Mg-Al合金熔体中固液界面结构的分子动力学研究

本文采用分子动力学研究了Mg-3%Al合金熔体中固液界面结构及界面附近原子的扩散行为.计算结果表明,该二元合金的固液界面为粗糙界面.垂直于界面方向的数密度分布,表现出复杂波动的特征,这种波动一直延伸到液体中.在界面附近的区域,扩散系数的三个不同方向的分量表现出了明显的各向异性,并且这种各向异性一直持续到液相当中.对界面二维结构的分析表明,界面附近液相原子的二维排列呈现出从长程有序逐渐过渡到短程有序的变化.     

Mg-Al合金熔体中固液界面结构的分子动力学研究

本文采用分子动力学研究了Mg-3%Al合金熔体中固液界面结构及界面附近原子的扩散行为.计算结果表明,该二元合金的固液界面为粗糙界面.垂直于界面方向的数密度分布,表现出复杂波动的特征,这种波动一直延伸到液体中.在界面附近的区域,扩散系数的三个不同方向的分量表现出了明显的各向异性,并且这种各向异性一直持续到液相当中.对界面二维结构的分析表明,界面附近液相原子的二维排列呈现出从长程有序逐渐过渡到短程有序的变化.     

模型二元有序合金固液界面结构的分子动力学研究

采用分子动力学方法,研究了模型二元有序合金体系的平衡界面结构和界面处原子的扩散行为.计算结果表明,该二元有序合金的固液界面属于光滑界面.由于固体中同时存在结构和化学有序,从而导致界面处的原子结构与单质以及异质固液界面的结构明显不同.在界面法向方向上,粒子数密度呈复杂的波动行为,并延伸到液体中约30 (A).对界面层的二维结构分析表明,固液转变层部分原子形成了二维固体团簇.从固体到液体,扩散系数从零逐渐增加到一个饱和值.在界面处附近,平行于界面方向的扩散系数明显比垂直于界面方向的大.     

BCC枝晶生长原子堆垛过程的晶体相场研究

通过在自由能泛函中引入各向异性参数得到了一个基于高斯内核的改进晶体相场模型, 并采用该模型研究了体心立方结构(BCC)枝晶生长的原子堆垛过程. 结果表明, 在BCC由正十二面体平衡形貌演化为枝晶组织过程中, 形核位置经历了由面心({110}面)到尖端(<100>取向)的转移, 进而发生界面失稳形成枝晶组织; 枝晶生长过程中, 新的固相原子首先在枝晶尖端附近形核, 并快速向尖端及根部生长, 枝晶尖端被新原子完全包覆后将再次诱发液相原子附着形核及生长; 随初始液相密度的增加, 固-液界面移动速率增加, 速率系数的各向异性也增强.     

二维三组元声子晶体中的半狄拉克点及奇异特性

设计了一种二维三组元声子晶体结构, 利用偶然简并的方法在布里渊区中心实现了半狄拉克点, 探究了随着组元几何参数的改变半狄拉克点的演变过程. 利用有限元方法研究发现在半狄拉克点频率附近沿着ΓX 方向声子晶体表现出与零折射率材料相似的行为, 许多奇异特性如单向透射等均可以观察到. 另外还发现在半狄拉克点频率附近声子晶体是各向异性的, 沿着不同方向声波的传播现象是不同的, 这种特性是狄拉克点及类狄拉克点所不具备的. 这种各向异性的声波传播特性有许多重要的应用, 如单方向完美透射和单方向波前整形等.     

界面能各向异性对定向凝固枝晶生长的影响

采用元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固枝晶生长的影响. 模拟结果显示当晶体的择优生长方向与热流方向一致时, 随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由弱界面能各向异性时的海藻晶转变为强界面能各向异性时的树枝晶. 同时, 界面能各向异性强度会影响稳态枝晶尖端状态的选择, 界面能各向异性越强, 定向凝固稳态枝晶尖端半径越小, 尖端界面前沿的液相浓度和过冷度越小. 稳态枝晶生长的尖端状态选择参数与界面能各向异性强度也存在标度律的指数关系, 而枝晶一次间距则受界面能各向异性强度影响较弱. 当晶体的择优生长方向与热流方向呈-40°夹角时随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由海藻晶逐渐转变为退化枝晶, 后又逐渐转变为倾斜枝晶. 关键词： 元胞自动机 枝晶 界面能各向异性     

钆含量对Fe-B-Nb-Gd非晶合金磁学性能和氧化机制的影响规律

研究了Gd含量对(Fe₇₃B₂₂Nb₅)_100-xGd_x(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)合金非晶形成能力、热稳定性和磁学性能的影响规律,并对比分析了非晶氧化机制.通过添加Gd元素,合金的原子尺寸差超过13%,构型熵增大了30%,提升了合金的非晶形成能力.随着Gd含量的增大,过冷液相区范围达到73 K,热稳定性得到明显增强.Gd元素导致合金局部各向异性受到限制,准位错偶极子型缺陷密度降低.这有效减少了阻碍磁畴壁旋转的钉扎位点,提高合金软磁性能.此外,Gd元素使得非晶在氧化过程中对温度的变化更为敏感,达到最大氧化速率的温度降低了15 K,但是并未恶化其抗氧化性能.Gd原子受结合能影响向表层迁移,形成的富Gd氧化物填充了表层缺陷,占据了大量顶部空间,合金表面附近的结构更加致密.这种结构减少了氧原子通过微观组织界面进行扩散的通道,有助于增强抗氧化性能.     

c轴垂直取向FePt薄膜的磁和磁光性能研究

采用直流磁控溅射的方法在氧化镁(100)单晶基板上生长了一系列c轴垂直取向的FePt薄膜,通过改变沉积时的基板温度,薄膜从Fe,Pt原子无序排列的面心立方结构逐渐变化到有序排列的L10相面心四方结构.在此基础上,系统研究了FePt薄膜的化学有序度对磁和磁光性能的影响.随着有序度的增加,FePt薄膜的磁晶各向异性能,以及沿垂直方向的矫顽力、剩磁比均增加,在基板温度高于530℃时制备的薄膜中的磁晶各向异性能超过1J/cm3.同时,还观察到有序FePt合金薄膜的磁光克尔光谱(克尔转角的大小和极值所对应的跃迁光子能量)随化学有序度的显著变化.     

表界面调控米级二维单晶原子制造

随着芯片尺寸不断缩小,短沟道效应、热效应日趋显著.开发全新的量子材料体系以实现高性能芯片器件应用已成为当前科技发展的迫切需求.二维材料作为一类重要的量子材料,其天然具备原子层厚度和平面结构,能够有效克服短沟道效应并兼容当代微纳加工工艺,非常有望应用于新一代高性能器件方向.与硅基芯片发展类似,二维材料芯片级器件应用必须基于高质量、大尺寸的二维单晶材料制造.然而,由于二维材料的表界面特性,现有体单晶制备技术不能完全适用于单原子层结构的二维单晶制造.因此,亟需发展新的制备策略以实现大尺寸、高质量的二维单晶原子制造.有鉴于此,本文重点综述表界面调控二维单晶大尺寸制备技术发展现状,总结梳理了米级二维单晶原子制造过程中的3个关键调控方向,即单畴生长调控、单晶衬底制备和多畴取向控制.最后,系统展望了大尺寸二维单晶在未来规模化芯片器件方向的潜在应用前景.     

有序合金中的原子扩散与格点停留时间

到目前为止,有序合金扩散理论尚存在两个重要的问题有待突破.一是如何正确理解原子的热扩散运动与合金中原子有序排列之间的矛盾;二是能否将扩散系数以外的其它理论参量与原子跳跃迁移的相关实验测量联系起来.为了解决这些问题,作者建议使用原子在不同格点的停留时间差异来表达合金的有序度参量.当原子在反结构晶格位置的平均停留时间很短时,原子完全可能以最近邻跳跃的方式在有序合金中迁移而不破坏原子的长程有序排列.以B2-NiGa有序合金为例,根据Ni原子格点停留时间的赝弹性中子散射实验测定,作者计算了1403 K温度时B2-NiCa合金的有序度为78.9%.     

金属纳米颗粒与二维材料异质结构的界面调控和物理性质

二维材料具有原子级光滑表面、纳米级厚度和超高的比表面积,是研究金属纳米颗粒与二维材料的界面相互作用,实时、原位观察金属纳米颗粒的表面原子迁移、结构演化和聚合等热力学行为的重要载体.设计和构筑金属纳米颗粒与二维材料异质结构界面,在原子尺度分析和表征界面结构,揭示材料结构和性能之间的相互关系,对于理解其相互作用和优化器件性能具有重要价值.本文总结了近年来金属纳米颗粒在二维材料表面成核、生长、结构演化及其表征的最新进展,分析了金属纳米颗粒对二维材料晶体结构、电子态、能带结构的影响,探讨了可能的界面应变、界面反应,及其对电学和光学等性质的调控,讨论了金属纳米颗粒对基于二维材料的场效应管器件和光电器件的性能提升策略.为从原子、电子层次揭示微结构、界面原子构型等影响金属纳米颗粒-二维材料异质结性能的物理机制,为金属-二维材料异质结构的研制及其在电子器件、光电器件、能源器件等领域的应用奠定了基础.     

过渡金属掺杂β-GeS的电子性能和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理计算方法系统研究了二维单层β-GeS中取代掺杂不同3d过渡金属原子时体系磁性、能带结构和光学性质的变化.结果表明：相比于本征非磁性β-GeS,取代掺杂Ti～Cu导致β-GeS具有磁性,且磁矩呈现出先增加后减小的变化趋势;掺杂后体系能带结构发生明显变化,分别表现出金属,半金属和半导体性质,而且导带底的位置明显向Fermi能级方向移动.相比于本征体系,非本征体系的光学性质表明：其在一定波段范围内出现蓝移现象以及光响应强度发生变化,且掺杂前后体系均表现出高的各向异性.     

c轴垂直取向FePt薄膜的磁和磁光性能研究

采用直流磁控溅射的方法在氧化镁(100)单晶基板上生长了一系列c轴垂直取向的FePt薄膜，通过改变沉积时的基板温度，薄膜从Fe，Pt原子无序排列的面心立方结构逐渐变化到有序排列的L1₀相面心四方结构.在此基础上，系统研究了FePt薄膜的化学有序度对磁和磁光性能的影响.随着有序度的增加，FePt薄膜的磁晶各向异性能，以及沿垂直方向的矫顽力、剩磁比均增加，在基板温度高于530 ℃时制备的薄膜中的磁晶各向异性能超过1 J/cm³.同时，还观察到有序FePt合金薄膜的磁光克尔光谱(克尔转角的大小和极值所对应的跃迁光子能量)随化学有序度的显著变化. 关键词： FePt薄膜 化学有序度参数 磁光克尔光谱     

含偶氮两亲分子自组装单层膜的扫描力显微镜和共聚焦拉曼光谱研究

两亲性分子在液 /固界面组装成二维有序的结构是目前超分子科学研究的热点。含有偶氮苯单链季铵盐化合物 4-[(4’ -十二烷氧基 )偶氮苯氧基 ]己基三乙基溴化铵 (简写为C12 AzoC6 N+)在水溶液中能聚集成胶束 ,当它自组织到新鲜的云母片上时 ,则形成二维有序的纳米尺寸的树枝状条带结构。为了进一步系统的研究该自组织树枝状条带结构单层膜的性质 ,本文利用扫描力显微镜 (SFM)研究了该化合物在大于其临界胶束浓度时在新鲜的云母片上自组织成树枝状条带结构的行为 ,并通过共聚焦拉曼光谱对该自组织树枝状条带结构单层膜进行了测试 ,指认了固体和自组织单层膜的拉曼位移。通过比较 ,我们进一步确认了在云母片上的自组织的二维有序的纳米尺寸树枝状条带单层膜的结构。这将为这种二维有序的纳米尺寸树枝状条带结构将来的应用奠定基础。     

偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中的各向异性耗散

针对偶极相互作用的玻色-爱因斯坦凝聚体,解析计算了点状杂质沿平行极化轴和垂直极化轴运动的能量耗散率,证明了在超流临界速度更大的方向上耗散率也更高.该结论为最近在162Dy原子气体中观测到的实验现象提供了理论支持.对于一般的运动方向,给出了耗散率在高速极限下以及临界速度附近的渐近形式.结合数值计算的结果,论证了耗散率随方向角的变化总是表现出与临界速度一致的各向异性.     

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.     

Co50Fe50-xSix合金的结构相变和磁性

利用实验测量和理论计算相结合的方法,研究了介于B2结构CoFe低有序合金和L21结构Co2FeSi高有序合金之间的Co50Fe50-xSix合金的结构相变、磁相变、分子磁矩和居里温度.采用考虑Coulomb相互作用的广义梯度近似（GGA＋U）方法计算了合金的能带结构.研究发现,合金出现较强的原子有序倾向,表现出较强的共价成相作用.合金的晶格常数、磁矩、居里温度随Si含量的增加而线性地降低,极限成分Co2FeSi合金的分子磁矩和居里温度分别达到5.92μB和777℃.原子尺寸效应导致合金晶格发生变化,但并未成为居里温度和分子磁矩变化的主导因素.分子磁矩的变化符合Slater-Pauling原理,但发现原子磁矩的变化并非线性,据此提出了共价成相对磁性影响的观点.采用Stearns理论解释了居里温度的变化趋势,排除了原子间距对居里温度的主导影响作用.能带计算的结果还表明,Co2FeSi作为半金属材料并非十分完美,可能在实际应用中会出现自旋极化率降低的问题.发现该系列合金的结构相变和磁相变随着成分的变化聚集在窄小的成分和温度范围内.     

N~+注入修复外延Fe膜面内六重磁对称

为了研究离子注入对外延磁性薄膜面内磁各向异性的影响,用离子加速器对在有错切角的Si(111)面上外延生长的Fe膜进行了N~+注入实验.随着N~+注入剂量的增加,外延生长的Fe膜的面内磁各向异性逐渐从二重对称改变为六重对称.通过透射电子显微镜和刻蚀实验验证,发现离子辐照改变了Fe膜表面和界面的状态.未辐照Fe膜面内二重磁对称来自于由于Si(111)面的错切使得在薄膜界面和表面处形成的原子台阶.N~+注入的溅射作用使得Fe膜表面的原子台阶被擦除,N~+注入使得缓冲层和Fe膜界面处相互扩散导致界面处原子台阶消失.因此,外延Fe膜在大剂量N~+注入后表现出Fe(111)面诱导的六重磁对称.研究结果对于提高面内磁记录密度有潜在的应用价值.     

磁性二维材料的近期研究进展

具有磁各向异性的二维磁性材料可在有限温度下和单层极限下形成磁有序,其宏观磁性与层数、堆叠形式等密切相关且其磁交换作用可被多种外场调控.这些新奇特性赋予了二维磁性材料丰富的物理内涵和潜在的应用价值,受到了研究者的广泛关注.本文着重介绍近年来二维磁体在实验和理论计算两方面的研究进展,首先从几种二维磁性材料中常见的磁交换机制出发,随后以组分作为分类依据,详细介绍一些主要二维磁体的几何和电子结构以及它们的磁耦合方式;在此基础上,再讨论如何通过外部(外场和界面)和内部(堆叠和缺陷)两类方式调控二维磁体的电子结构和磁性;继而探讨如何利用这两类调控方式,将上述材料应用于实际自旋电子学器件以及磁存储等方面的潜力;最后总结和展望了目前二维磁性材料遇到的困难和挑战以及未来可能的研究方向.     

Mn和Co线性单原子链填充Cu纳米管的稳定性和磁性

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,系统地研究了过渡金属(TM)Mn和Co线性单原子链填充Cu纳米管所形成复合结构的稳定性和磁性.相对于孤立单原子链,复合结构的结合能大大增加,表明Cu纳米管的包裹使得Mn和Co单原子链的稳定性显著增强.随着管内TM原子间距的增加,Mn@CuNT复合结构表现出由反铁磁向铁磁的磁相变,而Co@CuNT复合结构则表现出由铁磁向反铁磁的磁相变.相对于自由单原子链,复合结构的磁晶各向异性能显著增强,且Cu纳米管的包裹使得Mn原子链的易磁化方向发生了改变.