材料——材料学科研究进展

利用俄歇电子能谱(AES)研究了高真空下温度和氧对铀铌合金表面成分的影响。结果表明在673K时，氧在合金表面表现出很强的解吸能力，温度加速氧离子、原子或分子向合金体内扩散，加速体内的C和U离子或原子向表面偏折。铀铌合金的高温氧化和室温氧化截然不同。     

Nb-Al合金高温氧化机理

通过自编软件建立了铝氧化膜与基体铌界面的原子集团模型,用递归法计算了合金的原子埋置能、原子结合能等电子参数,从电子层面分析铌合金高温氧化机理.研究表明:铝通过晶界扩散偏聚在合金表面,并与氧结合生成致密的Al2O3氧化膜,阻挡氧向铌基体扩散.晶界和稀土元素能提高氧化膜与基体间的原子结合能,增加其界面的结合强度,加强氧化膜与基体铌间的黏附性.因此,通过在合金中添加稀土元素或细化合金晶粒均能提高铌合金的抗高温氧化性能.     

氧气环境中金属铀表面氧化过程的XRD研究

利用X射线衍射（XRD）对金属铀在纯氧环境中50，100，200℃和300℃等温反应过程进行原位分析。定性分析结果显示，50，100，200℃条件下试样表面氧化产物为氟化钙结构的UO2，且UO2生成速度随温度上升迅速加快，200℃下已经观察不到氧化过程；300℃下试样表面首先形成一定厚度的UO2，接着UO2进一步氧化形成U3O8。     

铌合金电子结构及其高温氧化行为

为了从电子层面揭示Nb合金高温氧化的物理本质,采用递归法计算了Nb合金的电子态密度、原子镶嵌能、亲和能等电子结构参数,探索Nb合金高温氧化机理.研究表明:氧在Nb中具备较高的扩散速率和溶解度,且氧与Nb较易发生反应,生成氧化物,这使Nb的抗高温氧化性较差.原子镶嵌能的计算结果表明,合金元素Ti,Si,Cr在基体中稳定性较低,易向Nb合金表面扩散,形成富Ti,Si,Cr的表层.合金表层中氧与Nb,Ti,Si,Cr间具有较大亲和性,可以生成相应的氧化物,形成对合金具有保护作用的氧化膜. 关键词： 递归法 高温氧化 Nb合金     

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。     

铀与UO2表面铝薄膜生长行为的俄歇电子能谱分析

主要利用俄歇电子能谱（AES）原位分析了室温下铀与UO2表面铝薄膜的生长行为。在俄歇电子能谱仪超高真空室中，利用Ar^＋枪溅射铝靶，使其沉积到铀基体上，然后利用电子枪适时采集表面俄歇电子能谱，原位分析铝薄膜的生长过程。在UO2表面沉积铝膜时，先往真空室中充入氧气，将清洁铀表面氧化成UO2，然后再溅射铝靶原位沉积制备铝薄膜。     

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     

Nb掺杂对TiO2/NiTi界面电子结构影响的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了Nb掺杂对TiO2/NiTi界面电子结构的影响.体系生成能的计算结果表明,4种TiO2/NiTi界面结构中,NiTi中Ti原子和TiO2中O原子相邻的界面,即Ti/O界面的生成能最大,结构最稳定.在Ti/O界面结构优化的基础上,态密度、电荷分布以及集居数的计算结果均表明:Nb原子取代界面上的Ti原子后,界面原子之间的结合力增强,且界面附近的基体和氧化层中原子之间的相互作用也增加,有利于促进NiTi合金抗氧化性能的提高.     

自辐射场下UO3分子光谱研究

铀原子和氧原子分别使用相对论有效原子实势（Relativistic Effective Core Potential）和6-311+G(d)基组，采用优选的密度泛函B3P86方法，研究了铀本身产生自辐射场（-0.005～0.005a.u.）作用下UO3基态分子的最高占据轨道（HOMO）能级EH、最低空轨道（LUMO）能级EL、能隙Eg、费米能级FL和谐振频率ν．结果表明：UO3分子在自辐射场中的谐振频率ν2(b1)、ν3(a1) 、ν4(a1) 和ν6(b2)与实验值151.5 cm-1、186.2 cm-1、745.7 cm-1和852.6cm-1基本吻合．EH随自辐射场的增加而减少，EL随自辐射场的增加而增大，Eg始终处于增大的趋势，费米能级FL上升，占据轨道的电子难以被激发至空轨道而形成激发态，UO3分子在自辐射场中更趋于稳定，可以阻止O2、H2等扩散到表面内层而腐蚀铀表面，有利于了铀在自辐射场中抗腐蚀．     

铀与表面铝薄膜界面反应的俄歇电子能谱分析

主要利用俄歇电子能谱（AES）研究了室温下铀、UO2与表面铝薄膜之间的界面反应，以及退火对界面反应的影响。在俄歇电子能谱仪超高真空室中，利用Ar^＋枪溅射铝靶，使其分别逐步沉积到铀基体与UO2表面上，然后利用电子枪适时采集表面俄歇电子能谱，研究膜基界面反应。     

超临界CO2钝化金属铀的理论研究

超临界CO2可以清洗核材料表面，同时也可以起到钝化作用。有关超临界CO2的热力学，分子结构与分子反应动力学以及实验的研究从微观与宏观都明确指出，超临界CO2可以与铀生成UO2，UC和C等，但是没有对化学性质的定量和钝化层的结构进行计算。本研究正是补充此方面的研究。应用化学热力学原理对超临界CO2与铀反应生成的UO2、UC和C等化学性质进行计算并利用Gaussian 98程序对反应后形成的钝化层结构进行计算。     

沉积态铀薄膜表面氧化的X射线光电子能谱

含铀(U)薄膜在激光惯性约束聚变的实验研究中有重要的用途.研究其在不同气氛下的氧化性能可以为微靶制备、储存及物理实验提供关键的实验数据.通过超高真空磁控溅射技术制备了纯U薄膜及金-铀(Au-U)复合平面膜,将其在大气、高纯氩(Ar)气及超高真空度环境中暴露一段时间后,利用X射线光电子能谱仪结合Ar~+束深度剖析技术考察U层中氧(O)元素分布及价态,分析氧化产物及机理.结果显示,初始状态的U薄膜中未检测到O的存在.Au-U复合薄膜中的微观缺陷减弱了Au防护层的屏蔽效果,使其在3周左右时间内严重氧化,产物为U表面致密的氧化膜及缺陷周围的点状腐蚀物,主要成分均为二氧化铀(UO_2).在高纯Ar气中纯U薄膜仅暴露6 h后表面即被严重氧化,生成厚度不均匀的UO_2.在超高真空度环境下保存12 h后,纯U薄膜表面也发生明显氧化,生成厚度不足1 nm的UO_2.Ar~+束对铀氧化物的刻蚀会因择优溅射效应而使UO_2被还原成非化学计量的UO_(2-x),但这种效应受O含量的影响.     

Fe-Cr-Al合金高温氧化行为电子理论研究

从电子层面系统研究Fe-Cr-Al合金氧化膜的形成机理,杂质硫对氧化膜黏附性的影响,稀土元素在改善氧化膜黏附性方面的作用,揭示合金氧化的物理本质.研究表明氧使Al在合金表层的环境敏感镶嵌能最低,促使Al原子从合金内部向合金表面扩散,最终在合金表面偏聚.由于氧与Al间的亲和力较大,氧原子易与Al结合生成Al2O3保护膜.杂质S在基体/氧化膜界面的环境敏感镶嵌能较低,可通过扩散偏聚在基体/氧化膜界面,削弱氧化膜与合金基体的结合力.当合金中加入Y后,Y易与S结合形成稳定的硫化物,阻碍S向基体/氧化膜界面的偏聚,显著提高氧化膜的黏附性,提高合金抗高温氧化能力.     

Nb掺杂影响NiTi金属间化合物电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了Nb元素掺杂对B2构型NiTi金属间化合物电子结构的影响.点缺陷生成能的计算结果表明,Nb原子掺杂后,NiTi中产生Ni原子和Ti原子空位和反位点缺陷所需要的能量均明显升高;态密度计算结果表明,Nb原子掺杂后与临近原子发生了明显的s-s, p-p和d-d电子相互作用,增加了与临近原子之间的电荷密度,有利于Nb与合金原子的成键.这些由Nb掺杂所导致的NiTi电子结构和键合特征的变化均有利于促进Nb与合金原子的相互作用,在一定程 关键词： NiTi金属间化合物 点缺陷 电子结构 第一性原理计算     

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.     

水在金属氧化物表面的吸附与解离

水(H2O)由H原子和O原子组成.地球上有大量的水,若能找到一种经济、实用的方法将H2O解离生成H2和O2,则在新能源的开发和应用方面,意义深远.水在固体表面的吸附现象极为普遍,在某些金属或金属氧化物表面,H2O被吸附并解离成OH-和H+.文章以有序氧化镁(MgO(100))薄膜和Pd/MgO(100)体系为例,在超高真空条件下,用光电子能谱和高分辨电子能量损失谱方法,研究了水在它们表面的吸附与解离.研究结果表明,H2O在MgO(100)表面可以被部分解离,而H2O在Pd/MgO(100)表面的解离与Pd的含量有关.了解水与固体表面的相互作用机理还需要做更多的基础研究工作.     

氮化铌表面氧化物的XPS研究

本文用X射线光电子能谱(XPS)对室温下自然氧化和射频氧化的氮化铌薄膜表面进行了成分分析。指出:与在类似条件下纯铌膜的氧化不同,NbN膜的表面氧化物中不存在NbO和NbO₂,而是以Nb₂O₃作为从NbN到Nb₂O_5-y的过渡相。氮化铌在氧化过程中表现出一种抑制Nb₂O,NbO等低价传导性氧化物生成的能力,这对于用氧化物作势垒的超导隧道结的研制具有实际参考价值。 关键词：     

Nb掺杂对TiO2/NiTi界面电子结构影响的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了Nb掺杂对TiO₂/NiTi界面电子结构的影响.体系生成能的计算结果表明,4种TiO₂/NiTi界面结构中,NiTi中Ti原子和TiO₂中O原子相邻的界面,即Ti/O界面的生成能最大,结构最稳定.在Ti/O界面结构优化的基础上,态密度、电荷分布以及集居数的计算结果均表明：Nb原子取代界面上的Ti原子后,界面原子之间的结合力增强,且界面附近的基体和氧化层中原子之间的相互作用也增加,有利 关键词： NiTi金属间化合物 2/NiTi界面')" href="#">TiO₂/NiTi界面 电子结构 第一性原理计算     

反应磁控溅射制备TiO2和Nb2O5混合光学薄膜

利用反应磁控溅射技术在BK-7基片上制备了二氧化钛和五氧化二铌均匀混合的光学薄膜.薄膜的内部微结构、表面形貌、化学成分比例以及光学性质等用X射线衍射、高分辨扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱和紫外可见近红外分光光度计进行研究;发现制备的薄膜为非晶结构,薄膜的表面平整、内部结构致密,不存在柱状结构或结晶颗粒的缺陷,TiO2与Nb2O5的成分比例大致是1∶1.54.从光学透射光谱计算的折射率和消光系数显示,在550 nm波长处的折射率为2.34,消光系数为2.0×10－4.结果表明制备的薄膜是TiO2和Nb2O5均匀混合的高质量光学薄膜.     

Fe-Cr-Al合金氧化膜形成机理电子理论研究

通过自编软件建立了Fe-Cr-Al合金表面、氧化膜/基体界面模型,采用递归法计算了合金元素在Fe-Cr-Al合金表面、氧化膜/基体界面的环境敏感镶嵌能、亲和能、结合能、态密度等电子结构参数.从电子层次系统研究了Fe-Cr-Al合金氧化膜的形成机理、稀土元素和杂质硫对氧化膜形成过程及黏附性的影响机理.研究表明Fe-Cr-Al合金中Al的偏聚驱动力远大于Y,Cr.氧化初期氧从合金表面向合金内部扩散,合金内部Al向合金表面扩散,使合金形成富铝、氧表面层;氧与Al间的亲和力较大（亲和能低）,氧原子容易与Al结合生成Al₂O₃保护膜;合金中加入Y后,Y在合金表面偏聚,抑制Al向合金表面扩散,氧化膜的横向生长得到有效控制,从而避免氧化膜皱褶形貌的发生,提高氧化膜的黏附性;合金内部的S通过扩散汇集在基体/氧化膜界面,S使界面区原子的总能增高,总态密度降低,减小了界面的稳定性,进而削弱氧化膜与合金基体的结合力. 关键词： 电子结构 高温氧化 Fe-Cr-Al合金