第一性原理研究Nb、Sn、Cu、Fe和Cr对Zr (0001)晶面抗疖状腐蚀性能的影响

采用密度泛函理论研究Nb、Sn、Cu、Fe和Cr 5种合金元素对氧在Zr(0001)晶面吸附能的影响, 发现Nb、Sn和Cu会促进氧在Zr(0001)晶面吸附, Fe和Cr对氧吸附的影响因吸附的位置不同而存在差异。研究5种合金元素对氧化后Zr(0001)晶面化学键的破坏情况, 发现Nb对Zr(0001)晶面破坏程度最小而且可以迅速复原, Sn可以使(0001)晶面相邻的两个化学键都变长, 对晶面的破坏性大。最后讨论5种合金元素在Zr(0001)晶面的偏聚能, 发现Sn、Fe和Cr偏聚能为负值, 容易偏聚到Zr(0001)晶面, 而Nb和Cu偏聚能为正值, 不易在Zr(0001)晶面偏聚。综合以上分析, Nb可以促进氧在Zr(0001)晶面的吸附行为, 氧化后(0001)晶面可以快速复原, 从而阻碍其他氧原子进入, 抑制疖状腐蚀的发生。Sn容易偏聚到Zr(0001)晶面, 可以促进氧在Zr(0001)晶面吸附, 氧化后会造成Zr(0001)晶面较大的破坏, 促进氧进入Zr(0001)晶面, 促进疖状腐蚀的发生。     

氧原子在Zr(0001)表面附近的扩散

在密度泛函理论计算的基础上,利用微动弹性带（nudged elastic band）方法研究了氧原子在Zr（0001）表面附近的扩散.首先计算了氧原子从稳定的表面面心立方（SFCC）位置向表面六角密排位置的扩散激活能（0.77 eV）;然后计算了氧原子从稳定的SFCC位置扩散到表面下第1层与第2层之间的八面体间隙位置,再继续向表面下第2层与第3层之间的八面体间隙位置扩散的激活能,在此过程中氧原子需克服两个能垒,其激活能分别为2.14和2.57 eV.结果表明,氧原子在Zr（0001）表面上方的扩散比较容易,而氧原子向Zr（0001）表面下的扩散相对较难. 关键词： Zr（0001）表面 微动弹性带 氧的扩散     

Ru(0001) 表面BaO吸附层的原子结构和氮分子的吸附性质

采用密度泛函理论研究了Ru(0001) /BaO表面的原子层结构和氮分子的吸附性质. 研究结果表明, 在低覆盖度下氧化钡倾向于以相同的构型形成Ru(0001) 表面原子层. 在此构型中, 氧原子位于表面p(1× 1) 结构的hcp谷位, 而钡原子则位于同一p(1× 1) 结构的顶位附近. 钌氧键键长等于0.209 nm, 比EXAFS的实验值大0.018 nm. 在Ru(0001) /BaO表面氮分子倾向吸附于钡原子附近. 相应位置的氮分子吸附能位于0.70到0.87 eV之间, 大于氧原子附近的氮分子吸附能. 钡原子附近的钌原子对氮分子具有更强的活化性能. 相应位置的氮分子拉伸振动频率等于1946 cm^{- 1}, 比氧原子附近的最大分子振动频率小约130 cm^-1. Ru(0001) /BaO表面氮分子键强度介于清洁Ru(0001) 和Ru(0001) /Ba表面之间. Ru(0001)/BaO表面不同位置的氮分子吸附性质差异是由钡和氧原子化学性质不同造成的. 表面钡原子的作用能够减少吸附氮分子的σ^*轨道电子密度, 增加π^*轨道电子密度, 从而增强氮分子和钌原子间的轨道杂化作用, 弱化氮分子键.     

铜基大块非晶合金添加微量元素对腐蚀行为的影响机理研究

通过分子动力学方法模拟了Cu-Al合金液相,然后模拟降温过程得到Cu-Al非晶合金.通过计算机编程建立了Cu-Al-M非晶基体、Cu-Al-M非晶表面及吸附O原子Cu-Al-M非晶表面原子结构模型.利用实空间连分数方法,研究了添加微量合金元素Zr,Nb,Ta,V,Y,Sc对Cu基大块非晶合金的腐蚀行为的影响机理.研究发现合金元素Zr,Nb,Ta,V,Sc不向清洁Cu基非晶表面偏聚,但除Y外向有氧吸附的表面偏聚,说明有氧吸附后Cu基非晶表面偏聚发生逆转.键级积分计算表明Zr,Nb,Ta,V,Y,Sc元素均增大与氧之间的结合力,易形成氧化膜,提高Cu基大块非晶的耐蚀性.稀土Y提高Cu基大块非晶的耐蚀性可能是由于它向合金与氧化膜界面偏聚并提高了合金与氧化膜的结合力.     

ZnO(0001)表面吸附B的电子结构和光学性质研究

采用基于密度泛函理论的总体能量平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似,对清洁ZnO(0001)表面及B/ZnO(0001)吸附体系进行了几何结构优化,计算了B/ZnO(0001)吸附体系的吸附能、能带结构、电子态密度和光学性质.计算结果表明:B在ZnO(0001)表面最稳定的吸附位置是T₄位.吸附后B/ZnO(0001)吸附体系表面带隙有所减小,表面态的组成发生变化,n型导电特性有一定程度的减弱,同时,对紫外光的吸收能力显著增强. 关键词： ZnO(0001)表面 B吸附 电子结构 光学性质     

二维全同Nb4团簇在Cu(100)表面的结构稳定性和电子性质

使用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法和超原胞模型,研究了吸附在Cu(100)表面上的二维有序排列的幻数团簇Nb4的结构稳定性及其电子结构性质.计算表明,四面体结构和平面的菱形结构的Nb4团簇都可以稳定地吸附在Cu(100)表面上,这个体系很可能有重要的应用前景.在Cu(100)表面上,菱形结构的Nb4比四面体结构的Nb4更稳定,从Nb4团簇的四面体结构到菱形结构,需经过的势垒高度约为0.94 eV/团蔟.电子结构的计算表明,在Nb4吸附后,Cu(100)表面与Nb4团簇间有明显的电荷重新分布,表面Cu原子的电子态密度也明显改变.     

Ba和Sr原子在ZnO(0001)表面吸附的密度泛函理论研究（英文）

我们采用密度泛函理论下的平面波赝势方法研究Ba和Sr原子在ZnO(0001)表面的吸附结构和性质,仔细研究了三个吸附位(T_4,H_3和Top).发现Ba和Sr吸附在表面的H3和T4位时,他们之间的结合能相差很小,且这两种金属更易于吸附在表面的T_4位,我们把计算的结果与贵金属在ZnO(0001)表面的吸附行为及前人的实验结果进行了比较,理论上发现Ag和Au易于吸附在ZnO(0001)表面的H3位,而实验上观察到即使在很小吸附比的条件下ZnO(0001)表面上也能形成Cu的团簇结构,这主要是由于Cu和ZnO(0001)表面衬底强的相互作用所致.     

Ba和Sr原子在ZnO(0001)表面吸附的密度泛函理论研究

我们采用密度泛函理论下的平面波赝势方法研究Ba和Sr原子在ZnO(0001)表面的吸附结构和性质,仔细研究了三个吸附位（T4, H3 and Top）。发现Ba和Sr吸附在表面的H3和T4位时,他们之间的结合能相差很小,且这两种金属更易于吸附在表面的T4位,我们把计算的结果与贵金属在ZnO(0001)表面的吸附行为及前人的实验结果进行了比较,理论上发现Ag和Au易于吸附在ZnO(0001)表面的H3位,而实验上观察到即使在很小吸附比的条件下ZnO(0001)表面上也能形成Cu的团簇结构,这主要是由于Cu和ZnO(0001)表面衬底强的相互作用所致。     

Ba和Sr原子在ZnO(0001)表面吸附的密度泛函理论研究

我们采用密度泛函理论下的平面波赝势方法研究Ba和Sr原子在ZnO(0001)表面的吸附结构和性质,仔细研究了三个吸附位（T4, H3 and Top）。发现Ba和Sr吸附在表面的H3和T4位时,他们之间的结合能相差很小,且这两种金属更易于吸附在表面的T4位,我们把计算的结果与贵金属在ZnO(0001)表面的吸附行为及前人的实验结果进行了比较,理论上发现Ag和Au易于吸附在ZnO(0001)表面的H3位,而实验上观察到即使在很小吸附比的条件下ZnO(0001)表面上也能形成Cu的团簇结构,这主要是由于Cu和ZnO(0001)表面衬底强的相互作用所致。     

铝阳极氧化过程中氢对氧迁移影响的理论研究

为了研究铝阳极氧化过程中离子在阳极反应中的行为,利用第一性原理研究了氢原子对氧原子在铝(111)表面的吸附迁移行为的影响及氧原子向铝晶体内部的渗透行为的影响.结果表明,由于“抽象”(abstract)效应,氢原子的存在大大降低了氧进入铝晶体的能垒.氢原子的引入也影响了氧原子在铝晶体中的扩散,这可以显著降低氧原子在四面体间隙位置之间迁移的活化能(从1.23eV到0.35eV).这些结论助于我们了解阳极氧化过程和离子迁移过程.     

超导材料Nb3Ge表面氧化

运用密度泛函理论计算了氧（O）在Nb3Ge表面的吸附,结果表明O倾向于吸附在Nb原子周围,并与Nb的电子轨道发生了明显的交叠,O与Nb形成兼具共价键和离子键特性的化学键。利用X射线光电子能谱对自然氧化的Nb3Ge表面进行成分分析发现:氧化层中只存在Nb的氧化物,理论计算结果与实验结果一致。由于O容易与Nb结合,最外层的Nb因逐渐氧化而耗尽,在接触势的驱使下,内部的Nb原子与最外层的Ge原子交换,最终使得Nb与O的形成氧化物在Nb3Ge表面聚集,在该氧化层下面是由于Nb的耗尽而形成的Ge聚集层。     

Element segregation on the surfaces of pure aluminum foils

The surface segregation trend of trace elements in pure aluminum foils was investigated by density functional theory. The model of nine-layer Al(1 0 0) slab substituted partially by trace element atoms was proposed for calculating surface segregation energy. The calculating results show that (i) B, Mg, Si, Ga, Ge, Y, In, Sn, Sb, Pb and Bi exhibit negative segregation energy and possibly move to the surface, while Be, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zr exhibit positive segregation energies and migrated into the bulk; (ii) the segregation energy was found to be related with the covalent radius, the relaxed position at the surface of the substituting atom and the surface energy; (iii) the segregation behavior of trace element generates lots of defects and dislocation, which can increase the initial pitting nucleation sites in the surface of aluminum foils; (iv) the impurity atom concentration was tested with Pb-doped surfaces, the calculated negative segregation energies in all coverage increases rapidly with the Pb coverage. These conclusions are helpful for designing of the chemical composition and to advance the tunnel etching of aluminum foils.     

Nb-Ti-Al合金高温氧化机理电子理论研究

采用递归法计算了Nb合金的电子态密度、原子镶嵌能、亲和能和团簇能等电子结构参数,研究Nb合金高温氧化机理.研究表明,氧在Nb合金表面的吸附能较低,易在合金表面吸附,并逐渐扩散到Nb合金的基体中.氧在合金基体中镶嵌能为负值,氧的态密度和Nb相似,在Nb中具有很高的溶解度.Ti,Al在合金晶内的镶嵌能均高于各自在合金表面的镶嵌能,Ti,Al从合金内部向合金表面扩散,最终在Nb合金表面偏聚,形成富Ti,Al的表层.团簇能计算结果表明Nb合金表面的Ti,Al原子各自均有聚集倾向,分别形成Ti和Al原子团.氧与合金     

A model for oxidation-driven surface segregation and transport on Pt-alloys studied by atom probe tomography

Using a purpose-built 3D atom probe, we have previously shown that exposure to oxidising gases (NO, N₂O, O₂) induces Rh surface segregation in Pt–Rh alloys, the extent of which is strongly dependent on treatment temperature, crystallographic plane and the presence of ternary alloy additions. In this paper, the segregation trends identified on three different crystallographic surfaces of Pt–Rh are analysed using thermodynamic and kinetic arguments. The segregation model we present is generic for diffusion on alloy surfaces in the presence of active gases. From it we obtain activation energies and diffusion coefficients for the processes of metal-oxide species diffusion both perpendicular to and laterally across the surface. Using these we propose a simple model for the interaction of chemically active gases with the surfaces of such alloys. Applying this understanding to sequential oxidation/reduction treatments would in principle allow improved control of the surface composition of alloy catalysts. Related applications of this model include optimisation of core–shell catalyst nanoparticles.     

Ni与钇稳定的氧化锆(111)表面相互作用以及界面活性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统研究了Ni原子在钇稳定的氧化锆(YSZ)(111)和富氧的YSZ(YSZ+O)(111)表面不同位置的吸附, 以及CO和O₂分子在Ni₁(单个镍原子)/YSZ和Ni₁/YSZ+O表面吸附的几何与电子结构特征. 结果表明: 1) 单个Ni原子倾向于吸附在O原子周围, 几乎不吸附在Y原子周围, 且Ni原子在氧空位上吸附最稳定; 2)和YSZ相比, 单个Ni原子在YSZ+O表面易发生氧化现象, Ni原子失去1.06 e电子, 被氧化成了Ni⁺, 吸附能力更强; 3)被氧化的Ni催化活性大幅下降, 大大减弱了表面对O₂和CO等燃料气体的吸附作用.     

Trapping of oxygen by zirconium in dilute niobium-zirconium alloys

We have shown by X-ray absorption spectroscopy that oxygen is trapped by Zr in dilute NbZr alloys. Oxygen occupies the nearest octahedral sites next to a Zr ztom. There is one O atom trapped by each Zr atom. The angular information needed for the exact location of the O is obtained from a “lens” effect in the EXAFS which is observed when the O shadows a Nb back-scatterer. At 1075°C and below there is no precipitation of zirconium oxides in Nb.     

Zr-4合金压缩形变行为的研究

密排六方结构的Zr呈现弹塑性各向异性,轧制工艺会使材料内部产生晶间应力.准确地评估Zr合金内部的晶间应力分布并明确其微观形变机制,对其服役能力和使用寿命的准确评判具有重要的科学意义和应用价值.利用中子原位衍射技术结合弹塑性自洽(EPSC)模拟分析了Zr-4合金的压缩形变行为,加载方式为沿轧板厚度方向压缩.研究中辅以非原位的背散射电子衍射测试进行织构演化分析及透射电镜(TEM)测试分析缺陷形态.EPSC模拟可以定量地给出不同形变量下的形变机制,并且计算结果可由TEM实验佐证.研究表明:当形变量较小(0.55%)时,柱面{10ˉ10}?11ˉ20?(?a?型)滑移起主导作用;随着塑性形变量的增加,锥面滑移的作用增强,且锥面{10ˉ11}?11ˉ23?(?c+a?型)滑移的作用大于柱面{10ˉ10}?11ˉ20?(?a?型)滑移,少量的锥面{10ˉ11}?11ˉ20?(?a?型)和{10ˉ12}?11ˉ20?(?a?型)滑移也存在.     

Transformation of femtoliter metal cups to oxide cups: chemical mapping by scanning Auger spectroscopy

Cup-like structures of In, Sn and Nb on Si substrates with femtoliter capacity obtained by pulsed laser ablation, have been subjected to different oxidation treatments and examined employing spatially resolved scanning Auger spectroscopy and microscopy (SR-AES and SAM). The as-prepared cups, when exposed to ambient conditions are found to have a native oxide layer at the surface that could be easily removed by Ar ion sputtering, resulting in clean metal cups, suitable for functionalization. In the case of In cups, the thin metal layer at the bottom of the cups could be easily removed by sputtering to form In rings. Cups subjected to an external oxidation treatment have a thicker oxide layer in comparison to in-situ dosing of oxygen. In the case of Nb cups, the high temperature treatment employed during oxidation resulted in the segregation of Si to the surface of the cups. There is also evidence for the formation of a metal-silicon alloy at the center of the cups, especially in the case of Sn and Nb, during the oxidation treatment at elevated temperatures. PACS 68.37.Xy; 68.47.De; 81.15.Fg; 81.65.Mq; 81.70.Jb