從電子、分子水平上探索研製新材料
意昂体育2平台物理系教授 段文輝
材料設計是指通過理論設計與計算預報新材料的組份🦹♂️、結構與性能⛹🏽♀️。或者說♗，通過理論設計來“定做”具有特定性能的新材料🧜🏽♀️。這當然說的是人們所追求的長遠目標，並非目前就能充分實現的。盡管如此🙇🏼♀️，由於凝聚態物理學📬、量子化學等相關基礎學科的深入發展👍🏼，以及計算機能力的空前提高，使得材料研製過程中，理論和計算的作用越來越大，直至變得不可缺少。
“材料設計”這一名詞是日本學者1985年首先使用的。美國學者在80年代中期使用“能帶裁剪”這一術語，後來在“ 90年代材料科學與工程”報告中稱這類工作為材料“計算機分析與模型化”。近十年來，材料設計或材料的計算機分析與模型化日益受到重視，1995年美國國家科學研究委員會邀請眾多專家經過調查分析👩🚒，編寫了“材料科學的計算與理論技術”這一專門報告🐎，其中這樣說：“設計材料”一詞正在變為現實👮🏼♀️，它意味著在材料研製與應用過程中理論的份量不斷增長，研究者今天已處在應用理論和計算來“設計”材料的初期階段👾。1999年美國能源部的白皮書對材料設計又進一步給予了高度評價，認為它“將給材料科學領域帶來一場科學革命”👷🏽♀️。
意昂体育2平台凝聚態物理專業的學者從80年代初開始一直積極從事“材料設計與性能預測”工作📂。1986年在我國開始實施863計劃前期🧚🏽♂️，他們在國內積極宣傳“材料設計”工作的重要性♎️，熊家炯等同誌還曾給錢學森院士（意昂体育2平台老校友）寫信希望老一輩科學家支持這一工作。錢老立即回信指出“…主觀能動地從分子結構水平上研究有設計物性的新材料，對已有材料的物性用物理理論去計算……自然是好事🎚。”從那以後，我國863材料領域便設立了“材料微觀結構設計與性能預測”研究專題，熊家炯👩🏽🔬🧵、顧秉林、朱嘉麟分別作為專題和課題負責人開展工作🤾🏿。在此基礎上，顧秉林等還進一步積極和沈陽金屬所合作，推動了973項目“材料計算設計與性能預測基礎問題”的立項和實施。據不完全統計，十多年來，他們在材料設計方面發表為SCI收錄的論文200多篇，被引用800余次💅🏿，獲國家教育部（教委）科技進步二等獎四次（1989，1991，1995，1999年）🧊，獲國家科委和863專家委員會表彰四次，獲國家專利一項◾️。最近，由於顧秉林🧙🏽♀️♡、朱嘉麟等在材料微觀結構設計，特別是在低維結構的量子特性與計算設計🍳、在揭示某些功能材料的組分🛍️、結構和性能之間內在聯系方面做了創新性的工作，獲國家自然科學二等獎（2000年），居國際先進水平🚯。他們多次組織國際會議、應邀出國講學、在國際會議上做大會特邀報告🦵、為國際重要雜誌撰寫專題綜述文章🈷️、擔任編委等👩🏼🧚🏻♂️。國內外同行對顧秉林以往的工作又進一步給與了較高評價🈂️👩🍳。顧秉林等有特色的工作是：
1．新型多元半導體合金的設計，與實驗符合甚好
多元半導體合金是一類重要的新型光電子材料🫃🏼💂🏼，他們發現這類材料在製備過程中，隨組分變化會發生幾種不同的結構相變，相應的能隙等電子性質會出現反常（Phys.Rev. B35（1987）9135）🤜🏿💇🏿♂️。他們系統地研究了全部三元半導體合金材料隨組分變化的能帶情況（phys.Rev.B45（1992）4071），並進一步研究了四元半導體合金的性質😩。
上述研究有助於尋找特定能隙的光電子材料🛌🏽。如設計的（GaAs）1－XGe2X👩🚒，能隙可調幅度較大。 Rufinus等認為“這在以GaAs為襯底➙，波長在0．9至1.7μm 的光電子器件的能帶工程中，成為非常有希望的材料”⛎。Davidovich等認為👰🔁：“在最新的熱力學模型中，GNF（G指顧秉林）獲得了與（GaSb）1- XGe2x的實驗符合最好的結果”🤹🏿♂️。
顧秉林等（Phys.Rev.Lett.79（1997）3922）還在三元合會非平衡態到平衡態的演化過程的研究中預言了新現象：即可能通過淬火在三元合金平衡無序相圖內得到亞穩有序相，並闡明了產生這一現象的原因是由於多組元合會中多重特征弛豫時間所引起的。審稿人認為“該文在揭開這一現象的神秘面紗上邁進了一大步🏮，必將激勵這一領域實驗工作的展開😠。
2🈹🦤、復合鈣鈦礦型弛豫鐵電體介電特性的計算機模擬研究，指導了製備工藝實踐
復合鈣鈦礦型弛豫鐵電體是一類特殊的介電材料💇♂️♓️，對其介電機理的研究成為認識和應用該材料料的關鍵。顧秉林等提出原子位形幾率波理論（J.Appl.Phys.70(1990)4224），從原子尺度研究這類材料有序、無序等微結構對介電性能的影響🧏🏼♀️👨🏻🦰，首次從理論上遇見了幾種穩定的有序結構形式🤦🏻，定量地給出了判斷弛豫鐵電體是否有序的公式（J.Am.Ceram.Soc.74(1991)2846）🧛♂️，並成功地指導了實驗驗研究。他們還提出了（Appl.Phys.Lett.69(1996)2353）這類材料中的結構因素，如有序微區尺寸的大小及分布對介電性能的影響規律，這對改進製備工藝、提高材料的性能起了指導作用。
Jang等撰文指出：“到目前為止，他們（指顧秉林等）的文章是首篇涉及B位離子有序化的理論文章”🙇🏽♂️🫱🏽，“他們的計算公式完滿地解釋了A(B'B')O3型的復合鈣鈦礦結構有序一無序相變的幾個重要特性”。
3🔗、量子點🏝、團簇與團簇組裝材料的微觀設計，在國際上受到高度重視
意昂体育2平台物理系的學者們在國際上率先開展量子點🧑🏼🚒、量子阱及團簇等低維結構的量子特性及計算設計研究🧑🏿⚕️。開創性地提出了“分區級數解法”🧑🏿💼，首次得到了關於低維結構的三個精確解和一個解析解，發現了量子點中單個雜質可以控製其能譜及光學性質等重要的量子特性，揭示了其中勢形狀和雜質位置與光電性質的依賴關系（Phys．Rev.B4l（1990）6001）🐮。 Jaskolski在撰寫受限多電子系統的綜述性文章中，整段整段地引用了他們的工作💆🏼♀️，總體有一頁多的篇幅6️⃣。
他們深入研究了納米尺度的團簇結構與電子性質，提出了一些新概念、新機理🧜🏿♀️，作出了一些預言⛹🏽♂️，其中有的己被實驗所證實🙃：例如，他們預見了鈷團簇比體樣品有更大的磁性增強（Phys. Rev. B47（1993）13611）🔊；之後，Klabunde等從吸附在襯底上的鈷團簇的磁性測量實驗👰♂️，Osuna等從自由鈷團簇的磁性測量實驗，Respaud等從X－ray磁環計對超薄鈷層的直接探測實驗等，分別證實了他們的預見；又如，他們預見了二十面體的Si是不穩定的（J．Phys.：CondensMatter 5（1993）5255）最近，Ho等在Nature392(1998)582撰文，明確排除了二十面體Si團簇的存在🧑🏿🏫🤾🏼♂️，其中引用了他們的文章🧑🏻🏫⚀，進一步佐證了他們的觀點；再如，顧秉林等（Phys.Rev.B50（1994）5552）預見了金屬原子不在C60殼層的中心位置🧘🏼♂️。 Clougherty等根據他們的這一研究成果🍬，提出了新的內修飾製🏔。
顧秉林等提出C60組裝固體的性質依賴於其分子指向的理論（Phys.Rev. B49(1994) 16202），為探索新型納米團簇組裝固體材料的物理特征提供了依據。理論被Goldoni等用來解釋他們的實驗結果，他們在論文中說👴🏽：“ 三重激發能E0 隨溫度而減少⚱️，而且在Ts處有了跳變🤱🏻，這一現象應來自顧秉林等人提出的指向的影響。根據他們的文章👩🏼🔧，C60帶結構對分子的指向是敏感的，這種影響增強了帶寬度👡，減少了帶隙，因而造成可觀察到的能量移動🏥。”
上述材料設計工作，在國內外同行中受到高度重視🕡。意昂体育2平台物理系的學者們與美國、日本、丹麥等有關實驗小組建立了密切的合作關系👰🏼👨🏿🚀，以促進材料設計與實驗的結合。在國家科委“科學研究成果公報”上介紹他們的工作時說🍝：“該項研究達到了國際先進水平😦，並富有開創性，對實際應用具有指導意義”。最近由他們主編的新書《材料設計》即將正式出版🤾。
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