北理工在材料微觀組織模擬領域取得系列進展
發布日期：2019-09-05 供稿：前沿交叉院
編輯：石殊倫 審核：王博 閱讀次數：目前，北理工前沿交叉院集成計算材料ICME王俊升教授團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、北京師范大學、北京科技大學、北京大學、武漢大學和北京航空航天大學分別發表合作文章Nature Communications，Physical Review Letters，Advanced Materials，Materials Horizons，Advanced Functional Materials等。相場模擬方法的優勢在于揭示多物理場耦合機制并與實驗完美結合，構建了鐵電和鐵磁多場耦合機制的相場模型，揭示了鐵性材料中極化強度-應變-熱多場耦合、磁化強度-應變多場耦合等復雜相互作用物理機制。
鐵電材料方面成果為：1）構建了表面電荷誘導極化強度翻轉的相場模擬，揭示了可逆極化翻轉歸因于其水溶液中BiFeO3薄膜表面的原子化學鍵的重構，導致表面電荷聚集，BiFeO3薄膜表面上的負(正)電荷的累積可以導致從向下(上)到向上(下)狀態的極化強度翻轉，同時，模擬預測了表面電荷也可誘導鐵電渦旋疇結構的產生。2）構建了寬溫變電卡效應的相場模型，在鐵電超晶格中，通過調節層間失配應變和襯底錯配應變之間的平衡，擴大電卡效應的溫度范圍到281 K。3）構建了壓電效應相場模型，鋯鈦酸鉛如果遠離準同型相界，壓電常數的提高主要依賴于疇翻轉，而靠近準同型相界，其各相之間的自由能差異小，電場容易誘導相變，能夠大大提高壓電常數。
圖1 表面電荷誘導鐵電渦旋疇，鐵電超晶格結構中的寬溫區電卡效應，鐵電疇翻轉和相變提升壓電效應，表面電荷翻轉極化強度
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散模型，耦合相場方法計算顆粒累積而產生的退磁場。研究發現，通過精確調節擴散過程和漂移過程，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，為實驗設計磁場調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。2）利用微磁學和相場模擬的耦合，揭示了磁性材料的表面退磁場機制，由于退磁場的影響，表面形成針狀的反磁化疇，模擬結果解釋了實驗中觀察到的表面反向疇。
圖2 磁場調控混合磁性顆粒的梯度分布，退磁場誘導的表面退磁疇結構
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前沿交叉科學研究院集成計算材料團隊，博士生導師。博士畢業于北京科技大學，博士后在美國賓夕法尼亞州立大學師從相場領域知名專家陳龍慶教授。主要從事相場模擬材料微觀結構演化研究，以第一作者或通訊作者發表SCI論文37篇，包括Adv. Mater.(封面)，Mater. Horiz., Small (內封面)，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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