晶体相场模型及其在材料微结构演化中的应用

随着计算机技术的快速发展,计算机模拟实验在材料科学中的作用越来越突出。计算机数值模拟技术已经和实验观测、理论模型分析并称为20世纪以来的三大科学研究方法。本文首先简要地从空间特征分辨尺度和时间特征尺度比较了几种重要的计算模拟方法——分子动力学(MD)、传统相场方法(TPF)和晶体相场(PFC)方法的各自适应的特征尺度范围和特点。在模拟纳观尺度的材料微结构演化,PFC在特征时间尺度上更具优势。其次,介绍了PFC模型,及其建立的物理基础和数学基础,以及该方法的特色优势。同时,介绍该PFC模型的拓展与推广,包括二元和多元体系、气-液-固三相体系、双模和多模体系的PFC模型,以及求解PFC模型的动力学方程数值计算的关键技术与主要步骤。再次,结合作者在材料微结构演化方面的研究,着重介绍PFC模型的几个重要方面的应用例子,包括材料纳观缺陷结构演化、凝固的枝晶生长和晶体外延生长、高温预熔化变形和动态回复、纳观尺度的裂纹扩展与分叉、无序-有序金属玻璃转变、石墨烯的缺陷结构、金属互联线电迁移空洞、多铁复合材料的畴结构、金属泡沫结构的生成等。最后,总结并指出PFC模型的拓展方向与今后应用的重点方面和新领域。     

两端对称缺陷复合光子晶体特性研究

用传输矩阵法计算了两端对称缺陷复合光子晶体的传输特性。计算结果表明：两端对称缺陷复合光子晶体［D（AB）mD］2结构中的禁带出现两个完全共振透射峰。通过控制温度来微小改变光子晶体介电层的厚度,使得完全共振透射峰移动,且各介质厚度的变化与透射峰波长的变化呈良好的线性关系,折射率大的介电层厚度的变化对共振透射峰波长的变化较大。此结果为设计所需要的共振透射峰波长的双通道滤波器提供了理论依据,也为该结构实现热敏开关提供了理论基础。     

四元异质结构光子晶体的双通道光学滤波特性

为了设计高品质的光学滤波器,采用传输矩阵法研究四元异质结构光子晶体（ABC）7D（CBA）7的双通道光学滤波特性。结果表明,随着A（或C）介质薄膜光学厚度D_A（或D_C）的增大,滤波器短波通道的滤波品质因子降低,长波通道的滤波品质因子升高;随着B介质薄膜光学厚度D_B增大,滤波器短波通道和长波通道的滤波品质因子均下降;随着D介质薄膜光学厚度D_D增大,滤波器短波通道的滤波品质因子升高,而长波通道的滤波品质因子降低;随着各薄膜介质层光学厚度增大,滤波器双通道均向长波方向红移,但各滤波通道的光透射率均保持100%不变。该研究结果可为光子晶体设计新型光学滤波器件、光学开关等提供参考。     

Al-Cu合金时效初期的价电子结构

用固体经验电子理论(EET)对Al-Cu合金时效初期的析出相的价电子结构进行计算.计算结果表明:合金基体析出的共格GP区、θ″相,具有比基体更强的共价键络,提升了合金的整体键络强度.从价电子结构层次上解释了时效初期的GP区和θ″相对合金强化作用的内在原因.     

缺陷对光子晶体透射能带谱的简并效应研究

为了设计高品质、高性能的光学滤波器和光开关,利用传输矩阵法通过数值计算模拟的方式绘制1维光子晶体的透射能带谱,研究和分析了两缺陷之间距离和缺陷的厚度对光子晶体透射能带谱的简并效应。结果表明,当两缺陷之间距离越大,透射能带谱简并效应越明显,当间距增大到一定数值时,出现分立透射峰完全简并现象;当缺陷厚度整数倍增大时,光子晶体透射能带谱出现简并的趋势,但缺陷厚度奇数倍增大与偶数倍增大时,透射能带谱简并速度不一样,前者的简并速度小于后者的简并速度;缺陷厚度无论是奇数倍增大还是偶数倍增大,光子晶体透射能带谱简并的速度均逐渐减小。缺陷对光子晶体透射能带谱简并效应的调制规律,为光子晶体设计新型光学滤波器件、光学开关及其调制机制等提供了指导。     

左右手材料光子晶体能带结构及表面波色散关系

根据平面波展开的传输矩阵理论及布洛赫定理,通过参数匹配的方式,研究零平均折射率及表面含覆盖介质层条件下左右手材料光子晶体的能带结构和表面波的色散关系,结果表明:零平均折射率条件下,左右手材料光子晶体不同于正折射率材料光子晶体,能带结构中出现半封闭状禁带、封闭状禁带和通带,且通带中的分立能级沿着低频方向呈现振荡衰减和多重简并趋势,能带结构沿着波矢绝对值增大方向趋于简并至消逝。添加表面覆盖介质层的左右手材料光子晶体支持正反表面波和反向表面波的传播,部分半封闭状或封闭状禁带边缘出现简并能级分裂,形成禁带中斜率有正有负的分立色散曲线。表面覆盖介质层厚度可调制色散曲线的频率位置和数目,随覆盖介质层厚度增大,分立色散曲线向波矢减小方向移动,且高频区域半封闭状禁带中的色散曲线在覆盖介质层厚度达到一定数值时还出现耦合分裂现象,但覆盖介质层厚度变化对能级的多重简并和通带与禁带的简并态不产生影响。左右手材料光子晶体的能带结构特点和表面波色散特性,可为新型光波导器件的研究和设计等提供指导。     

对称结构光子晶体的表面光学Tamm态

利用传输矩阵理论和等效原理,从能级的角度研究对称结构光子晶体表面光学Tamm态,结果表明:当光子晶体的排列周期无限大时,入射介质与光子晶体间不满足阻抗匹配条件,从而不出现表面光学Tamm态;当光子晶体被截断成有限周期时,其表面可支持表面光学Tamm态的存在,且轴向传播时通带中出现TM和TE偏振的能级简并现象,离轴传播时从通带边缘分离出来的非简并能级被局域于光子晶体表面而形成了表面光学Tamm态;当光子晶体截断参数与最外层高折射率介质匹配时,容易形成束缚性较强的表面光学Tamm态,与最外层低折射率介质匹配时,则难以实现表面光学Tamm态;通过ATR全反射技术对光子晶体表面态进行激发可观察到被激发的耦合共振吸收现象。对称结构光子晶体表面光学Tamm态的特性可为光子晶体光波导和表面波传感器的研究和设计提供指导。     

变形合金的亚晶组织演化的相场模型

将多态相场(MSPF)模型与品格畸变模型结合,根据合金的储存能分布,应用于亚晶组织的演化研究.通过构造变形晶粒的初始亚晶组织,计算模拟再结晶过程中亚晶通过合并与吞噬机制进行长大的微观演化过程,系统研究了变形量对亚晶尺寸分布和亚晶长大速率的影响.结果表明,在储存能较高的区域(如晶界附近处),亚晶较细小,分布较密集;再结晶过程中,亚晶密度高的区域最先出现亚晶合并和吞噬现象,并通过该机制使再结晶晶粒形核和长大;而在变形晶粒内部,亚晶分布较均匀且数量密度低,尺寸较大,亚晶合并长大的速率较慢.再结晶晶粒尺寸权重概率分布表明,变形量大的合金,晶粒尺寸较快地变大,完成再结晶的时间较短,而变形量较小的合金,晶粒尺寸变化较慢,再结晶完成的时间较长.亚晶组织演化的模拟结果与实验结果相符.     

复介电光量子阱结构:多通道滤波和高效光放大

用传输矩阵法计算了光量子阱结构的传输特性.计算结果表明:光子的束缚效应将导致频率的最了化,光子禁带中出现多个束缚态,且束缚态的个数与阱光子晶体的周期数相等,为设计所需要的多通道滤波器提供了理论依据.当在光量子阱结构的一种介质中掺人激活介质使得介质的介电常数具有一个负虚部,各束缚态都出现了较强的增益,从而形成高效的多通道放大器.随着介电常量负虚部绝对值的增加,各透射增益先增加后减少,中间存在一极值点,但各束缚态出现透射增益极值点的虚部、最大增益的大小以及出现脱增益的虚部范围都不同.而当组成光量子阱结构的一种介质的复介电虚部为止时,表现为对各束缚态的吸收.这一结果为光子晶体同时获得多通道超窄带滤波器和所需放大倍数的光放大微器件提供了理论基础.     

Electronic structure and physical property of TiAl

lINTRODUCTIONInrecentyearslthePau1ing'svaIenceb0nd(VB)the0ryhasmadeagreatprogressinChi-m.First,YtidevelopedthePauling'svalencebondtheoryandestablishedtheEETtheory[']landthenbasedontheenergy-b0ndthe0ryandEETtheory,Xieproducedtheone-atom-statetheory['1(OAtheory)ofpuremetalswiththeunityof"shape"and"energy"andthendevel-opedthecentralat0msmodelinthestatisticthermodynamicsandbuiltthecharacteristiccrys-talthe0ry(CCtheory)[31.NowtheOAtheoryhasmadeanewprogressandcanbeappliedto-intermetallic…