原子尺度断裂模拟进展

材料/结构的断裂是一个多尺度过程,绝大多数断裂过程都涉及到原子键的断裂,因此原子尺度的演化对材料的宏观断裂行为有重要影响.随着实验技术的飞速进步,高清电子显微镜已经可以观察到原子尺度的裂纹,而计算能力的日渐强大使得原子尺度模拟成为揭示实验现象背后的断裂机制、研究众多典型纳米结构材料断裂行为的有力工具.在本综述文章中,首先介绍了原子尺度断裂模拟的加载方法,包括均匀加载、速度梯度加载、K场加载和静水应力加载,并综合对比了上述加载方法的适用范围,然后给出了基于原子尺度信息定量计算断裂韧性的方法,包括能量释放率法、线下面积积分法、临界应力强度因子法、原子尺度内聚力模型法和原子尺度J积分法.随后介绍了近年来有代表性的不同类型的纳米结构材料(包括单晶、多晶、孪晶等晶体结构,非晶结构,异质界面结构)断裂行为模拟研究,例如钝化处理的单晶硅太阳能电池裂纹抗力大大增加、锂离子电池中锂化浓度控制的硅电极韧脆转变、错配应力驱动界面自发分层一步制备大尺度纳米硅片.这些研究结果揭示了实验现象背后的机理,同时和实验结果的一致性也印证了原子尺度模拟的可靠性与准确性.最后强调了原子尺度模拟面临的一些问题和挑战,并对将来的发展方向进行了展望.

“原子及近原子尺度制造”的思考与探讨

各位青年科学家:早上好!在讨论开始之前,我想先谈一下我的想法。早在上大学甚至更早的时候,我就对沙龙特别感兴趣。为什么感兴趣呢?那时我脑海中有一个印象,有个哥本哈根学派,他们当年组织了一个沙龙,大家围绕一个主题畅所欲言,无拘无束地自由讨论。我们这个论坛前两天还是以报告为主,每一个报告都很精彩。有这样成功的论坛,一方面感谢我们青年科学家有这么好的研究成果一起分享,同时也特别感谢中国科协主办这个青年科学家论坛。今天我们想回归到沙龙本意,大家畅谈自己的想法。

煤中水分作用于煤自燃反应过程的原子尺度表征

为了探讨煤中水分作用于煤自燃过程的反应机制,创新性地引入同位素标记方法,利用元素示踪原理探讨水分子中各元素的迁移转化规律。将实验煤样用3种同位素水(蒸馏水、D_(2)O、H_(2)^(18)O)进行浸泡、干燥、浸泡等一系列过程处理,得到同位素标记的不同形态水分煤样。通过程序升温氧化实验模拟煤自燃反应过程,利用气相色谱仪测定气体产物体积,同时借助于在线质谱仪测定同位素原子参与生成各类气体的离子流强度,研究水分子中H、O原子作用于气体生成的迁移规律和生成机制。在煤自燃气相产物中检测到了C^(18)O_(2)、C^(18)O和CH_(3)D等同位素气体,说明水分子中H、O原子可以直接参与煤自燃反应过程。煤中不同形态水分在煤自燃反应不同阶段发挥作用:外在水分在煤自燃反应缓慢氧化阶段初期开始参与反应,在快速氧化阶段后期作用减弱;内在水分在煤自燃反应的加速氧化阶段与快速氧化阶段参与反应,在140℃左右作用效果最强。水分子中H与O原子在煤自燃反应过程中参与方式不同,H原子会与煤分子中甲基类自由基反应生成CH_(3)D,而O原子可以参与到含羰基类化合物的生成。

欧洲科学家在原子尺度上观察轮胎中橡胶与炭黑之间的分子运动

据德国European XFEL公司网站2023年9月26日报道,该公司的科学家以世界上最短的时间分辨率观测到轮胎中常用的橡胶成分聚丁二烯和炭黑的分子运动。此项研究揭示了聚丁二烯和炭黑在原子尺度上明显的相互作用,为改进轮胎胶料的降解和开发具有增强耐久性的材料铺平了道路。轮胎胶料是一种复合材料,通常包括合成橡胶基材(如聚丁二烯)和添加的用以提高其物理性能的纳米粒子(如炭黑)。在行驶过程中,强大的外力作用于轮胎上,造成其组分发生相互移动,从而导致材料的磨损和退化。因此,为了评估轮胎性能,重要的是不仅要了解聚合物和纳米粒子形成的复杂粒子网络的静态结构,而且还要了解二者的相互作用和各自的运动,因为这些动力学特征会直接影响诸如耐磨性等材料性能。

原位透射电镜在纳米多孔金原子尺度变形研究中的应用

纳米多孔金(NPG)具有高曲率、高比表面积的结构特征,且比强度较高,作为一种结构功能一体化材料受到广泛关注。然而,影响NPG实际应用的最大障碍之一是其在拉伸作用下内部单根韧带失效导致的塑性失稳。过去的研究主要集中在宏观力学实验的研究,无法直接观察单根韧带的塑性变形行为。随着原位透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)的发展,已具备从原子尺度研究NPG中单根韧带塑性变形过程的能力,这对理解NPG变形机理进而合理设计制备高塑性纳米多孔结构金属具有重要意义。本文主要以近几年利用球差校正透射电子显微镜(Cs⁃corrected TEM)原位原子尺度研究NPG塑性变形的系列工作为例,简要综述了NPG单根韧带在塑性变形过程中位错运动(攀移和滑移)和表面原子扩散行为的最新进展,并对纳米结构金属材料的未来研究进行了展望。

我国科学家首次实现在原子尺度上研究同位素界面

北京大学物理学院高鹏、陈基、王恩哥院士课题组等与材料科学与工程学院刘磊等课题组合作,首次实现了在原子尺度上对同位素界面的研究。该研究成果以《同位素界面上的声子转变》为题于近期在国际学术期刊《自然·通讯》上发表。据介绍,原子尺度上探测同位素界面极具挑战,目前具有原子尺度分辨能力的实验技术只有扫描探针显微镜和透射电子显微镜技术,而前者只能探测表面,后者虽然可以探测包埋的界面,但所有的电镜成像和电子衍射技术都只对质子数目敏感而对中子不敏感,因此无法识别同位素。

原子及近原子尺度制造——制造技术发展趋势

探讨了制造技术发展趋势,论述了制造历史发展的三个阶段,指出原子及近原子尺度制造(ACSM)是下一代制造技术的主流发展趋势,对未来科技发展和高端元件制造具有重要意义。详细分析阐述了ACSM的主要研究内容及关键科学问题,并提出了相应的建议和措施。

CVD金刚石膜{100}取向在改进化学反应模型下生长的原子尺度模拟

建立了CVD金刚石膜狖100狚取向生长过程中的化学反应模型,表面吸附生长机制以沟槽处碳氢组元加入的机制为主,并用改进的KMC方法在原子尺度上模拟了该模型下(100)表面的生长过程,给出了衬底温度和甲基浓度等操作参数对膜质量的影响。结果表明,该化学反应模型能够较实际地揭示狖100狚取向CVD金刚石膜的生长。

CVD金刚石膜｛100｝取向生长的原子尺度仿真

运用动力学蒙特卡洛（ＫＭＣ）方法从原子尺度对ＣＶＤ金刚石膜｛１００｝取向在３种不同化学反应模型下的生长进行了仿真．结果表明：（１）以ＣＨ３为主要生长组元的生长机制比较适合于｛１００｝取向金刚石膜的生长；（２）对金刚石｛１００｝取向而言，含有双碳基团的模型沉积速度并不比含有单碳基团的模型沉积速度大；（３）在高的生长速率下仍有可能获得表面粗糙度较小的金刚石膜；（４）对Ｈａｒｒｉｓ模型的仿真结果与其本人的预测结果一致，并与实验结果符合良好．

低铝含量Ni_(75)Al_xV_(25-x)合金早期沉淀过程的原子尺度计算机模拟

采用微观相场模型,基于离散格点形式的微观扩散方程和非平衡自由能函数,编制了三元Ni75AlxV25-x合金的原子层面计算机模拟程序。模拟发现:低铝含量Ni75AlxV25-x合金的θ相先于γ′相析出,其沉淀机制为等成分有序化+失稳分解;γ′相在θ相的相界处非经典形核,二者均先形成非化学计量比有序相,之后向化学计量比有序相转变。

原子尺度金属纳米线的结构和性质

当物质尺度减少到几层原子时,形成超细的纳米结、纳米线、或者纳米团簇,原有凝聚态物质的结构和物理性质将不再保持,而呈现出许多令人惊奇的奇异特性。本文重点讨论直径大约3 nm以下,具有足够长度的、原子结构往往不同于体材料的准一维金属纳米结构,我们称之为原子尺度金属纳米线或超细金属纳米线(也称为金属原子线)。近年来实验上已经制备和表征出在超高真空中悬挂在两个顶针尖端的Au、Pt、Cu等金属纳米线和纳米管,金属线直径达到1 nm以下而长度为6 nm以上。通过高分辩电子显微镜观察,它们是同轴圆管(或壳)组成的、类似纳米碳管的单壳或多壳结构,管由绕着线轴的螺旋原子绳构成。理论工作围绕这种新奇结构形态的形成机制、奇异的物理性质和可能的应用前景而同时展开。这是一个崭新的纳米世界,无论是对基础的低维物理还是未来分子电子设备的应用,都将产生深远的影响,有许多奇妙的现象正等待人们去发现。本文将对最近几年原子尺度金属纳米线研究工作的主要进展和发展趋势作一个概述,并重点介绍本组有关的具有螺旋结构的纳米线的各类新奇结构和物理性质。

Ti-Al合金相结构与界面特性的电子显微分析及原子尺度计算模拟

对材料的相结构及缺陷的原子排布观察已在几何模型的基础上深入到物理本质,如相结构的稳定性及界面原子弛豫等．本文以比重轻、强度高的ＴｉＡｌ金属间化合物中的Ｔｉ２Ａｌ相及晶界结构为例,说明原子像观察与原子尺度的计算模拟可以提供更全面准确的结构信息．

晶界原子尺度运动机制的研究进展

对近年来研究原子尺度晶界迁移和移动机制的理论和方法进行了系统的评述和总结.归纳了晶界迁移机制的理论模型、晶界迁移机制的原子尺度实验和计算机模拟研究、晶界移动机制的原子尺度计算机模拟研究,讨论了各种晶界运动机制的优点和不足,并展望了材料中晶界运动机制研究的发展趋势.

可公度自组装膜原子尺度黏-滑摩擦特性研究

使用经典分子动力学模拟的方法研究了金(111)上自组装膜的挤压和摩擦过程,计算结果表明摩擦力对应于表面的几何结构而周期变化,膜中不同单体粒子(头基和尾基)以有序的黏滑和跳跃的方式运动,静止下层膜的头基都有2～3个准稳态位置,黏滞阶段头基在其中一个准稳态处振荡,两层相对滑动膜的尾基一起被拖动,而在滑动阶段头基同时跳动到一个新的准稳态,上层膜的尾基相对下层向前跳动晶格常数的一半,由此建立起摩擦过程中自组装膜链分子完整的运动模式并和Tomlinson模型所预测的进行了比较。

一种改进的CVD金刚石膜生长过程原子尺度三维仿真方法

蒙特卡洛动力学(Kinetic Monte Carlo-KMC)仿真方法通过结合金刚石膜生长表面的原子结构和形貌特性,以及对CVD金刚石膜生长过程在原子尺度上的三维表征,可以形象描述CVD金刚石薄膜原子尺度生长过程。本文在介绍KMC方法的同时,分析了所存在问题,并对原有KMC方法加以改进,使之更准确地反映CVD金刚石薄膜原子尺度的生长规律。

原子尺度原位揭示纳米粒子相变微观机制

凝固和熔化是自然界普遍存在的现象,广泛涉及到工业生产及物理、化学、生命、材料和环境等科学研究领域。但是,由于缺乏直接实验依据,目前关于液态、固态之间相变的微观机制认识尚不十分清楚。为此,在原子尺度观察材料相变过程中的成核、生长等微观动力学过程则是认识相变微观机制的关键。由于相变过程的不连续性、瞬时性且发生的空间范围往往在原子尺度等特点,实验上很难实现在操控材料相变的同时对其微观动力学过程进行全面和详细记录。因此,

原子尺度分辨的晶界力学行为TEM原位研究

晶界是多晶材料体系的特征结构之一,对材料的力学等性能具有重要影响。揭示晶界的原子结构及其在外力作用下的演化规律是材料力学性能优化的重要科学基础。当多晶材料的晶粒尺寸减小至纳米尺度后,晶界原子比例的急剧增加导致塑性变形区域主要发生在只有几个原子层厚度的晶界区域。此时,原子尺度分辨率下的原位动态研究成为揭示晶界塑性变形原子机理的必要手段。该文主要介绍本研究团队近年来在晶界变形原子机制研究方法上的主要进展;利用TEM原位研究技术,在金属纳米晶中的晶粒内部位错行为,晶界处的塑性行为研究中的主要科学发现;以及研究者在晶界发射位错、孪晶形核机理及晶界转动的原子尺度机制、晶粒尺寸对塑性行为的影响等取得的主要结论。

评介《嵌入原子方法理论及其在材料科学中的应用——原子尺度材料设计理论》

随着计算机计算能力的提高和计算技术的完善及与材料科学的相结合，计算材料科学得以建立并得到了长足的发展，对新材料的开发和材料性能的改善正在发挥重要的作用，成为当前材料科学最为活跃的前沿领域之一。

纳米Ir薄膜中缺陷结构的原子尺度研究

金属铱(Ir)因具有高密度,高熔点,高硬度等特点而被广泛应用于航空航天、军工等高新科技领域。但Ir的塑性差,严重影响其进一步广泛应用。金属自身的结构及缺陷对其力学性能具有重要影响,研究Ir的原子尺度微观结构可为其力学性能优化提供重要参考。本文主要利用透射电子显微镜(TEM)对纳米Ir薄膜中的缺陷类型和缺陷密度进行了研究。发现薄膜中存在高密度的孪晶以及位错。其中,薄膜中的孪晶密度为1.6×10^(3)(1/μm^(2))。此外,研究还发现薄膜中有两大类缺陷的相互作用:位错与孪晶相互作用以及孪晶与孪晶相互作用。前者包括层错与孪晶相互作用以及全位错对孪晶的钉扎作用;孪晶之间的相互作用形态包括头对头对接式,三重孪晶和五重孪晶等多种形态。

单晶Pt中位错与非共格孪晶界反应的原位原子尺度观察

非共格孪晶界(incoherent twin boundary,ITB)是金属中一种重要的晶界结构,其原子层次结构对金属的力学性能有显著影响。之前虽有一些关于ITB的结构演化及动态行为研究报道,但ITB与全位错相互反应导致ITB结构变化的原位研究还很少见,相关的原子层次机制仍然不清楚。本文以具有高密度生长孪晶的Pt薄膜为研究对象,利用高角环形暗场像揭示了Pt薄膜中ITB的原子结构。在原子层次原位观察到了全位错向ITB运动靠近,然后被ITB吸收的过程。原子尺度的位移分布测量表明全位错向ITB靠近的过程中就会引起ITB结构的变化。分子动力学模拟以及能量计算结果揭示出全位错容易被ITB吸引,然后形成了新的ITB结构而降低系统能量,这一结果很好地解释了这种新ITB结构在生长的薄膜中经常被观察到的原因。