铝元素的添加对锆基合金非晶形成能力影响的电子结构模型

通过构建非晶合金的团簇模型,利用离散变分法从电子层次研究了Al元素对Zr-Ni,Zr-Cu非晶合金中团簇稳定性的影响.结果表明,Al原子的引入提高了团簇中原子间的亲和力,并且随着Al原子数的增加,亲和力增大,导致新的团簇产生,从而破坏了非晶的团簇结构.Al含量对Zr-Al-Ni非晶合金的稳定性的影响可通过Fermi能级处的态密度大小来反映.

添加Al对Cu基合金非晶形成能力影响的团簇模型

在二元Cu-Zr合金中添加Al元素可明显提高合金的非晶形成能力。根据非晶与其晶化相存在结构遗传关系,以Cu-Zr基非晶晶化相Cu10Zr7中的Cu6Zr5阿基米德反棱柱为团簇模型,利用离散变分方法从电子层次研究了Al元素对Cu基非晶合金团簇稳定性的影响。结果表明:当团簇中加入一个Al原子时,Fermi能级处的态密度明显降低,团簇稳定性提高;但继续加入Al原子,Fermi能级处的态密度又开始上升,态密度处于较高位置,团簇稳定性下降;计算结果与实验结果相吻合。

非晶硅短程序与电子结构关系的量子化学研究

本支通过对Si_(29)无规网络原子簇模型的CNDO计算,探讨了非晶硅(a-Si)结构短程序对其电子态密度(DOS)分布的影响。结果表明,在与实验原子径向分布函数(RDF)基本相同的条件下,a-Si模型中的键角和二面角是影响电子态密度分布的主要参数。

半导体Fe-Si非晶薄膜的成分解析及设计

β-FeSi2作为直接带隙半导体,具有较大的光吸收系数和较高的理论光(热)电转换效率,是一种理想的光(热)电材料。首先综述了目前β-FeSi2材料的研究及应用现状,为了回避单相β-FeSi2制备困难及失配等瓶颈问题,提出了制备具有相似性能的Fe-Si非晶薄膜是有效的解决方法。局域(近程序)结构是决定非晶性能的主要因素,针对非晶薄膜成分、局域结构及性能的对应性研究至关重要。基于此,概述了在"团簇+连接原子"模型指导下,依据实验性能分区和团簇理论解析建立的Fe-Si非晶薄膜成分、局域结构及性能关联;概述了现有晶态和非晶态材料研究中添加元素的原子占位情况,并以此为基础讨论了多组元化对薄膜非晶形成能力及半导体性能的影响。结果证实"团簇+连接原子"模型对Fe-Si非晶薄膜局域结构解析及多组元化成分设计是十分有效的。通过精确成分设计可在较大成分范围内实现薄膜半导体性能可调,为廉价近红外探测和全太阳光谱覆盖提供良好候选材料。最后,展望了Fe-Si非晶薄膜的研究及应用前景。

薄膜的材料特征

PVD、CVD涂层行业发展了多年,出现了多种等离子体和高能束辅助技术,但常用的工业涂层却集中在少数几种材料上,如金属氮化物、碳膜等。本文从材料的成分宽容性、结构稳定性、导电性三个基本原则出发,解释了薄膜材料的选材问题,并以氮化钛、非晶硼化物、金属掺杂类金刚石涂层为例,说明薄膜材料的选择源自工艺特性和材料性能二者的平衡,且以工艺性为主导。材料成分需要进行精确调控,以达到最佳的工艺性与性能的匹配,而成分根源是化学近程序结构,通过引入本课题组所提出并发展的团簇加连接原子模型,构建出类似于分子式的局域结构单元和相应成分式,进而对薄膜材料进行成分设计。

基于团簇+连接原子模型的Fe-B-Si-Ta块体非晶合金的成分设计

依据团簇＋连接原子模型设计具有高玻璃形成能力的Fe-B-Si—Ta软磁块体非晶合金，以共晶点Fe83B17对应的共晶相Fe2B为基础．根据最大径向原子数密度和孤立度原则，得到以B为心的[B-B2Fe8】主团簇，结合理想非晶合金团簇式的电子浓度判据，构建出Fe-B二元非晶合金的理想团簇式[B—B2Fe8]Fe．为提升Fe—B二元合金的非晶形成能力，选择与Fe具有较大负混合焓的Si替代[B—B2Fe8]团簇的中心原子B，得到Fe-B-Si三元非晶合金的理想团簇式[Si—B2Fes]Fe．由于Ta与B和Si间具有较大的负混合焓，进一步以Ta替代[Si—B2Fe8]Fe团簇式中壳层位置的Fe原子，设计出[Si—B2Fe8-xTax]Fe四元非晶系列成分．结果表明，[Si-B2Fe8-xTax]Fe在x=0．4～0．7成分处均可形成直径为1．0min的非晶合金棒．其中，[Si—B2Fe7.4Ta0.6]Fe合金的非晶形成能力最佳，其非晶样品的约化玻璃转变温度磊为0．584，玻璃转变温度正为856K，过冷液相区宽度△Tx达33K．[Si-B2Fe8-xTax]Fe（x=0．4～0．7）块体非晶合金的Vickers硬度Hv随Ta的添加从1117HV（F0．4）上升到1154HV（x=0．7）．[Si—B2Fe7.6Ta0.4]Fe非晶合金具有良好的室温软磁性能，其饱和磁化强度Bs为1．37T,矫顽Hc垃为3．0A／m．

铁基非晶合金局域结构与性能关联:基于微合金化机理研究

基于"团簇+连接原子"局域结构模型,从团簇内部和团簇间原子的关联作用出发,分析非晶合金的局域结构与非晶合金玻璃化转变、形成能力、热稳定性和力学性能之间的关系。并通过分析模型结构中微合金化元素的占位及其对周围原子关联作用的影响,理解非晶合金的微合金化机理。结果表明,团簇内部原子的关联作用对非晶合金的热稳定性有较大影响,而非晶合金的玻璃化转变、形成能力和力学性能主要受到团簇间原子关联作用影响。并以Si合金化Fe-B二元非晶合金及前过渡元素(Zr、Hf、Nb或Ta)和稀土元素(Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd或Dy)微合金化Fe-B-Si三元非晶合金对所提理论进行实验验证,两者吻合较好。该研究为理解非晶合金的局部结构-性能关联和微合金化元素作用机理提供了新思路。

Ni-Hf非晶合金及其团簇式成分解析

Ni-Hf是一类重要的二元非晶形成体系,但其非晶形成能力较弱,最佳非晶成分尚不明确.本文利用团簇加连接原子模型,首先解析了二元深共晶点Ni65Hf35对应共晶相Ni7Hf3和Ni10Hf7的团簇结构,获得了可代表各自结构特征的主团簇;随后依据非晶合金的通用团簇式[团簇](连接原子)1或3,设计出若干可能具有高非晶形成能力的合金成分.实验结果表明,急冷甩带后只有Ni71.43Hf28.57和Ni68.75Hf31.25两个成分点形成完全非晶,其中后者成分由团簇成分式[Ni-Ni7Hf5]Ni3描述,并具有最高的热稳定性(877K)和最低的液相线温度Tl(1482K),被认为是Ni-Hf系中高非晶形成能力的成分点,其位于Ni65Hf35共晶点的富Ni侧,靠近共晶相Ni7Hf3.