基本内容

体材料的物理化学特性不仅依赖于材料的化学组分，而且显著地取决于体材料的原子分子构型。不同材料形成单晶体的能力有很大差异。石英在一般条件下便可形成线径为数十厘米的单晶体，而在各种极端条件（包括采用2000℃高温和几十亿Pa高压）下所能制备的金刚石晶体也只有毫米量级线径。所以在材料设计，特别是新材料的预测过程中，不仅需要考虑材料的结构及性能，还应预测其形成晶体的能力。 以氮化碳材料为例，十几年前理论工作预测它具有与金刚石相当的硬度。然而到目前为止，利用各种技术所能制备的最大晶粒不超过几十微米。如果能够从理论上预测其结晶能力与石英相近，那将更有力地促进有关的实验探讨。相反，如果理论预测其结晶能力比金刚石还差，仅从经济角度考虑，便没有必要从实验上探讨相关的制备技术。

研究晶体的生长过程，预测材料的缺陷、多晶及枝晶结构的形成都是理论工作者一直感兴趣的课题。人们已经发现这些结构与不同晶面的生长速度密切相关。然而实际测量晶体的生长速度却很困难，不同的工作组采用类似的测量方法可能给出相差一个数量级的测量结果。采用相场模型能够很好地描述宏观的枝晶生长过程。由于相场模型能够描述宏观晶体生长过程，故其能够预测给定生长条件下材料形成单晶体的可能性，也可以对不同材料（化学组分不同）在普通生长条件下形成单晶体的能力进行评价。然而，该模型必须以界面自由能和动力学系数为输入参数，而这两个参数的确定需要进行大量且精细的模拟，加之相场模型自身涉及巨大的三维计算量，使得该模型难以快速方便地评价材料形成单晶体的能力。

近年来发展的凝结势的计算简单，利用常规从头计算方法即可获得结果。此方法可以快速准确地评价材料形成单晶体的能力，填补了结晶学的一项空白。晶体生长的残缺度应与生长晶面的势场密切相关。考虑熔体原子被一个表面吸附的过程，这些原子沿垂直于表面的方向接近该表面可能“感受”到一个势Pz，在表面上沿某一方向移动时可能“感受”到另一势谷Ps。两个势谷底的坐标即是完美晶格点的坐标。根据玻尔兹曼分布，两个势谷越深，被吸附原子处于格点的概率应越大，有利于形成完美晶格结构。如果沿任一方向的势谷深度为零，则在该方向不能形成有序结构，即不能形成晶体。也就是说，Pz与Ps的乘积越大，残缺度应越小，形成单晶体的能力越强。因此，我们把Pz与Ps的乘积定义为结晶势P。应当注意的是，P应是生长温度T的函数，因为不同温度对应不同的晶格常数。

目前，该模型能够很好地预测单质1及二元合金2的形成单晶体的能力和材料的熔点3，并被成功运用于燃料电池中铂和镍纳米颗粒的构型预测。

参考资料