原子模拟金属锆中点缺陷行为

锆合金广泛用于核工业,在辐照条件下,会产生形状和构型相对复杂的点缺陷团簇,并直接影响材料的物理性能。尽管已有大量针对锆的缺陷行为研究,但基于高通量原子构型搜索,并结合蒙特卡洛模拟实现具有原子分辨率的宏观尺度下的点缺陷行为研究,目前相关工作还比较少。采用激发弛豫算法(体系从一个局部能量最低值移动到相邻的另一个局部能量最低值的过程)给出了不同尺寸空位团簇、间隙团簇的稳定和亚稳定构型,通过计算这些构型的形成能、结合能和激发能等关键参数,确定不同尺寸下的能量最低构型,发现中小数目的空位团簇和间隙团簇的稳定构型的分布存在共性,并且中等数目的团簇构型由小数目的原醋构型构成等规律,这些规律揭示了金属锆中点缺陷的形成演化规律及其稳定构型的分布特征。     

Fe团簇在Fe（110）表面上扩散和结构稳定性的分子动力学研究

采用嵌入原子势和分子动力学方法研究了Fe的小团簇（小于10个原子）在Fe（110）表面上的结构稳定性和扩散特性.计算结果表明体心立方结构的Fe表面,四原子和七原子团簇有较高的转变能和扩散势垒,说明这两种团簇比其他原子团簇更稳定和容易观测到.这两种团簇可能是薄膜生长过程中的临界晶核.研究了三聚体的旋转扩散和团簇扩散过程中二聚体剪切机制,发现二聚体扩散可能是Fe的小团簇在Fe（110）表面扩散的一种重要扩散方式.     

马氏体钢中铬原子对空位-氦团簇作用的第一性原理研究

利用第一性原理计算方法研究了Cr原子对纯Fe和Fe9Cr合金中空位-氦(VacHe_n)团簇类型缺陷的影响.研究发现小的He_n团簇也会引起强烈的晶格畸变,尤其是He_n团簇周围的自间隙Fe原子倾向于产生自发射现象,即：Fe原子仍然倾向于从He_n团簇附近转移到无穷远,但当n>2时Fe9Cr的空位形成能低于纯Fe,这表明Cr原子可以在一定程度上提高Fe原子在He_n团簇周围的稳定性.另外,VacHe_n在纯Fe中比在Fe9Cr合金中更稳定,并且Fe9Cr合金中的空位团簇对He原子的俘获能的明显小于纯Fe中的俘获能,这表明溶解Cr原子的斥力会削弱He原子的聚集.研究结果有助于阐释He泡马氏体钢的生长机理及其对其稳定性和机械性能的影响.     

钨晶界中氦和氢性质的分子静力学模拟

国际热核聚变实验堆(ITER)中的偏滤器部分受到大量氦、氢离子流轰击,钨因熔点高、高温性能优异而常被选作这一部件的护甲材料,但氦、氢倾向于在晶界等缺陷处聚集成团簇,从而引起钨表面起泡、肿胀等,致使材料性能下降,使用寿命下降。文中采用分子静力学方法研究了氦和氢在钨晶界附近的性质。首先计算了25个绕100轴旋转不同角度的对称倾斜钨晶界的晶界能,选取其中能量较低的∑5(310)和∑5(210)晶界为研究对象,计算了缺陷与晶界的相互作用。结果表明:在晶界附近,垂直于界面的方向上原子层间距明显增大,晶界的膨胀畸变和面间滑移为缺陷提供了有利环境;晶界的影响区域为4,在这一范围内空位、间隙氦和间隙氢的形成能小于块体中的;当离晶界面距离大于4,可近似认为是块体。研究结果可为钨中氦/氢泡生长和释放相关的实验提供一定依据和指导。     

金属纳米团簇在电化学领域的应用研究进展

尺寸小于2nm的金属纳米团簇是由几个到几百个原子组成的纳米结构材料.对于金属纳米团簇,由于其大部分甚至所有金属原子可能暴露于表面而具有高的表面原子比例,该独特的原子堆积结构使其具有高的表面活性,因此其在催化反应中具有重要应用价值.同时,其明确的原子排列和堆积结构使其可作为模型催化剂,用于研究纳米结构-性能之间的关系.笔者简要总结了近年来金属纳米团簇的研究进展和现状,重点总结了其在电化学领域的应用,包括电催化和电化学传感,最后对其未来在电催化和电分析领域的应用前景进行了展望.     

钚中空位对氦泡生长影响的动力学Monte Carlo研究

对于氦在金属中的行为特性研究,人们已经做了大量工作;但对于金属钚,这方面的工作仍然非常少.钚的自辐照效应可以在自身引入大量的空位和氦原子,这些空位及氦原子扩散、聚集,会对材料性能造成不良影响.本文采用动力学Monte Carlo(KMC)方法,分别建立了纯氦模型和空位模型,进行模拟研究,发现空位对氦泡生长速度、生长形态都有明显的影响.     

MSn_（10）（M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）团簇的稳定性和磁性研究

采用密度泛函理论（density functional theory,DFT）中的广义梯度近似（generalized gradient approximation,GGA）对Sn11团簇的4种同分异构体（对称性分别为D5h,D5d,D4h,D4d）的几何结构、电子结构计算研究,得出对称性为D5d的团簇最稳定.将Sn11团簇的中心原子替换成过渡金属原子成为MSn10（M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）团簇,对其稳定性和磁性进行了分析.在Sn11团簇中将中心原子替换成过渡金属原子后,束缚能都变小了,说明过渡金属原子的替换提高了原锡团簇的稳定性,其中NiSn10团簇的束缚能最小,稳定性最强.过渡金属原子都具有一定的磁性,当把这些原子掺入锡团簇后,过渡金属原子的磁性都有所减弱,其中MSn10（M=Sc,Ti,V,Ni）团簇的磁性完全消失,其原因在于掺杂后,团簇中各原子的电荷分布发生了变化.     

MSn10(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)团簇的稳定性和磁性研究

采用密度泛函理论(density functional theory,DFT)中的广义梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)对Sn11团簇的4种同分异构体(对称性分别为D5h,D5d,D4h,D4d)的几何结构、电子结构计算研究,得出对称性为D5d的团簇最稳定.将Sn11团簇的中心原子替换成过渡金属原子成为MSn10(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)团簇,对其稳定性和磁性进行了分析.在Sn11团簇中将中心原子替换成过渡金属原子后,束缚能都变小了,说明过渡金属原子的替换提高了原锡团簇的稳定性,其中NiSn10团簇的束缚能最小,稳定性最强.过渡金属原子都具有一定的磁性,当把这些原子掺入锡团簇后,过渡金属原子的磁性都有所减弱,其中MSn10(M=Sc,Ti,V,Ni)团簇的磁性完全消失,其原因在于掺杂后,团簇中各原子的电荷分布发生了变化.     

有机分子笼封装金属纳米团簇的合成策略与催化应用

金属纳米团簇是由若干金属原子组成的纳米材料，尺寸介于单个金属原子和纳米颗粒之间，具有独特的几何和电子结构，在催化反应中展现出良好的性能.然而裸露的金属纳米团簇由于表面能较高，在催化过程中容易聚集失活.近年来，有机分子笼(organic molecular cages,OMCs)作为一种新兴的多孔材料受到了广泛关注.将金属纳米团簇封装在有机分子笼的限域空间内不仅可以提高其粒径均一性，还可以提高稳定性.有机分子笼的孔道结构完全开放，封装在其内部的金属纳米团簇在氧化、还原、偶联、产氢等反应中仍保持较高的催化活性.本文简要总结了有机分子笼封装金属纳米团簇的合成策略以及这类材料在催化领域的应用.     

GemSin(m=1,2;n=1～7)团簇结构与性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)对GemSin(m=1, 2;n=1～7)团簇的结构及稳定性进行了研究. 在B3LYP/6-311G水平上进行了结构优化和频率分析,得到了各团簇的最低能量结构. 对最稳定结构的二阶能量差分、分裂能、成键特性等性质进行了理论研究. 结果表明:GemSin团簇的稳定结构与Sis(s=m n)团簇的结构相似,相同尺寸的混合团簇原子间的成键特性非常相似,这为找到大尺寸的GemSin团簇稳定结构提供了一条有效途径. 电荷主要是从Ge原子转移到Si原子. 在所研究的团簇中,GeSi3, GeSi6, Ge2Si2, Ge2Si5的结构较稳定.     

钨基辐照材料纳米氦泡诱导位错成核的分子模拟

基于分子动力学模拟,系统研究纳米氦泡的内压、孔径和温度对钨基辐照材料位错成核机理的影响.首次采用微动弹性带(nudged elastic band,NEB)方法对氦泡诱导位错成核的能垒进行分析.研究发现,存在一个极限氦/空位比,当氦/空位比超过该极限值时,纳米氦泡通过内压驱动位错成核、位错竞争与反应、交滑移等微观机理生...     

降温过程对Au24Cu19合金团簇结构变化影响

采用基于嵌入原子法的正则系综NVT分子动力学方法在原子尺度上计算了包含24个金原子和19个铜原子的Au24Cu19双金属团簇在急冷和连续降温过程中的结构演化.根据原子平均势能、主要原子键对数目以及原子堆积结构随温度的变化表明，随着温度的降低，团簇表现为铜原子在内，金原子和少量铜原子包覆在外的构型.在温度被降低到较高温度区间时，急冷降温过程中，键对数目呈高-低振荡变化；连续冷却过程中，键对数目则呈低-高振荡变化.在温度较低的区间，直至400K，这两个冷却条件下的键对数目表现为同步变化.     

计算机模拟在薄膜外延生长中的应用

计算机模拟是计算机技术的一个重要应用领域,具有高效、快捷、经济等多种特点.以Cu膜为例用Monte Carlo算法模拟了薄膜生长的随机过程,并提出了更加完善的模型.在合理选择原子间相互作用计算方法的基础上,考虑了原子的吸附、在生长表面的迁移及迁移所引起的近邻原子连带效应、从生长表面的脱附等过程.利用自行编写的4个软件模拟计算了薄膜的早期成核情况以及表征薄膜生长表面状况的粗糙度和表征薄膜内部晶格完整性的相对密度.结果表明,随着衬底温度的升高或入射率的降低,沉积在衬底上的原子逐步由众多各自独立的离散型分布向聚集状态过渡形成一些岛核,并且逐步由二维岛核向三维岛核过渡.在一定的原子入射率下,存在3个优化温度,成核率最高时的最大成核温度Tn,薄膜的表面粗糙度最低时的生长转变温度Tr,相对密度趋近于1时的相对密度饱和温度Td.三者均随入射率的对数形式近似线性增大,并且基本重合.这说明在一定入射率下这3个优化温度近似相等.这一现象的原因在于三者的形成机理都是基于原子的热运动.这一结论使探索工艺条件时不仅可以采用计算机模拟的方法,而且可以从早期最大成核条件预计沉积较厚薄膜的最佳生长工艺.同时发现,随着入射率的增大,相对密度不断减小.可是在不同温度区域入射率对早期成核率和表面粗糙度的影响不同.当温度较低时,随着入射率的增大,最大成核率基本不变,表面粗糙度不断增大;当温度较高时,随着入射率的增大,最大成核率不断增大,但表面粗糙度不断减小.     

多核钨原子簇的结构解析

利用ＥＸＡＦＳ结合ＩＲ等技术对５种含钨原子的多核原子簇的结构进行了研究．提出了一种在原子簇中的吸收原子有不同配位环境时的处理方法．依据表观配位数Ｎｊ′与原子簇中吸收原子总数的乘积即为各种吸收原子数与它真实的配位数Ｎｐｊ乘积之和的原则进行处理．用此法处理了２个样品     

锆自辐射损伤的分子动力学模拟与缺陷判定研究

采用分子动力学方法,模拟了300 K温度时由能量10 keV到50 keV的初级反冲原子(primary knock-on atom, PKA)在密排六方(hexagonal close packed, HCP)结构锆晶体内自辐射造成的级联碰撞.采用离位原子判定法、自间隙原子(self-interstitial atom, SIA)判定法以及Wigner-Seitz(WS)原胞分割法等三种方法对级联碰撞过程中产生的点缺陷进行了判定.通过对比不同方法获得的点缺陷变化趋势、统计涨落、鲁棒性等特征,发现采用WS分割方法获得的点缺陷数更适合用于描述锆晶体中级联碰撞的辐射损伤.此外还研究了自间隙原子的基本扩散特征,结果发现其更倾向于一种二维(2D)扩散.     

Influence of composition and size on the thermodynamic stability and structural evolution of CuAlNi nanoclusters

The heating process for CuAlNi nanoclusters with cuboctahedral structure was studied by molecular dynamics simulation with the embedded atom method. A diffusionless martensitic transformation from the cuboctahedral (CO) to the icosahedral (ICO) structure before the melting point was found in some CuAlNi nanoclusters. The effects of element composition and cluster size on the thermodynamic stability and structural transformation of trimetallic nanoclusters were investigated. The results show that the CO–ICO transformation temperature was size-dependent and occurred only for small clusters. It was also observed that the CO–ICO transformation temperature firstly dropped and then raised as Al concentration increased, which may be strongly related to the release of excess energy. Furthermore, the surface segregation phenomenon was also observed that the lower surface energy components, such as Al and Cu atoms, segregated to the surface of CuAlNi nanoclusters. The changes in the melting points of CuAlNi nanoclusters with different alloy compositions and cluster sizes were also studied. And furthermore, the physical basis of structural transition of CuAlNi nanoclusters was discussed.     

Si10团簇与Si(111)面碰撞的紧束缚分子动力学模拟

利用紧束缚分子动力学方法模拟研究了Si10团簇与Si(111)表面碰撞的微观过程．研究了入射动能在10—60eV之间的碰撞过程，给出了不同时刻体系的原子位置的微观状态图．结果表明：Si10与Si(111)面碰撞时，吸附在晶体表面的能量域值为20eV，替位域能为30eV，损伤域能为40eV；入射能量大于50eV时，晶体表面严重损伤并且在60eV时，发现在外延层有Si7团簇生成；Si10团簇保持其结构特性吸附在Si(111)表面，需要的最佳能量在10～20ev之间，进而通过对碰撞结果的讨论得到了改变轰击能量可以控制外延生长的结构的结论。     

Zr53Cu18.7Ni12Al16.3过冷熔体的原子结构以及动力学性质的研究

本文采用第一性原理分子动力学方法,模拟了Zr53Cu18.7Ni12Al16.3过冷液体的原子结构,以及其对动力学性质的影响.通过对Al原子周围的偏对分布函数的分析,发现该过冷液体的原子结构可用以Al原子为中心的团簇来表征.这种局域结构稳定程度的空间不均匀性,导致了过冷液体的动力学在空间分布上的不均匀性,即出现速度较慢的原子.这种慢原子的出现,使得该过冷液体在过冷相区内发生动力学迟缓,从而抑制了晶化.     

Al3团簇及其表面锂原子吸附的理论研究

基于密度泛函理论（DFT）,分别对Al3和Al3Li团簇可能的几种结构进行优化和频率分析,随后对所获得的结构分别采用 Becke三参数混合泛函（B3LYP）方法和耦合簇理论CCSD（T）方法计算单点能。计算结果表明：Li原子位于Al3团簇表面桥位时,能量最高;位于顶位时,能量次之;位于洞位时团簇最稳定。结合频率分析,进一步对Li原子在Al3团簇表面的扩散行为进行了研究。研究表明,位于桥位的Li原子可能通过顶位这一过渡态向Al3团簇中心位置扩散,从而形成稳定的结构。与Al3团簇相比,Al3Li（Li原子位于洞位时）团簇中,Li原子的吸附使得Al-Al原子之间的键长增加了;铝原子也由原来的电中性转变为带负电了。