凝結勢模型

體材料的性能不僅依賴於其成分，更加取決於其微觀結構。我們知道，不同材料形成單晶的能力差異很大。例如，石英或硅在一般條件下便可形成線徑較大的單晶體，而金剛石在2000℃和幾十億Pa高壓下僅能形成毫米大小的晶體。1989年，理論工作預測氮化碳晶體具有與金剛石相當的硬度。然而到目前，人們所能製備出的氮化碳晶粒不超過幾十微米。因此，在材料設計中形成晶體的能力是極其重要的因素。 如果某種材料的結晶能力很差，便沒必要從實驗上探討其製備。

晶體的生長、缺陷及多晶及枝晶的形成一直是感興趣的課題。相場模型能夠很好地描述枝晶生長，也能預測材料形成單晶體的可能性。然而，該模型以界面自由能和動力學係數為參數，而這兩個參數難以確定，加之該模型涉及巨大的計算量，使其難以快速地評價單晶體形成能力。而新發展的一種凝結勢模型可以快速準確地評價材料形成單晶體的能力。其計算簡單，在常規從頭計算下即可獲得結果。該模型認為，晶體生長的好壞與晶面的勢場相關。當熔體原子被一個表面吸附時，它沿垂直方向接近該表面感受到勢谷Pz，在表面上沿某一方向移動時感受到另一水平勢谷Ps。兩個勢谷越深則被該原子被吸附于格點的概率越大，越有利於形成完美晶格結構。如果某一方向的勢谷深度為零則不能形成晶體。也就是說，Pz與Ps的乘積越大形成單晶體的能力越強。因此，結晶勢P被定義為Pz與Ps的乘積，P值大小用來衡量材料形成單晶體的能力。P應是生長溫度T的函數，因為不同溫度對應不同的晶格常數。目前，該模型能夠很好地預測單質[1,6,7]及二元合金[2,8]的形成單晶體的能力和材料的熔點[3]，並被成功運用於燃料電池中鉑和鎳納米顆粒的構型預測[4,5]。

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參考資料
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 鉑納米顆粒生長和結構的理論預測
5 Theoretical prediction of the growth and surface structure of Pt and Ni nanoparticles
6 體材料結晶能力的理論預測
7 體材料結晶能力的理論預測
8 預測材料結晶能力的理論模型