2)将凝结势模型推广应用于二元体材料的结晶能力预测,通过对Ni-A1和Cu-Au体系晶体生长的分子动力学模拟验证了模型的可靠性,并且成功解释了实验上镍基单晶高温合金中Al掺杂小于6%的现象。(3)在原子水平表面研究吸附原子的扩散和成岛动力学是制备具有特异量子效应光电器件的基础。我们将凝结势模型推广应用于预测固体表面外延岛形状及生长条件,成功地解释了目前已有的多种实验观测,特别是能够解释Pt/Pt(111)在400K下外延生长形成三角形的原子岛,而长期使用的wulff关系则预测其为六边形,与实验事实不吻合。(4)纳米颗粒的催化效率取决于其表面结构,例如Pt(111)面的催化效率要高于其(100)面。因此需要一种快速确定纳米颗粒表面结构的理论方法,向目前已有的相关理论提出了挑战。我们将凝结势模型推广应用于预测纳米颗粒的表面构型,计算得到的Pt和Ni的颗粒表面主要是(111)面,都与实验现象吻合。(5)熔点是材料的重要属性,预测体材料熔点是凝聚态物理的重要课题之一。目前普遍使用的Lindemann判据和Born判据都很难准确地预测各种材料的熔点。我们应用凝结势模型预测材料的熔点,检验了一元金属体材料熔点与凝结势的关系,同时又基于凝结势模型提出了“表面熔化势”的概念,能够很好地描写目前实验所得到的各种一元材料的各个表面的熔点。(6)在新材料设计中,关于硬度的理论预测也具有挑战性。在凝结势模型的基础上,引入了凝结力概念来预测材料的硬度,通过对Ni,Cu,Al,Ir,Rh,Au,Ag,Pd等一元fcc晶体和hcp晶体Re的研究,验证了该模型的可靠性。本文所建立的凝结势模型能够预测材料的多种性质,并且其理论程式简单易行,可以方便地植入半经验以及第一性原理分子动力学计算,有望广泛应用于新材料设计。
【作者】叶祥熙；
【导师】宁西京；
【作者基本信息】复旦大学，原子与分子物理，2012，博士
【关键词】材料设计；单晶生长；二维原子岛；纳米颗粒；熔点；硬度；

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