凝结势模型

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体材料的性能不仅依赖于其成分,更加取决于其微观结构。我们知道,不同材料形成单晶的能力差异很大。例如,石英或硅在一般条件下便可形成线径较大的单晶体,而金刚石在2000℃和几十亿Pa高压下仅能形成毫米大小的晶体。1989年,理论工作预测氮化碳晶体具有与金刚石相当的硬度。然而到目前,人们所能制备出的氮化碳晶粒不超过几十微米。因此,在材料设计中形成晶体的能力是极其重要的因素。 如果某种材料的结晶能力很差,便没必要从实验上探讨其制备。

晶体的生长、缺陷及多晶及枝晶的形成一直是感兴趣的课题。相场模型能够很好地描述枝晶生长,也能预测材料形成单晶体的可能性。然而,该模型以界面自由能和动力学系数为参数,而这两个参数难以确定,加之该模型涉及巨大的计算量,使其难以快速地评价单晶体形成能力。而新发展的一种凝结势模型可以快速准确地评价材料形成单晶体的能力。其计算简单,在常规从头计算下即可获得结果。该模型认为,晶体生长的好坏与晶面的势场相关。当熔体原子被一个表面吸附时,它沿垂直方向接近该表面感受到势谷Pz,在表面上沿某一方向移动时感受到另一水平势谷Ps。两个势谷越深则被该原子被吸附于格点的概率越大,越有利于形成完美晶格结构。如果某一方向的势谷深度为零则不能形成晶体。也就是说,Pz与Ps的乘积越大形成单晶体的能力越强。因此,结晶势P被定义为Pz与Ps的乘积,P值大小用来衡量材料形成单晶体的能力。P应是生长温度T的函数,因为不同温度对应不同的晶格常数。目前,该模型能够很好地预测单质[1,6,7]及二元合金[2,8]的形成单晶体的能力和材料的熔点[3],并被成功运用于燃料电池中铂和镍纳米颗粒的构型预测[4,5]。

注:本研究作者即下列参考资料之作者,对下列参考资料拥有版权
参考资料
1 Evaluating the ability to form single crystal
2 Doping influence on the ability to form single crystals
3 Predicting the melting temperatures of bulk materials
4 铂纳米颗粒生长和结构的理论预测
5 Theoretical prediction of the growth and surface structure of Pt and Ni nanoparticles
6 体材料结晶能力的理论预测
7 体材料结晶能力的理论预测
8 预测材料结晶能力的理论模型