北理工在材料微觀組織模擬領(lǐng)域取得系列進(jìn)展
發(fā)布日期：2019-09-05 供稿：前沿交叉院
編輯：石殊倫 審核：王博 閱讀次數(shù)：目前，北理工前沿交叉院集成計算材料ICME王俊升教授團(tuán)隊的黃厚兵特別研究員在相場模擬材料微觀組織演化方面取得系列研究成果，入職一年半以來，以第一作者或通訊作者發(fā)表論文SCI論文12篇，包括Small，Physical Review Materials，Applied Physics Letters，Journal of the American Ceramic Society，Journal of Physical Chemistry Letters等，與清華大學(xué)、北京師范大學(xué)、北京科技大學(xué)、北京大學(xué)、武漢大學(xué)和北京航空航天大學(xué)分別發(fā)表合作文章Nature Communications，Physical Review Letters，Advanced Materials，Materials Horizons，Advanced Functional Materials等。相場模擬方法的優(yōu)勢在于揭示多物理場耦合機(jī)制并與實驗完美結(jié)合，構(gòu)建了鐵電和鐵磁多場耦合機(jī)制的相場模型，揭示了鐵性材料中極化強(qiáng)度-應(yīng)變-熱多場耦合、磁化強(qiáng)度-應(yīng)變多場耦合等復(fù)雜相互作用物理機(jī)制。
鐵電材料方面成果為：1）構(gòu)建了表面電荷誘導(dǎo)極化強(qiáng)度翻轉(zhuǎn)的相場模擬，揭示了可逆極化翻轉(zhuǎn)歸因于其水溶液中BiFeO3薄膜表面的原子化學(xué)鍵的重構(gòu)，導(dǎo)致表面電荷聚集，BiFeO3薄膜表面上的負(fù)(正)電荷的累積可以導(dǎo)致從向下(上)到向上(下)狀態(tài)的極化強(qiáng)度翻轉(zhuǎn)，同時，模擬預(yù)測了表面電荷也可誘導(dǎo)鐵電渦旋疇結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。2）構(gòu)建了寬溫變電卡效應(yīng)的相場模型，在鐵電超晶格中，通過調(diào)節(jié)層間失配應(yīng)變和襯底錯配應(yīng)變之間的平衡，擴(kuò)大電卡效應(yīng)的溫度范圍到281 K。3）構(gòu)建了壓電效應(yīng)相場模型，鋯鈦酸鉛如果遠(yuǎn)離準(zhǔn)同型相界，壓電常數(shù)的提高主要依賴于疇翻轉(zhuǎn)，而靠近準(zhǔn)同型相界，其各相之間的自由能差異小，電場容易誘導(dǎo)相變，能夠大大提高壓電常數(shù)。
圖1 表面電荷誘導(dǎo)鐵電渦旋疇，鐵電超晶格結(jié)構(gòu)中的寬溫區(qū)電卡效應(yīng)，鐵電疇翻轉(zhuǎn)和相變提升壓電效應(yīng)，表面電荷翻轉(zhuǎn)極化強(qiáng)度
Nature Communications. 9, 3809 (2018).
Physical Review Materials. 2, 111403(R) (2018).
Applied Physics Letters, 114, 112903 (2019).
Journal of Alloys and Compounds, 777, 821-827 (2019).
鐵磁材料方面成果為：1）提出一種高顆粒濃度的漂移擴(kuò)散模型，耦合相場方法計算顆粒累積而產(chǎn)生的退磁場。研究發(fā)現(xiàn)，通過精確調(diào)節(jié)擴(kuò)散過程和漂移過程，可以獲得磁性顆粒的大尺度梯度分布，模擬獲得的磁性顆粒分布與實驗一一對應(yīng)，為實驗設(shè)計磁場調(diào)控功能梯度材料提供了磁場大小、顆粒大小、磁場顆粒間距等參數(shù)。2）利用微磁學(xué)和相場模擬的耦合，揭示了磁性材料的表面退磁場機(jī)制，由于退磁場的影響，表面形成針狀的反磁化疇，模擬結(jié)果解釋了實驗中觀察到的表面反向疇。
圖2 磁場調(diào)控混合磁性顆粒的梯度分布，退磁場誘導(dǎo)的表面退磁疇結(jié)構(gòu)
Small, 1802717 (2018).
Advanced Functional Materials. 1900690 (2019).
Advanced Materials. 31, 1900582 (2019).
附黃厚兵特別研究員簡介：
黃厚兵，特別研究員，2018年入職北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院集成計算材料團(tuán)隊，博士生導(dǎo)師。博士畢業(yè)于北京科技大學(xué)，博士后在美國賓夕法尼亞州立大學(xué)師從相場領(lǐng)域知名專家陳龍慶教授。主要從事相場模擬材料微觀結(jié)構(gòu)演化研究，以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI論文37篇，包括Adv. Mater.(封面)，Mater. Horiz., Small (內(nèi)封面)，Acta Mater.(2篇)，JACerS (2篇)，Appl. Phys. Lett.(4篇)，J. Phys. Chem. Lett.，ACS Appl. Mater. Inter.，Phys. Rev. Mater.等。
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