【基金標(biāo)書】2011CB606400-基于集成計算的材料設(shè)計基礎(chǔ)科學(xué)問題

項(xiàng)目名稱： 基于集成計算的材料設(shè)計基礎(chǔ)科學(xué)問題 首席科學(xué)家： 楊銳 中國科學(xué)院金屬研究所 起止年限： 托部門： 中國科學(xué)院 二、預(yù)期目標(biāo) 1. 總體目標(biāo) 針對 緊缺能源與資源約束的材料行業(yè)可持續(xù)發(fā)展需求，運(yùn)用計算與材料學(xué)科交叉的新手段提出創(chuàng)造性的解決方案，同時有效縮短關(guān)鍵新材料研發(fā)與驗(yàn)證周期，促進(jìn)我國材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)跨越，形成位于世界前列的國家競爭力。集中優(yōu)勢力量開展計算材料科學(xué)發(fā)展第三階段的集成材料計算，演示在材料設(shè)計方面的系列應(yīng)用，以重點(diǎn)材料如高性能鈦合金 和若干信息功能材料為應(yīng)用目標(biāo)促進(jìn)工業(yè)技術(shù)進(jìn)步。大力培養(yǎng)新型人才，帶動計算技術(shù)在材料制備、研發(fā)、工藝、工程化、使役整個鏈條各環(huán)節(jié)的交叉融合，促進(jìn)我國計算材料科學(xué)的全面發(fā)展。 2. 五年預(yù)期目標(biāo) （ 1）在高性能新材料集成計算平臺與方法方面發(fā)揮主導(dǎo)作用： 依托 位于中科院金屬所的中科院沈陽超級計算分中心和北京的 科技部新材料模擬設(shè)計實(shí)驗(yàn)室及 清華大學(xué)材料虛擬設(shè)計實(shí)驗(yàn)室 ， 完成 子動力學(xué)模擬程序和適用于大尺度模擬的大規(guī)模并行計算等 2 套程序的開發(fā)，基于 格反演方法改進(jìn) 目前廣泛應(yīng)用的 ， 體現(xiàn)我國 材料計算研究的系統(tǒng)性和原創(chuàng)性。 （ 2） 在 結(jié)構(gòu)與功能 材料 集成計算方面取得原創(chuàng)性成果并在關(guān)鍵材料 設(shè)計方面發(fā)揮不可替代作用： 對鈦合金中溫高應(yīng)力條件下的疲勞行為提出基于原子模擬的新認(rèn)識，探索基于粉末冶金的 1 套初步解決方案，研制出一種先進(jìn) 料并在國際先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)中獲得應(yīng)用，充分體現(xiàn)我國自主創(chuàng)新實(shí)力。在多尺度多層次計算基礎(chǔ)上提出一種新一代單晶高溫合金 集成設(shè)計方案。 研究多元和無序氧化物體系（特別是鐵電材料）的電子性質(zhì)和磁電耦合計算方法，設(shè)計 12 種 具有優(yōu)異性質(zhì)的鐵電和鐵磁功能材料。 （ 3）充分發(fā)揮數(shù)據(jù)庫與軟件共 享功能，面向全國開放提供服務(wù)，提升我國計算材料整體水平：采用獨(dú)創(chuàng)的晶格反演數(shù)論方法發(fā)展的 針對我國資源優(yōu)勢的 稀土相關(guān) 原子勢 庫將進(jìn)一步擴(kuò)大合作與服務(wù) ， 為提高我國特有資源技術(shù)附加值貢獻(xiàn)科技力量。中科院沈陽超級計算分中心的計算能力及相應(yīng)軟件也將面向全國研究單位和企業(yè)開放服務(wù) 。 （ 4）在材料技術(shù)和科研產(chǎn)出方面，實(shí)現(xiàn)國家發(fā)明專利 8 項(xiàng)和國際發(fā)明專利 2項(xiàng)；爭取獲頒新材料國家標(biāo)準(zhǔn) 1 項(xiàng)；發(fā)表論文 400 余篇。 （ 5）在材料計算設(shè)計與模擬人才方面，培養(yǎng)博士 30 名和學(xué)術(shù)骨干 8 名以上； 實(shí)現(xiàn) 2 項(xiàng)以上 國際 重大 合作 項(xiàng)目 ，與相關(guān)領(lǐng)域 10 個以上 世界一流研究組保持或建立合作關(guān)系，實(shí)現(xiàn)人員交流 40 人次以上。 三、研究方案 1. 學(xué)術(shù)思路及技術(shù)途徑 的可行性 依據(jù)國際上計算材料學(xué)已進(jìn)入以集成計算設(shè)計為重點(diǎn)的第三研究階段而同時繼續(xù)攻克基本方法難點(diǎn)的形勢以及我國材料行業(yè)的需求，本項(xiàng)目在前期雄厚的研究積累基礎(chǔ)上，擬開展方法、應(yīng)用、服務(wù)三個層面的研究，具體研究內(nèi)容及相互支撐關(guān)系見示意圖。有關(guān)具體的技術(shù)途徑在圓滿完成的前期項(xiàng)目中業(yè)已證明是可行和有效的。 材料集成計算作為本項(xiàng)目的重點(diǎn)研究方面，其研究對象和應(yīng)用目標(biāo) 選取 了 具有重大需求或重要應(yīng)用前景的 代表性鈦合金結(jié)構(gòu) 材料和新型功能材料。該層面研究將充分體現(xiàn)材料集成計算在加快研發(fā)進(jìn)度、降低研發(fā)成本和提高材料創(chuàng)新精準(zhǔn)度方面的明顯優(yōu)勢。在方法層面的三項(xiàng)研究與直接針對應(yīng)用目標(biāo)的這兩方面研究關(guān)系密切，不僅為其提供基礎(chǔ)與方法支撐，而且為計算材料科學(xué)自身發(fā)展做出貢獻(xiàn)。上述研究安排預(yù)計可以在解決本項(xiàng)目五個關(guān)鍵科學(xué)問題上有所突破。 與前期項(xiàng)目明顯不同的是，本項(xiàng)目將面向?qū)W術(shù)界，企業(yè)與社會提供服務(wù)，這具有多方面意義：一是項(xiàng)目自身成果的展示，充分體現(xiàn) 973 這類重大項(xiàng)目的社會功能；二是在面向社會過程中將充分提高社會對計算材料這一新興學(xué)科的認(rèn)知，促進(jìn)新型人才培養(yǎng)和材料行業(yè)發(fā)展模式的升級；三是與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的開放式互動交流將促進(jìn)材料集成計算研究走向深入，更高效地滿足國家需求。 研究層面 、研究內(nèi)容與課題設(shè)置及其支撐關(guān)系 (數(shù)字為課題號 ) 晶格反演方法的拓展 (1) 跨 尺度 關(guān)聯(lián)機(jī)制與算法研究 (2) 外場下原子擴(kuò)散 與反應(yīng) 的理論處理 (3) 實(shí)用鈦合金關(guān)鍵性能相關(guān)集成計算 (4) 材料微觀結(jié)構(gòu)和量子效應(yīng)的功能材料集成設(shè)計 (5) 原子勢 庫 (1) 超級計算平臺及相關(guān)資源 (4,5) 若干材料計算新方法與程序 (1,2,4) 服務(wù) 應(yīng)用 方法 2. 本項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)與特色 （ 1）以我國獨(dú)創(chuàng)方法迎戰(zhàn)國際前沿難題 根據(jù)半群結(jié)構(gòu)模型和數(shù)論反演方法推算晶體和界面系統(tǒng)原子間結(jié)合能進(jìn)而獲得復(fù)雜難處理體系原子間勢是得到國際認(rèn)可的獨(dú)創(chuàng)性方法，已在諸多材料體系中獲得應(yīng)用。該方法的創(chuàng)新與拓展將為學(xué)科發(fā)展做出我國應(yīng)有貢獻(xiàn)。 （ 2）為利用我國特色稀土資源 做好科學(xué)基礎(chǔ)儲備 稀土和錒系金屬作為我國特色資源，不僅為特種功能材料所必需，也是我國今后大力發(fā)展的核材料的工業(yè)原料。多年來我國稀土行業(yè)一直因低技術(shù)附加值出口 而飽受詬病，其深層次原因是我國缺乏相 應(yīng)的 關(guān)鍵技術(shù)。本項(xiàng)目建立的稀土原子勢庫將為開展相關(guān)研究工作奠定基礎(chǔ)。 （ 3）材料集成計算依據(jù)國家重大專項(xiàng)需求，力圖解決跨越發(fā)展所需關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)問題 高性能鈦合金和集成電路用新型功能材料均是我國重大科技專項(xiàng)涉及的關(guān)鍵材料，開展相關(guān) 材料集成計算 并為解決有關(guān)技術(shù)問題提供方案具有重要意義。如鈦合金在中溫、高應(yīng)力狀態(tài)下的疲 勞，是航空發(fā)動機(jī)葉片應(yīng)用的核心問題，已引起 世界主要航空引擎制造商高度關(guān)注。項(xiàng)目在該方面的研究將為我國大飛機(jī)發(fā)動機(jī)專項(xiàng)提供支撐，促進(jìn)我國航空工業(yè)跨越發(fā)展。 （ 4）項(xiàng)目成果面向社會服務(wù)充分體項(xiàng) 973 項(xiàng)目價值與意義 本項(xiàng)目提出的面向?qū)W術(shù)界、企業(yè)和社會的三方面服務(wù)是一大特色。這首先得益于 973 計劃對材料計算科學(xué)的長期穩(wěn)定支持，同時也將有效展示重大項(xiàng)目的公益功能，加深社會對 973 重大項(xiàng)目的認(rèn)知，促進(jìn)計算材料科學(xué)健康發(fā)展。 本項(xiàng)目擬分五個課題進(jìn)行計算方法、應(yīng)用和服務(wù)三個層面的研究，其間相 互關(guān)系見上節(jié)圖。其中課題 1、 2、 3 著重方法的研究，而課題 4、 5 分別側(cè)重在結(jié)構(gòu)材料和功能材料設(shè)計兩方面的應(yīng)用。方法層面的三項(xiàng)研究直接針對兩個應(yīng)用目標(biāo)，而應(yīng)用研究為方法的發(fā)展提出相應(yīng)的需求。 課題 1、復(fù)雜材料原子間相互作用勢庫的創(chuàng)新與拓展 預(yù)期目標(biāo)： 采用獨(dú)創(chuàng)的晶格反演數(shù)論方法發(fā)展更精確的針對不同結(jié)構(gòu)、不同體系的復(fù)雜難處理系統(tǒng)原子間相互作用勢 ， 發(fā)展新的反演方法。 導(dǎo)出界面體系中相應(yīng)的新型反演公式與相應(yīng)原子勢， 通過比較和系統(tǒng)檢驗(yàn) ，為系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用界面反演新方法奠定良好基礎(chǔ)。明確界面原子配位環(huán)境與界面反演勢的關(guān)系 ， 解決復(fù)合界面以及多重復(fù)合界面的計算困難 ， 探索自組裝納米結(jié)構(gòu)模板的形成機(jī)理 和 設(shè)計 方法 。結(jié)合 關(guān)鍵材料 利用晶格反演方法對 進(jìn)行改進(jìn)，提供實(shí)用效果 和 可移植性更好的晶格反演 。 研究內(nèi)容： 以貼近對象結(jié)構(gòu)的晶格 系統(tǒng) ，利用 的方法 進(jìn)行系列性第一原理計算，運(yùn)用新推導(dǎo)的不同結(jié)構(gòu)反演系數(shù)計算出不同體系、不同相的 格反演 原子間相互作用勢，完成針對不同 微結(jié)構(gòu) 的原子間相互作用勢庫。對具有應(yīng)用潛力的錒系氧化物體系進(jìn)行深入研究。 在界面反演勢方面 將拓展不同的應(yīng)用 范圍 ，研究界面的位錯結(jié)構(gòu)、位錯在 界面斷裂過程中的行為、失配位錯在界面上的滑移、界面生長模式與帶位錯界面粘接能的關(guān)系。充分發(fā)揮反演勢可模擬包含上萬原子大體系的優(yōu)勢，探索自組裝納米結(jié)構(gòu)模板的形成機(jī)理 并 預(yù)言或設(shè)計不同周期長度的模板。應(yīng)用 格反演方法改進(jìn) 。 在 已 初步建立 的單質(zhì) 材料 晶格反演 基礎(chǔ)上， 完成有序金屬間化合物中 晶格反演 并進(jìn)行系列 應(yīng)用檢驗(yàn)。 開展 構(gòu)筑 合金勢的研究，應(yīng)用 第一原理方法 計算同成分不同結(jié)構(gòu)有序合金結(jié)合能，通過 晶格反演 來獲取 并揭示 其與合金結(jié)構(gòu)之間關(guān)聯(lián)的規(guī)律性。再尋找弱化這些關(guān)聯(lián)的最佳途徑 ，構(gòu)建起有效的獲取合金勢的參考結(jié)構(gòu)； 并 建立起定量表征這些關(guān)聯(lián)的有效方法 ， 與實(shí)際應(yīng)用 結(jié)合 ， 對原子間相互作用勢 進(jìn)行 檢驗(yàn)和改進(jìn)。 經(jīng)費(fèi)比例： 17% 承擔(dān)單位： 北京科技大學(xué)、清華大學(xué)、云南大學(xué)、河北師范大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 陳難先 學(xué)術(shù)骨干： 張碩、劉英、錢萍、申江 課題 2、多層次多組元物性關(guān)聯(lián)機(jī)制及相關(guān)算法與合金成分設(shè)計 預(yù)期目標(biāo)： 完成 跨尺度 多層次模型算法中 耦合機(jī)制和物理邊界 兩個基本問題的定量分析 ，解決 大尺度計算中加速收斂問題以及提高計算精度問題 。掌握 多化學(xué)組元協(xié)同效應(yīng)的相關(guān)規(guī)律 ， 建立多化學(xué)組元（三元 及以上體 系 ）原子間相互作用勢 并應(yīng)用于 單晶高溫合金 設(shè)計， 基于第一原理電子結(jié)構(gòu)計算給出化學(xué)因素及結(jié)構(gòu)因素與材料力性的相關(guān)機(jī)制。 研究內(nèi)容： 繼續(xù)發(fā)展和應(yīng)用 課題組前期 提出的多尺度能量密度方法及跨層次物理參量解析傳遞方法，用于 單晶高溫合金成分選擇及合金設(shè)計。發(fā)展大尺度快速收斂及并行擴(kuò)展性編程方案 和 離散數(shù)值積分算法，實(shí)現(xiàn)千原子量級及復(fù)雜結(jié)構(gòu)缺陷體系的第一原理計算。 將在已 實(shí)現(xiàn) 的大尺度 單晶高溫合金共格體系的第一原理計算 基礎(chǔ)上，建立多組元（三元及以上體系 ）原子間相互作用勢的理論模型及能量函數(shù)表述， 針對高性能單晶 高溫合金設(shè)計問題，將上述方法 應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)及多組元材料成分設(shè)計。 揭示 多化學(xué)組元協(xié)同效應(yīng)的基本規(guī)律，為 單晶高溫合金成分設(shè)計提供理論分析 的 基礎(chǔ)。 經(jīng)費(fèi)比例： 17% 承擔(dān)單位： 鋼鐵研究總院、清華大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 王崇愚 學(xué)術(shù)骨干： 王山鷹、朱 弢 、于濤、燕平 課題 3、固體界面多因素耦合問題理論研究 預(yù)期目標(biāo)： 澄清主導(dǎo)鐵、鈦、鎂合金高溫蠕變行為的物理機(jī)理，提出抗高溫蠕變鈦、鎂合金成分設(shè)計指南；初步建立第一原理合金腐蝕電化學(xué)研究方法，發(fā)現(xiàn)與合金成分相關(guān)的晶界腐蝕規(guī)律；創(chuàng)建研究晶體裂紋擴(kuò)展問題的跨尺度耦合算法， 實(shí)現(xiàn)鐵、鈦、鎂合金應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的計算機(jī)模擬。 研究 過渡金屬氧化物表面結(jié)構(gòu)特征，揭示分子表面吸附與催化反應(yīng)機(jī)制，建立鐵電薄膜 /基體的界面失配位錯應(yīng)變場與鐵電極化的相互作用規(guī)律。 研究內(nèi)容： 擬采用密度泛函理論和密度泛函擾動理論框架下的第一原理計算方法研究鎂、鈦合金在高溫條件下因晶界滑移導(dǎo)致的蠕變問題 ， 重點(diǎn)研究鎂鋁合金中出相的高溫?zé)岱€(wěn)定性及其在界面滑移中的作用 ， 計算模擬多元合金的析出熱力學(xué)，探討界面析出相在抑制界面滑移中的作用。擬結(jié)合準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)技術(shù)、經(jīng)典分子動力學(xué)和第一原理分子動力學(xué)方法創(chuàng) 建由宏觀連續(xù)介質(zhì)到電子層次的跨尺度結(jié)構(gòu)模型 ， 對應(yīng)力腐蝕開裂的裂紋擴(kuò)展過程與方式進(jìn)行全方位模擬計算 ，探尋阻止或緩解晶間腐蝕的可行辦法。對鈦合金和鎂合金表面保護(hù)膜的抗腐蝕機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的比較研究，以探尋提高鎂合金腐蝕抗 力 的更有效辦法。 第一原理研究過渡金屬氧化物的表面結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和氣體吸附等物理、化學(xué)過程， 探索 新型催化劑 的 設(shè)計思路；研究鐵電、光電材料的原子、電子結(jié)構(gòu)和光吸收性質(zhì)；分析界面與摻雜元素的交互作用及其對光催化性能的影響，探索不同基體的界面失配位錯應(yīng)力場對鐵電極化的影響。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 中國科學(xué)院金屬研究所、東北大學(xué)、遼寧工業(yè)大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 王紹青 學(xué)術(shù)骨干： 王雨晨、張林、趙星 課題 4、鈦基合金組織控制及使役性能集成計算 預(yù)期目標(biāo)： 在電子 、 原子結(jié)構(gòu)層次上，掌握合金元素 影響鈦合金彈性機(jī)制和 氧化性能的規(guī)律， 提出優(yōu)化 的合金 化方案。 揭示疲勞過程中位錯自組織 形成機(jī)理 及不同微觀組織特征對裂紋萌生的影響規(guī)律， 力 爭在鈦合金的疲勞形變 與 斷裂機(jī)制研究 方面有所 突破 。 闡明鈦合金多晶大變形過程中晶界遷移和晶粒轉(zhuǎn)動的微觀機(jī)理 ， 獲得晶界遷移能力與溫度、晶界位向差的關(guān)系 ， 預(yù)測給定變形條件下的晶粒位向分布變 化趨勢，明確動態(tài)再結(jié)晶中晶粒轉(zhuǎn)動對織構(gòu)演化的作用。對高強(qiáng)鈦合金和 行成分、工藝設(shè)計及綜合性能優(yōu)化，使之能夠滿足 航空部件 應(yīng)用的性能需求。 研究內(nèi)容： 研究鈦合金 塑性變形中應(yīng)力作用下晶界遷移 與 滑動的機(jī)理 以及 剪切方向和溫度的影響 ，闡明 鈦合金多晶變形 時 晶界 行為及其影響因素 。結(jié)合原子模擬信息，建立變形組織的相場模型，探索 熱加工 工藝中變形參數(shù)及后續(xù)熱處理對織構(gòu)的影響 。 建立鈦合金中的晶體塑性有限元本構(gòu)關(guān)系，其中包含位錯和孿晶對形變的貢獻(xiàn) 。在此基礎(chǔ)上 研究鈦合金中高溫變形微觀組織的變化，實(shí)現(xiàn) 部 件級的組織優(yōu)化模擬。 針 對 鈦合金疲勞 問題 ，采用原子模擬 研究 疲勞過程中位錯相互作用 與 演化動力學(xué) ，表征 位錯與晶界的相互作用 及 裂紋萌生與特定微觀組織的關(guān)系 ， 探索疲勞與加工硬化過程中的有效位錯反應(yīng) ， 揭示疲勞裂紋萌生的原子機(jī)制， 為改善 疲勞性能的微觀組織優(yōu)化設(shè)計提供方向性指導(dǎo)。 研究鈦合金變形的電子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，初步認(rèn)識功能鈦合金彈性機(jī)制。 計算研究鈦合金中合金元素與晶 內(nèi)及表面 缺陷的作用 ，針對 化與鈦燃燒問題， 研究合金原子在 的相對分布及其對 對穩(wěn)定性的影響 ，表征 合金原子在 對 溶解極限的影 響及 體中 O 的溶解極限 ， 研究合金原子對 O 空位及 隙原子濃度及其擴(kuò)散速率的影響。在電子結(jié)構(gòu)層次上，分析合金原子影響 高溫氧化性能的物理機(jī)制。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 中國科學(xué)院金屬研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 徐東生 學(xué)術(shù)骨干： 胡青苗、宋巖、李林、王皞 課題 5、基于材料微觀結(jié)構(gòu)和量子效應(yīng)的功能材料集成設(shè)計方法 預(yù)期目標(biāo)： 針對功能材料在實(shí)際應(yīng)用條件下的使役行為，發(fā)展 應(yīng)用 于多元或無序等復(fù)雜材料體系的計算設(shè)計方法，闡明材料微觀結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電行為、極化、發(fā)光行為 、磁電耦合性質(zhì)、催化行為等之間的關(guān)聯(lián)，通過摻雜、改性、引入新組元、外場等調(diào)控材料的電、磁、光、極化行為。由此制定新功能材料的制備和合成方案，并對生長工藝過程提供指導(dǎo)，研制出滿足使用的功能材料和器件 ， 設(shè)計 12 種 具有優(yōu)異性質(zhì)的鐵電和鐵磁功能材料。研究薄膜 新穎 微觀結(jié)構(gòu) 的電子態(tài)性質(zhì)，預(yù)測體系的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，為新型光電器件 、功能性薄膜和表面催化材料 的發(fā)展提供物理模型和理論基礎(chǔ) 。 提出改進(jìn)光電子材料性能的方案和途徑 ， 設(shè)計具有優(yōu)異性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)光電子材料及其生長方法。 研究內(nèi)容： 研究半導(dǎo)體材料中的雙極摻雜和調(diào) 制摻雜模式及其對輸運(yùn)性質(zhì)和器件應(yīng)用的影響。從載流子空間分布的角度，探討半導(dǎo)體材料（特別是低維結(jié)構(gòu)）的微觀結(jié)構(gòu)及其相關(guān)量子效應(yīng)對于載流子輸運(yùn)特性的影響，探索提高半導(dǎo)體器件性能的新途徑。研究氧化物材料中的摻雜、缺陷、多組元和無序?qū)ζ涔δ苄再|(zhì)（自旋極化、鐵電和介電性質(zhì)、光學(xué)吸收）的調(diào)制，重點(diǎn)探討在能源和功能器件方面的應(yīng)用相關(guān)的基本問題。 探索 多摻雜的可能性和實(shí)際效果，提出設(shè)計方案。 研究 各種超薄膜量子限制性條件下誘發(fā)自旋極化的機(jī)理，分析摻雜和缺陷態(tài)對磁性產(chǎn)生的作用和貢獻(xiàn)。揭示表面間的關(guān)聯(lián)特性以及量子尺寸效應(yīng)帶來的新現(xiàn) 象和新規(guī)律，力求揭示其物理機(jī)理，并發(fā)掘其在功能器件中的應(yīng)用。發(fā)展有效的電子輸運(yùn)理論和熱輸運(yùn)理論，全面研究功能器件在實(shí)際工作環(huán)境下的使役行為，提出具有特定性能的功能材料的設(shè)計方案。 發(fā)展高效、高精度的基于性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電子材料結(jié)構(gòu)剪裁及其性能調(diào)控計算方法 ， 確定復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電子材料在不同生長過程中的動力學(xué)性質(zhì)和嵌入結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 ， 設(shè)計特定性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電子材料微觀結(jié)構(gòu) 。 經(jīng)費(fèi)比例： 28% 承擔(dān)單位： 清華大學(xué)、湖南大學(xué)、南開大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 顧秉林 學(xué)術(shù)骨干： 余京智、倪軍、周剛、吳健、左旭、陳克求、郭永 四、年度計劃 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 （ 1） 計算稀土金屬間化合物Rm+n+列結(jié)構(gòu)及 其 熱力學(xué)性質(zhì)， 預(yù)測 該 系列中實(shí)驗(yàn)上尚未合成 的一些化合物。 系統(tǒng)地建立大多數(shù)常用純金屬材料的晶格反演 ，為 構(gòu)筑 合金勢 奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。 （ 2） 應(yīng)用能量密度方法探索基單晶高溫合金中 局域缺陷與其長程環(huán)境的耦合機(jī)制及物理邊界問題 。結(jié)合分子動力學(xué)和第一原理方法，研究鎳基單晶高溫合金中摻雜元素對裂紋的傳播路徑、裂紋傳播速度的影響。考慮合金成分設(shè)計方案，進(jìn)行多種模型合金和性能合金成分設(shè)計 。 （ 3） 計算含堿土金屬和過渡族金屬元素的鈦合金、鎂合金中界面析出相的晶體結(jié)構(gòu)與生成焓。研究金屬間化合物表面的有序無序現(xiàn)象和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物、鐵電與多鐵材料中的界面位錯問題 。 （ 4） 原子模擬位錯反應(yīng)與點(diǎn)缺陷的形成、反應(yīng)產(chǎn)物的長時間演化動力學(xué)及其與位錯運(yùn)動之間（ 1） 改進(jìn)稀土及錒系金屬間化合物勢庫，促進(jìn)勢庫的應(yīng)用發(fā)展。建立具有良好移植性的 晶格反演 金勢的有效途徑。獲得界面體系多體勢的方案，對金屬 /半導(dǎo)體界面體系進(jìn)行應(yīng)用和校驗(yàn)完善。 （ 2） 提出計算力的高精度算法方案，并編寫相關(guān)程序。 預(yù)測摻雜元素對裂紋擴(kuò)展性的影響。獲得優(yōu)化成分的試驗(yàn)用單晶合金。 （ 3） 獲得鈦、鎂合金在不同微量合金化元素?fù)诫s下的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，建立鈦、鎂合金析出相熱力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。得出 復(fù)雜氧化物表面的結(jié)構(gòu)特征， 表面弛豫與重構(gòu)的規(guī)律 ，給出幾種典型鐵電與多鐵氧化物的位錯核心原子構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)。 （ 4） 給出位錯反應(yīng)的基本形式，產(chǎn)生缺陷的構(gòu)形，反應(yīng)產(chǎn)物的長時間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，反應(yīng)產(chǎn)物與位錯之年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 的關(guān)聯(lián)；研究合金原子在 的相對分布及其對相對穩(wěn)定性的影響；相場法研究鈦鋁金屬間化合物中片層組織形成、片層密度以及界面類型控制的原理和方法。 （ 5） 研究半導(dǎo)體中的雙極摻雜和調(diào)制摻雜模式及其對電子結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)性質(zhì)和器件應(yīng)用的影響，探討提高載流子濃度的途徑 。研究氧化物摻雜對其結(jié)構(gòu)特征和電子性質(zhì)的效應(yīng)。模擬超薄膜的微觀結(jié)構(gòu)特征和基本物性，研究量子限制性條件下誘發(fā)自旋極化的機(jī)理。 間的相互作用規(guī)律等；得到不同合金元素在幾種氧化物中的能量，分布規(guī)律，以及不同合金元素對氧化物穩(wěn)定性的影響；得到鈦鋁金屬間化合物中特定片層組織的形成規(guī)律，為鈦鋁化合物微觀組織控制指明方向。 （ 5） 實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)和主體更好的結(jié)合，提出同種材料的雙極摻雜方案以及調(diào)控載流子壽命的方式。了解摻雜和缺陷態(tài)對低維材料磁性和極化性質(zhì)產(chǎn)生的作用。 第 二 年 （ 1） 利用晶格反演方法對 合金勢進(jìn)行研究。通過分子動力學(xué)模擬預(yù)測 用改進(jìn)的界面勢研究界面的位錯結(jié)構(gòu)、位錯在界面斷裂過程中的行為、失配位錯在界面上的滑移等動力學(xué)行為 。 （ 2） 在靜態(tài)能量密度方法的基礎(chǔ)上，初步嘗試其動態(tài)耦合機(jī)制。探索在應(yīng)變狀態(tài)下鎳基單晶高溫合金摻雜元素的擴(kuò)散行為及相關(guān)多尺度耦合機(jī)制。應(yīng)用分子動力學(xué)方法，研究鎳基單晶高溫合金中裂紋裂尖區(qū)位錯等缺陷（ 1） 構(gòu)筑 移植性較好的 晶格反演 金勢。通過對界面的位錯結(jié)構(gòu)的研究，進(jìn)一步完善界面體系多體勢的獲取方案，同時研究界面的位錯結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為 。 （ 2） 提出新型高精度插值算法， 提高大尺度計算整體運(yùn)行效率。給出多化學(xué)組元協(xié)同效應(yīng)的相關(guān)規(guī)律。 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 的運(yùn)動演化。研究摻雜元素（ u、 W、 ）在鎳基單晶高溫合金中擴(kuò)散行為及其 對高溫合金筏化和蠕變的影響。 （ 3） 采用密度泛函理論方法計算隨合金成分與析出相結(jié)構(gòu)變化的合金母相 /析出相的費(fèi)米能級。 在原子尺度上 計算研究加載速率和點(diǎn)缺陷對合金中 不同晶體取向 裂紋擴(kuò)展過程的影響。 研究過渡金屬氧化物表面的電子結(jié)構(gòu)， 模擬不同基體的界面失配位錯應(yīng)力場分布。 （ 4） 分子動力學(xué)模擬探索疲勞與加工硬化過程中的有效位錯反應(yīng)及作用；疲勞過程中位錯與晶界的相互作用、裂紋萌生與特定微觀組織的關(guān)系；研究合金原子對 O 的溶解極限的影響；研究合金原子對氧化物中點(diǎn)缺陷濃度及其擴(kuò)散速率的影響。 研究不同微觀結(jié)構(gòu)中載流子在外場中的行 為及其調(diào)制方法，探討半導(dǎo)體微觀結(jié)構(gòu)及其相關(guān)量子效應(yīng)對載流子輸運(yùn)特性的影響。重點(diǎn)研究氧化物中的摻雜、缺陷、多組元和無序?qū)ζ涔δ苄再|(zhì)的影響。 （ 3） 弄清時效處理產(chǎn)生系列脫溶析出相的動力學(xué)原因。完善鎂鋁合金及其中典型析出相的電子能級信息。了解晶體在所引入不同晶體取向裂紋作 用下的斷裂機(jī)理。 給出復(fù)雜氧化物表面的極化補(bǔ)償機(jī)制； 確定界面失配位錯應(yīng)力場對鐵電極化的影響。 （ 4） 得到特定條件下位錯與晶界的相互作用，位錯的穿越，吸收及其對晶界結(jié)構(gòu)的影響；晶界附近裂紋萌生的臨界條件； 獲得不同合金元素對氧化物中溶解極限的影響趨勢，以及合金元素對空位及間隙原子濃度和擴(kuò)散速率的作用規(guī)律。 （ 5） 發(fā)展研究微觀結(jié)構(gòu)、載流子分布和輸運(yùn)的理論模型和計算方法，判明影響載流子空間分布的關(guān)鍵因素及其作用機(jī)理；提出針對能源利用的材料摻雜改性方案。 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 三 年 （ 1） 從金屬 /氮化物等簡單結(jié)構(gòu)界面出發(fā)，進(jìn)而發(fā)展碳化物 /碳化物，碳化物 /氮化物，氮化物 /氮化物等復(fù)合界面，以及金屬 氮化物的多重復(fù)合界面的研究。 （ 2） 研究基于 法并適合于多化學(xué)組元復(fù)雜體系求解的自洽迭代收斂加速方法。 探索化學(xué)元素對于材料力學(xué)性能的影響以及不同化學(xué)組元之間的協(xié)同效應(yīng)?；诘谝辉黼娮咏Y(jié)構(gòu)計算，研究合金界面的斷裂性質(zhì)和界面析出取向特征以及界面原子化學(xué)構(gòu)型與劈裂能及位錯滑移的相關(guān)性。 （ 3） 結(jié)合第一原理計算和準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法設(shè)計準(zhǔn)確高效合金應(yīng)力腐蝕過程多尺度耦合模擬算法。在原子尺度上 計算研究合金基體上多層膜界面裂紋萌生與擴(kuò)展的臨界條件。 探索金屬間化合物 納米結(jié)構(gòu)中有序疇的調(diào)控在催化劑設(shè)計中的可能應(yīng)用；研究 有機(jī)分子在半導(dǎo)體表面的吸附及半導(dǎo)體激發(fā)粒子與吸附分子軌道之間的作用。 （ 4） 基于電子結(jié)構(gòu)層次上的計算（ 1） 獲得適用性較好的系阻擋材料原子間相互作用勢庫，進(jìn)行系列性的大規(guī)模分子動力學(xué)模擬，獲得表面弛豫、界面特性、中間緩沖層等原子級圖像，為此類材料的原子級研究奠定基礎(chǔ)。 （ 2） 基于鍵合方程的分析計算提出多化學(xué)組元協(xié)同效應(yīng)的跨局域區(qū)域耦合機(jī)制。完善物理參量解析傳遞方法 ,結(jié)合第一原理計算 ,為鎳基單晶高溫合金成分設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。 （ 3） 計算觀察在不同載荷作用下界面裂紋的形成和擴(kuò)展過程，給出微觀尺度下合金系統(tǒng)界面應(yīng)力和界面破壞之間的內(nèi)在聯(lián)系。建立點(diǎn)缺陷和表面原 子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的聯(lián)系。得出表面的有序無序現(xiàn)象對催化性能的影響；在綜合考慮摻雜、表面及分子吸附和電荷轉(zhuǎn)移等因素的情況下，提出一種新的光催化劑設(shè)計方法。 （ 4） 得到基本的能量信息，分析獲得不同合金元素添加對高年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 模擬，分析合金原子影響 合原子模擬信息，建立變形組織的相場模型，探索變形對鈦合金中網(wǎng)籃、細(xì)晶組織等特定微觀組織的影響規(guī)律。 （ 5） 研究不同外場和化學(xué)環(huán)境下半導(dǎo)體和氧化物表面和界面微觀結(jié)構(gòu)對其光 磁 擬薄膜的合成和生長機(jī)制，分析表面重構(gòu)和表面弛豫，建立表征表面電子態(tài)的模型和計算方法，系 統(tǒng)研究功能性超薄膜，探索可能的低維量子器件構(gòu)筑方案。 溫氧化和正交相變機(jī)理的作用。獲得相場動力學(xué)模擬所需的形變模型，并通過考慮不同階段的形變，在相場動力學(xué)模擬中給出不同因素的相對影響強(qiáng)度。 （ 5） 提出構(gòu)筑若干功能電子和自旋器件的思路。理解半導(dǎo)體和氧化物表面活性及其在外延生長、催化和氧化方面的作用。 第 四 年 （ 1） 利用晶格反演方法對 合金勢進(jìn)行 研究。并進(jìn)行系列性的應(yīng)用檢測。 （ 2） 研究 法，并應(yīng)用于原子結(jié)構(gòu)的弛豫。 基于第一原理結(jié)合分子動力學(xué)模擬，探索 u 等合金化元素與相界面上的錯配位錯相互作用以及合金化元素偏聚性及多化學(xué)元素協(xié)同效應(yīng)。 （ 3） 進(jìn)行合金元素擴(kuò)散系數(shù)與環(huán)境溫度關(guān)系的理論研究； 在電子（ 1） 得到 移植性較好的 晶格反演 金勢。 （ 2） 獲得多化學(xué)組元協(xié)同效應(yīng)的跨尺度耦合機(jī)制。對鎳基單晶高溫合金多化學(xué)組元協(xié)同效應(yīng)給出量化判斷，給出化學(xué)元素以及不同組元協(xié)同效應(yīng)對合金蠕變斷裂壽命的影響機(jī)制。 （ 3） 理解合金元素擴(kuò)散行為與界面滑移和位錯運(yùn)動之間的內(nèi)在聯(lián)系。揭示裂紋在合金材料中傳播、生長的機(jī)制和規(guī)律 ，澄清氫年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 與原子尺度上進(jìn)行 氫與合金中組元原子間的相互作用影響裂紋形成及其擴(kuò)展的計算研究。根據(jù)界面位錯結(jié)構(gòu)與極化性能的耦合關(guān)系設(shè)計性能可控的鐵電薄膜和鐵電納米結(jié)構(gòu)。 （ 4） 針對鈦合金的疲勞斷裂行為，原子模擬疲勞過程中位錯相互作用，位錯花樣的形成及其對后續(xù)變形的作用；探索 變形工藝及后續(xù)熱處理對織構(gòu)的影響，給出合金織構(gòu)控制的可行路線。 （ 5） 探討半導(dǎo)體多摻雜的可行性及其對電子性質(zhì)、自旋極化和輸運(yùn)性質(zhì)的影響。研究具鐵電、壓電的多元氧化物體系的介電、磁、磁電耦合行為，并探討其可能的應(yīng)用。 元素在外加載荷條件下對裂紋形成臨界條件的影響機(jī)制。設(shè)計2 至 3 種新的鐵電與多鐵性納米結(jié)構(gòu)。 （ 4） 闡明疲勞條件下的典型位錯相互作用的原子機(jī)制；得到不同變形工藝下的微觀組織特征，特別是織構(gòu)等的形成趨勢及其與相變的交互作用，提出控制建議。 （ 5） 發(fā)展多元氧化物的計算方法，計算材料中的磁電耦合效應(yīng)，確定最優(yōu)的多摻雜設(shè)計方案。設(shè)計出 12 項(xiàng)有重要應(yīng)用前景的新型功能量子器件。 第 五 年 （ 1） 利用晶格反演方法對 合金勢進(jìn)行研究。模擬計算的基本物性，檢驗(yàn)并改進(jìn) 合金勢。 （ 2） 研究多尺度 索建立 D 的動態(tài)耦合方法。探討關(guān)鍵元素作用機(jī)理，完善性能合金成分設(shè)計，探索鎳基單晶高溫合金中疲勞裂紋的傳播。 （ 1） 得到 移植性較好的 晶格反演 金勢。對改進(jìn)的界面原子勢勢庫進(jìn)行及稀土及錒系金屬間化合物勢庫進(jìn)行總結(jié)。 （ 2） 獲 得 適 合 大 體 系 新 型法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的弛豫算例。 揭示高代次單晶高溫合金中關(guān)鍵元素的強(qiáng)化機(jī)制，不同化學(xué)組 元協(xié)同效應(yīng)對合金蠕年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) （ 3） 全面開展鎂合金典型晶界電偶腐蝕過程的 一原理分子動力學(xué)模擬。完成合金材料應(yīng)力腐蝕開裂過程多尺度耦合計算模擬軟件包的研制。研究氣體分子與過渡金屬氧化物和金屬間化合物表面的相互作用機(jī)理；根據(jù)過渡金屬氧化物和金屬間化合物的表面結(jié)構(gòu)特征和電子態(tài)設(shè)計新的催化劑。 （ 4） 揭示疲勞裂紋萌生的原子機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)疲勞性能的微觀組織優(yōu)化設(shè) 計提供方向性指導(dǎo)；研究鈦合金中高溫變形微觀組織的變化，預(yù)測特定變形條件下的織構(gòu)特點(diǎn)，為變形微觀組織的控制奠定基礎(chǔ)。 （ 5） 發(fā)展有效的、外場下材料性能計算方法，研究半導(dǎo)體和氧化物功能材料表面間的關(guān)聯(lián)特性及量子尺寸效應(yīng)相關(guān)新現(xiàn)象和新規(guī)律，全面研究功能器件在實(shí)際工作環(huán)境下的使役行為。項(xiàng)目總結(jié)。 變斷裂壽命的影響規(guī)律，給出具有自己特色的合金成分。 （ 3） 建立合金在有水環(huán)境下電偶腐蝕電化學(xué)問題第一原理理論模擬研究方法。在電子層次上理解產(chǎn)生晶間腐蝕、應(yīng)力開裂等現(xiàn)象的本質(zhì)因素，給出理論上的防范措施。獲得復(fù)雜表面的氣體吸附狀態(tài)、軌道相互作用、電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制、以及催化反應(yīng)機(jī)制；設(shè)計出基于氧化物與金屬間化合物的環(huán)境與能源催化劑。 （ 4） 得到疲勞裂紋形核長大的基本機(jī)制；給出特定變形條件下鈦合金微觀組織的變化規(guī)律；得到變形條件與織構(gòu)特點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，以此指導(dǎo)變形工藝的確定；根據(jù)部件組織控制的需求，模擬給出所需的變 形和熱處理?xiàng)l件，輔助部件加工工藝條件的確定。 （ 5） 揭示材料表面微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的新性質(zhì)的機(jī)理，以此為基礎(chǔ)優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，提出具有特定性能的功能材料和器件的設(shè)計方案，并闡明其在實(shí)際工作環(huán)境下的行為。 一、研究內(nèi)容 （ 1）材料計算核心方法與工具的深入研究 雖然計算材料學(xué)的前鋒已進(jìn)入以材料集成計算為主題的第三發(fā)展階段，作為學(xué)科基礎(chǔ)的很多核心方法仍在發(fā)展中。針對與本項(xiàng)目目標(biāo)緊密相關(guān)的關(guān)鍵方法繼續(xù)開展深入研究，在支撐本項(xiàng)目的同時也將推動學(xué)科發(fā)展與成熟 ： 晶格反演方法的拓展 。界面間原子間相互作用勢的獲取一直是國際上公 認(rèn)的難點(diǎn)。擬在已有基礎(chǔ)上 研究界面