晶面断裂能及晶体断裂机理:以锆石为例

探索矿物晶体断裂及晶面暴露机制,对于精准调控矿物表面性质具有重要指导意义。前期提出的断裂键密度D_(b)法,可准确解析具有一种类型断裂键的矿物/材料晶体的断裂机制。然而,对于具有两种及以上类型断裂键的晶体,需要探索新方法。本文以具有3种类型断裂键的锆石晶体为例,采用第一性原理计算与Bader电荷分析,提出基于键级权重的晶面断裂能密度(S_(c))方法,快速评估锆石沿各晶面断裂的难易度,揭示晶面暴露规律。晶体化学键键能计算分析表明,锆石晶体中各化学键键能大小顺序为Si—O(6.00 eV)>Zr—O_(β)(2.87 eV)>Zr—O_(α)(1.60 eV)。晶面断裂能密度S_(c)计算表明,锆石晶体沿(200)面最易断裂,因此(200)面最易暴露。此外,S_(c)与表面能有良好相关性,在一定条件下,晶面断裂能密度S_(c)可用于快速评价晶面稳定性和反应性。