量子力学及其发展推动着材料科学以及近代科学技术的发展.结合电子结构进行合金设计的种种理论 方法及应用研究,表述了材料物性的量子力学背景以及“原子学模型”研究在材料科学发展中的重 要作用【’一3>.金属合金及缺陷的电子结构研究标志着材料科学的本质性进展,构成材料设计 的重要基础.量子力学及发展中的统计理论为复杂材料体系的掺杂一缺陷复合效应、组分选择、物 质结构演化及其与宏观物性的相关机制提供了重要的理论工具,具有直接的应用意义.1建立和发展理论研究体系基于量子理论、Green函数及分子动力学方法,研究微合金化元素及结构缺陷的量子效应及其与 材料物性的相关机制是材料科学与固体理论交叉领域中极为活跃的科学前沿,反映了材料科学的近 代发展趋势.以此背景,我们以近代固体量子理论和方法为基础,建立和发展了一个理论研究体系 14一’4>’),包括理论模型、原子结构、电子结构及声子激发计算以及在发展原子间相互作 用势基础上的能量学、动力学及热力学研究.提出并强调杂质与结构缺陷复合的量子效应是我们研 究思想的核心.视问题的特点和需要,采用第一原理方法与Green函数方法相结合,电子结构 计算与原子间相互作用势及分子动力学方法相结合是我们的主要研究方式.我们在过渡金属合金体 系进行了较为广泛的研究,发现或揭示了几个重要问题的量子效应及其与材料物性相关的可能机制 ,建立和发展了一组以电子结构为基础的能量学计算式及第一原理原子间相互作用势,为材料科学 的原子学模型研究提供理论基础,对开发新材料具有指导作用.我们建立的理论研究体系框架示于图1.2主要进展及理论研究结果2.1发展第一原理原子间相互作用势!峨,原子间相互作用势作为理论基础,在材料科学与固体物理交叉领域中特别在缺陷复合体的能量学、动 力学及热力学研究中处于关键地位.它应该具有多体性和可传递性且不依赖于第3期王崇愚等:金 属缺陷电子结构及能量学研究与材料设计经验参数.从本世纪初以来,相关研究一直处于探索和发展之中.有效介质理论Il密度泛函理论瓦丽焉网 l间相互作用势 l第一原理原子晶界及晶体缺陷体系声于谱(
态密度).格点能,杂质局域模及相应本征矢,杂质一 缺陷复合体能量及谱特征热力学理论.自由能振动熵金属或合金的原子参散原子结构及电子组态分 立变分(DV.X口)方法.多重散射波X&0“S-X田方法.单体格林函数(RecIlⅨb n)方法.电子结构及能量学信息结构缺陷复合体系‘晶界.位错,界面……)准动态,有限温度 及恒温-恒压分子动力学理论(N0sc.H00vef理论).结构分布最数动力学分布函晶界 几何理论金属及金属问化合物理论原子结构,格点能。体系能量.界面能,杂质偏聚能,原子问相 互作用能.缺陷复合体能量.原子扩散系数,界面活性.体系能量.局域原子团能量空位形成能, 弹性模量,杂质形成能.相关于晶界或晶体的宏观物性或行为:力性(强度断裂,脆性).晶界掺杂效应。晶界键合特性,电子学特性(电子发射……)。晶界与位错的复合行为.图1理论研究体系框架 我们在局域密度泛函及有效介质理论的框架下,基于分立变分Xoc方法及非参数化计算技术,建立 了以电子密度为泛函宗量的原子间相互作用势.同时基于局域原子组态与电子密度瞬变相关概念,发展了理论计算模式,并对动能修正项进行了基于第一原理计算的处理.相关主要表达式如下:/,. \ ,. E洲吨=∑E;“(两+∑(I‰dr)_l+∑I{4e,(
dr,自然科学进展—国 家重点实验室通讯第6卷(2)式中』E李为动能修正项,e。【n>是联系于完整固体的单电子 能量,e二【n>是联系于体系中含有一个空位的单电子能量,气及气,分别对应于电子气体系含有或不含有空位的体系的单电子动能.E了叹万‘)一￡严区,)一:,万,+」E李=艺CepPep区,),(3)(3)式中E钾压 〕为原子间相互作用势函数,:‘为Hartree势积分,Pep(万〕为正交多项式,Ce。为展开系数.主要理论计算结果列于表1、图2及图3.可以预期:我们建立的原子间相互作用势适于研究复杂扩 展态缺陷体系以及依赖于有限温度的动力学体系.此外,基于原子间相互作用能建立的“键序形式 ”原子间势也被用于过渡金属晶界结构研究阎.表1空位形成能及体弹性模量的理论计算结果及实验数据a)含』E卜不含dE卜实验值B/GPa40,1186E:/ev 139一27一4(),一印a)表中jE产为动能修正~l吞2~3()4400 势芝喇招一1心2‘势3公4400A芝喇拙 晶格参数/10一,nm 图2体系能量与晶格参数l—r为不含动能修正的原子间相互作用势;2—E.为埋置能;3—3. 万4.5晶格参数/10一,nmFeP为基于第一原理计算建立的原子间相互作用势,4—为基 于第一原理计算的结合能.(a)Ni晶体和(b)NIUI晶界体系3以洲)2以刃11洲洲)二￡l丫一丁、工J一.!l于,}尸1 4.…?‘·f卜。一x毗侣味哈 晶界倾转角/(.)图3晶界能量与晶界倾转角 刃为重位点阵晶界特征符号2.2层错的且子效应及微最氧的作用机制l“, 基于实验发现及理论分析,我们提出杂质氧-层错复合体模型,强调并预期复合体的量子效应.同时 从紧束缚Harnllton或动力矩阵出发,用实空间Green函数方法,分别计算了复合体 的电子结构及声子谱,着重研究了层错物理,揭示了层错及其复合体能量的量子力学背景.相关研究的主要进展和发现为:(l)层错能量的主要贡献来自电子,声子作为玻色子在高温时的贡献应予考虑.经典的原子键第3期王祟愚等:金属缺陷电子结构及能量学研究与材料设计几J扩二模型难以解释层错能的机制.(幼轻杂质氧附加在层错面上,加速位错攀移,预期将促进再结晶过程.而过渡金属则降低层错能,增加层错出现率及层错宽度,导致对位错攀移的限制. (3)层错形貌及层错出现率的电镜观测,证实了量子理论计算所预期的来自电子贡献的层错能量影响层错的出现率及相应的层错宽度. 另一方面,基于位错线上的平衡方程,我们建立了以电子结构计算为基础的层错能与位错运动的相关 表式,计算了微量元素对位错攀移速率的影响,给出了微量氧与再结晶能力和合金磁性的关系.微 量氧一层错复合体对物性及相关可测量的影响(层错能、层错宽度、形变织构及再结晶织构、合金 磁性)已由电镜及X射线实验以及磁性测量所证实或支持,综合研究结果列于表2,氧对位错运动的影响示于图4.上述研究对探索、判明和预期微量轻杂质及缺陷复合体的作用,具有重要意义.表ZNi基含氧合金的理论计算和实验结果金属 或合金 层错能(10一,) /J·an一2理论值实验值层错视场 出现率电镜实验 层错宽度理论值实验值位错攀移 速率理论值再结晶 能力实验结果磁性人 G/oe实验值 Ni Nl~O (单杂质模型) N卜Fe (单杂质模型) Ni一Fe合金(Fe:质量分数12%)Ni一Fe(质量分数1 20/0) 一O充氧合金(质量分数>0.01%) 不锈钢152.8203.5 印>见一 1印一10>40%一l%86203目沉)<50an/s(12(X)℃)>2侧)。刀/s(12阅℃)再结晶织构弥散(1100℃)完善的立方织构(1 100℃)<15xl了>l的xl护甲乙用 4oo.1,目︸哥侧瑕称卿犯划2.3微最掺杂一结构缺陷复合体电子结构及相关能 t学研究‘氏8一’21 基于晶界结构特征、微量杂质晶界偏聚实验以及尺寸因素和键合特征,我们提出双杂质一单空位类晶 界复合体模型,平行地基于重位点阵模型,建立了多种晶界结构,用实空间Green函数方法、 多重散射波X:方法、分立变分X:及分子动力学方法,研究了有广泛应用背景的过渡金属基掺杂 合金的电子结构及掺杂晶界的原子结构,给出了体系能谱、态密度、结合能、结构能以及电荷转移 、键序及差分电荷分布.同时建立了计算缺陷复合体及晶界能量的一组表达式,给出了与原子键合特性以及与合金及晶界力学特性相关的原//2 0 801) 16的 沮度Z℃图4位错运动速率与合金氧含量及温度 的关系 1—Ni基含氧层错,2—Ni不含氧层错. 诊”120“。;、、︺ttj,、?,自然科学进展—国家重点实验室通讯第6卷子间相互作用能 、杂质一空位结合能以及杂化键能.揭示了几类轻杂质在晶界上的不同偏聚倾向及其对晶界的影响 .含硼合金的电荷转移计算发现,杂质硼存在S轨道“电子穴”,与此相关,建立了与合金塑性相 关的“电荷重新分布能”计算式,发现并揭示了“电荷重新分布能”依赖于硼在合金中的原子组态 及局域电子结构,预期了微量硼改善合金塑性具有电子效应机制.同时,原子结构与电子结构相结 合的理论研究表明,硼在晶界上有较强的偏聚性.键序及原子间相互作用能计算结果显示,硼与基 体原子有较强的成键倾向.上述理论研究反映了硼改善合金物性的量子力学背景.杂质硼一空位复 合体局域原子组态与局域能量相关的理论计算结果列于表3,晶界掺杂效应的研穷结果列于表4.表3杂质硼一空位复合体电子结构理论计算结果“)对称性 畸变度/%五龙“/c·l了eV长一了c·1了eV长一对e·l护eVS:一,一。/c eV 凡户/e ev 五阎/e eV模型1模型2 巧(句; 7.528一3.6258一3.6157 3.女珍8 3.2176一1 .2172一>.2肠7一0.3327一2.0100一1 .
More abstracts about the 金属缺陷电子结构及能量学研究与材料设计