理论研究菱形结构ZnXO3(X=Ge,Sn和Pb)的力学性质

采用第一性原理的方法计算了菱形结构ZnXO3(X=Ge,Sn和Pb)的弹性系数,进一步研究了材料的力学性质,包括计算其力学稳定性,体模量B,剪切模量G,杨氏模量E,泊松比v和硬度等的力学参数.计算结果显示,菱形结构ZnXO3(X=Ge,Sn和Pb)均满足力学稳定条件;ZnGeO3的抗形变能力最强,硬度和刚度最大,但延展性较差;ZnPbO3的抗形变能力最弱,硬度和刚度最小,但具有较好的延展性.另外,计算了材料的力学各向异性系数,结果表明ZnPbO3的力学各向异性效果较为明显.Bader电荷计算结果表明Ge-O,Sn-O和Pb-O主要形成离子键和部分共价键,同时Ge-O键的离子键和共价键的比例介于Sn-O键和Pb-O键之间,与元素的电负性关系吻合.Ge-O,Sn-O和Pb-O键长依次变大,相互作用逐渐减弱,力学性能相应地降低.本文的研究结果可以对菱形结构ZnXO3在相关力学方面的应用提供重要的参考依据.     

结晶生长的化学键合理论

针对一般晶体的生长过程,在测定相应溶液(熔体)组成结构的基础上,我们引入了晶体生长过渡相区的概念,并采用键价模型来衡量生长过程中发生变化的化学键的键强度。过饱和溶液(熔体)中的生长单元经过生长过渡相区时,依据彼此之间弱的化学键合作用来微调其内部强的化学键,并以单个生长单元或者生长单元的简单连接体的形式键合进入晶格。在整个结晶生长过程中,生长单元之间弱的键合作用对整个结晶过程(生长速度、晶相的形成)起着决定性作用;同时,中等强度的化学键在生长过渡相区中的变化情况对晶体的最终形貌具有重要影响。     

大连理工大学薛冬峰小组超硬材料研究获重要进展

近日,大连理工大学化工学院材料化工系薛冬峰教授研究小组在超硬材料研究方面获得重要进展,该研究小组基于组成原子的电负性建立了鉴别材料硬度的微观模型,成果被国际最权威的物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）接收。这是该研究小组近来继两篇《先进材料》（Advanced Materials）后的又一重大科研成果。     

人造金刚石的微观结构模型

将静态超高压高温合成的人造金刚石晶粒利用RTO包埋法制备成适合TEM观察的样品,发现这些金刚石晶粒是由多根细长的纳米多晶棒沿一定取向规则地以捆束状堆叠、聚集而成,而这些纳米多晶棒之间填充了无定型碳.也就是说,人造金刚石晶粒是由结晶碳素和无定型碳组成的.由此,提出并绘制了人造金刚石晶粒的微观结构模型示意图,可用于解释人造金刚石的各向异性及其他宏观性能特征.在以上结论的基础上,笔者认为业界经常提及的“单晶”金刚石称谓可能并不严谨,可能并不是纯粹由结晶金刚石材料组成.     

CaMnO3晶体材料力学性能的研究

基于密度泛函理论和Birch-Murnaghan状态方程系统分析研究了CaMnO3晶体材料的弹性常数、体弹模量、剪切模量和力学性质.结果表明,CaMnO3晶体材料具有较大的C11和C22,其还具有较大的体弹模量和剪切横量,具有一定的弹性各向异性.其杨氏模量高达219.62 GPa,较不易发生弹性形变.CaMnO3晶体材料具有较小的泊松比和体剪模量比,表明其极强的脆性,其硬度也达到28.255 GPa.CaMnO3晶体材料内部电子局域化较强,价带电子具有较大的有效质量,Mn与O之间的弱共价性结合可能是其高硬度和高剪切模量的原因.     

四方Mo2B基本物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,对新近发现的四方Mo2B在0～40 GPa压力范围内的物性进行了研究,研究内容包括弹性、各向异性、脆性延展性、硬度、理论强度、热容、热膨胀系数等基本物理性质.研究发现在0～40 GPa压力范围内,四方Mo2B晶体均满足力学稳定性条件,并且表现出较强的各向同性.同时发现该晶体具有较高的抗压缩能力,但抗剪切能力较差,抗压和抗剪切能力会随压力增加而增长.此外还发现四方Mo2B为韧性材料,且压力越大韧性越强.计算显示它的维氏硬度为14.3 GPa,限制其作为超硬材料的应用.通过应力-应变的计算发现其不同方向的理想拉伸及剪切强度都比较低.此外,还利用准谐德拜模型研究了四方Mo2B的热膨胀系数以及定容热容等热力学性质.     

薄膜砷化镓太阳能电池晶圆片金-金键合热应力影响因素分析

针对砷化镓太阳能电池键合过程中键合界面位错密度过大、部分区域解键合等问题,通过金-金热压键合技术结合有限元方法,提出了一系列降低结构热应力的有效途径.以砷化镓薄膜电池GaAs/Au/PI晶圆片为研究对象,建立三维电池模型,观察和分析了在热和压力同时作用下键合界面的热应力分布及结构变形情况,并探究了金层厚度与热压曲线对结构热应力的影响.分析结果表明,所提出的改进方法使结构热应力大大减少,提高了电池的键合率.     

电离对晶体生长的作用

为什么有的晶体材料容易生长,而有的则很难.本文通过分析溶液或熔体的电离状态对晶体生长的影响,认为晶体生长的难易程度主要决定于该晶体材料在液相状态下电离度的大小,电离是所有化学键晶体生长的必要条件.通过比较各类晶体生长难易程度与价键结构及其化学元素组成的关系,认为:以偏离子性键、金属键结合的材料,在熔体状态下的电离度大,容易形成晶相;以偏共价键结合的化合物电离度小,难于生长单晶体,但容易制作非晶或纳米材料.     

不同晶面单晶铝纳米压痕测试及有限元模拟

采用纳米压入法对单晶铝(100)、(110)、(111)晶面进行力学性能分析,结合实验得到荷载-位移曲线,利用连续刚度技术获得单晶铝的弹性模量和硬度.结果表明:单晶铝具有良好的塑性性能,不同晶面的塑性能力从大到小依次为(110)晶面、(111)晶面、(100)晶面.材料弹性模量和硬度变化趋势一致,不同晶面弹性模量和硬度的大小关系为:(110)晶面＞(111)晶面＞(100)晶面.由于晶体变形时发生位错形核与发射,导致荷载-位移曲线在压入初期表现出位移爆发现象.同时运用ABAQUS有限元软件,使用单晶各向异性本构模型定义材料属性,对不同晶面的单晶铝进行仿真模拟,通过反复对比实验与模拟所得的荷载-位移曲线得到不同晶面各向异性的相关材料参数,并分析得出了最大压深时的正应力、剪应力及残余压痕分布的对称性.     

硅基Ⅳ族SiGeSn三元合金晶格结构、电子结构和光学性质的第一性原理

SiGeSn三元合金由于具有较二元合金更大的晶格和能带性质调控范围,是当前用于制作硅基激光器的热点材料。为全面且精确地研究其晶格结构、电子结构和光学性质,本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,并结合准随机近似和杂化泛函带隙修正,首先研究SiGeSn晶格常数及其弯曲系数的变化规律,并给出了解决GeSn二元晶格失配和压应变问题的方案。其次比较研究了SiGeSn与GeSn合金的能带结构,并通过态密度计算分析了Si的引入对合金带隙变化的物理机制。最后比较研究了SiGeSn与GeSn合金的介电函数谱、吸收系数、消光系数、反射率、折射率和发射率等光学性质。结果表明,SiGeSn晶格常数弯曲系数的变化与合金电负性差值的变化规律一致,Si-p电子态是SiGeSn合金带隙变化的最主要贡献。相比于同Sn浓度的GeSn合金,SiGeSn能保持直接带隙特征,且其带隙值和光吸收波长呈现更宽的变化范围。因此在拓宽硅基高效光源和光电探测器应用波段方面,SiGeSn相较于GeSn合金具有更大的应用潜力和优势。