項目名稱： 基于集成計算的材料設計基礎科學問題 首席科學家： 楊銳 中國科學院金屬研究所 起止年限： 托部門： 中國科學院 二、預期目標 1. 總體目標 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，運用計算與材料學科交叉的新手段提出創(chuàng)造性的解決方案，同時有效縮短關鍵新材料研發(fā)與驗證周期，促進我國材料產(chǎn)業(yè)的技術跨越，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發(fā)展第三階段的集成材料計算，演示在材料設計方面的系列應用，以重點材料如高性能鈦合金 和若干信息功能材料為應用目標促進工業(yè)技術進步。大力培養(yǎng)新型人才，帶動計算技術在材料制備、研發(fā)、工藝、工程化、使役整個鏈條各環(huán)節(jié)的交叉融合，促進我國計算材料科學的全面發(fā)展。 2. 五年預期目標 （ 1）在高性能新材料集成計算平臺與方法方面發(fā)揮主導作用： 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計實驗室及 清華大學材料虛擬設計實驗室 ， 完成 子動力學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 目前廣泛應用的 ， 體現(xiàn)我國 材料計算研究的系統(tǒng)性和原創(chuàng)性。 （ 2） 在 結構與功能 材料 集成計算方面取得原創(chuàng)性成果并在關鍵材料 設計方面發(fā)揮不可替代作用： 對鈦合金中溫高應力條件下的疲勞行為提出基于原子模擬的新認識，探索基于粉末冶金的 1 套初步解決方案，研制出一種先進 料并在國際先進航空發(fā)動機中獲得應用，充分體現(xiàn)我國自主創(chuàng)新實力。在多尺度多層次計算基礎上提出一種新一代單晶高溫合金 集成設計方案。 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，提升我國計算材料整體水平：采用獨創(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 原子勢 庫將進一步擴大合作與服務 ， 為提高我國特有資源技術附加值貢獻科技力量。中科院沈陽超級計算分中心的計算能力及相應軟件也將面向全國研究單位和企業(yè)開放服務 。 （ 4）在材料技術和科研產(chǎn)出方面，實現(xiàn)國家發(fā)明專利 8 項和國際發(fā)明專利 2項；爭取獲頒新材料國家標準 1 項；發(fā)表論文 400 余篇。 （ 5）在材料計算設計與模擬人才方面，培養(yǎng)博士 30 名和學術骨干 8 名以上； 實現(xiàn) 2 項以上 國際 重大 合作 項目 ，與相關領域 10 個以上 世界一流研究組保持或建立合作關系，實現(xiàn)人員交流 40 人次以上。 三、研究方案 1. 學術思路及技術途徑 的可行性 依據(jù)國際上計算材料學已進入以集成計算設計為重點的第三研究階段而同時繼續(xù)攻克基本方法難點的形勢以及我國材料行業(yè)的需求，本項目在前期雄厚的研究積累基礎上，擬開展方法、應用、服務三個層面的研究，具體研究內(nèi)容及相互支撐關系見示意圖。有關具體的技術途徑在圓滿完成的前期項目中業(yè)已證明是可行和有效的。 材料集成計算作為本項目的重點研究方面，其研究對象和應用目標 選取 了 具有重大需求或重要應用前景的 代表性鈦合金結構 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)進度、降低研發(fā)成本和提高材料創(chuàng)新精準度方面的明顯優(yōu)勢。在方法層面的三項研究與直接針對應用目標的這兩方面研究關系密切，不僅為其提供基礎與方法支撐，而且為計算材料科學自身發(fā)展做出貢獻。上述研究安排預計可以在解決本項目五個關鍵科學問題上有所突破。 與前期項目明顯不同的是，本項目將面向?qū)W術界，企業(yè)與社會提供服務，這具有多方面意義：一是項目自身成果的展示，充分體現(xiàn) 973 這類重大項目的社會功能；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科的認知，促進新型人才培養(yǎng)和材料行業(yè)發(fā)展模式的升級；三是與工業(yè)界和學術界的開放式互動交流將促進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)容與課題設置及其支撐關系 (數(shù)字為課題號 ) 晶格反演方法的拓展 (1) 跨 尺度 關聯(lián)機制與算法研究 (2) 外場下原子擴散 與反應 的理論處理 (3) 實用鈦合金關鍵性能相關集成計算 (4) 材料微觀結構和量子效應的功能材料集成設計 (5) 原子勢 庫 (1) 超級計算平臺及相關資源 (4,5) 若干材料計算新方法與程序 (1,2,4) 服務 應用 方法 2. 本項目創(chuàng)新點與特色 （ 1）以我國獨創(chuàng)方法迎戰(zhàn)國際前沿難題 根據(jù)半群結構模型和數(shù)論反演方法推算晶體和界面系統(tǒng)原子間結合能進而獲得復雜難處理體系原子間勢是得到國際認可的獨創(chuàng)性方法，已在諸多材料體系中獲得應用。該方法的創(chuàng)新與拓展將為學科發(fā)展做出我國應有貢獻。 （ 2）為利用我國特色稀土資源 做好科學基礎儲備 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)一直因低技術附加值出口 而飽受詬病，其深層次原因是我國缺乏相 應的 關鍵技術。本項目建立的稀土原子勢庫將為開展相關研究工作奠定基礎。 （ 3）材料集成計算依據(jù)國家重大專項需求，力圖解決跨越發(fā)展所需關鍵技術的基礎科學問題 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涉及的關鍵材料，開展相關 材料集成計算 并為解決有關技術問題提供方案具有重要意義。如鈦合金在中溫、高應力狀態(tài)下的疲 勞，是航空發(fā)動機葉片應用的核心問題，已引起 世界主要航空引擎制造商高度關注。項目在該方面的研究將為我國大飛機發(fā)動機專項提供支撐，促進我國航空工業(yè)跨越發(fā)展。 （ 4）項目成果面向社會服務充分體項 973 項目價值與意義 本項目提出的面向?qū)W術界、企業(yè)和社會的三方面服務是一大特色。這首先得益于 973 計劃對材料計算科學的長期穩(wěn)定支持，同時也將有效展示重大項目的公益功能，加深社會對 973 重大項目的認知，促進計算材料科學健康發(fā)展。 本項目擬分五個課題進行計算方法、應用和服務三個層面的研究，其間相 互關系見上節(jié)圖。其中課題 1、 2、 3 著重方法的研究，而課題 4、 5 分別側重在結構材料和功能材料設計兩方面的應用。方法層面的三項研究直接針對兩個應用目標，而應用研究為方法的發(fā)展提出相應的需求。 課題 1、復雜材料原子間相互作用勢庫的創(chuàng)新與拓展 預期目標： 采用獨創(chuàng)的晶格反演數(shù)論方法發(fā)展更精確的針對不同結構、不同體系的復雜難處理系統(tǒng)原子間相互作用勢 ， 發(fā)展新的反演方法。 導出界面體系中相應的新型反演公式與相應原子勢， 通過比較和系統(tǒng)檢驗 ，為系統(tǒng)發(fā)展和應用界面反演新方法奠定良好基礎。明確界面原子配位環(huán)境與界面反演勢的關系 ， 解決復合界面以及多重復合界面的計算困難 ， 探索自組裝納米結構模板的形成機理 和 設計 方法 。結合 關鍵材料 利用晶格反演方法對 進行改進，提供實用效果 和 可移植性更好的晶格反演 。 研究內(nèi)容： 以貼近對象結構的晶格 系統(tǒng) ，利用 的方法 進行系列性第一原理計算，運用新推導的不同結構反演系數(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 微結構 的原子間相互作用勢庫。對具有應用潛力的錒系氧化物體系進行深入研究。 在界面反演勢方面 將拓展不同的應用 范圍 ，研究界面的位錯結構、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，探索自組裝納米結構模板的形成機理 并 預言或設計不同周期長度的模板。應用 格反演方法改進 。 在 已 初步建立 的單質(zhì) 材料 晶格反演 基礎上， 完成有序金屬間化合物中 晶格反演 并進行系列 應用檢驗。 開展 構筑 合金勢的研究，應用 第一原理方法 計算同成分不同結構有序合金結合能，通過 晶格反演 來獲取 并揭示 其與合金結構之間關聯(lián)的規(guī)律性。再尋找弱化這些關聯(lián)的最佳途徑 ，構建起有效的獲取合金勢的參考結構； 并 建立起定量表征這些關聯(lián)的有效方法 ， 與實際應用 結合 ， 對原子間相互作用勢 進行 檢驗和改進。 經(jīng)費比例： 17% 承擔單位： 北京科技大學、清華大學、云南大學、河北師范大學 課題負責人： 陳難先 學術骨干： 張碩、劉英、錢萍、申江 課題 2、多層次多組元物性關聯(lián)機制及相關算法與合金成分設計 預期目標： 完成 跨尺度 多層次模型算法中 耦合機制和物理邊界 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 多化學組元協(xié)同效應的相關規(guī)律 ， 建立多化學組元（三元 及以上體 系 ）原子間相互作用勢 并應用于 單晶高溫合金 設計， 基于第一原理電子結構計算給出化學因素及結構因素與材料力性的相關機制。 研究內(nèi)容： 繼續(xù)發(fā)展和應用 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計。發(fā)展大尺度快速收斂及并行擴展性編程方案 和 離散數(shù)值積分算法，實現(xiàn)千原子量級及復雜結構缺陷體系的第一原理計算。 將在已 實現(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 高溫合金設計問題，將上述方法 應用于復雜結構及多組元材料成分設計。 揭示 多化學組元協(xié)同效應的基本規(guī)律，為 單晶高溫合金成分設計提供理論分析 的 基礎。 經(jīng)費比例： 17% 承擔單位： 鋼鐵研究總院、清華大學 課題負責人： 王崇愚 學術骨干： 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 預期目標： 澄清主導鐵、鈦、鎂合金高溫蠕變行為的物理機理，提出抗高溫蠕變鈦、鎂合金成分設計指南；初步建立第一原理合金腐蝕電化學研究方法，發(fā)現(xiàn)與合金成分相關的晶界腐蝕規(guī)律；創(chuàng)建研究晶體裂紋擴展問題的跨尺度耦合算法， 實現(xiàn)鐵、鈦、鎂合金應力腐蝕開裂現(xiàn)象的計算機模擬。 研究 過渡金屬氧化物表面結構特征，揭示分子表面吸附與催化反應機制，建立鐵電薄膜 /基體的界面失配位錯應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致的蠕變問題 ， 重點研究鎂鋁合金中出相的高溫熱穩(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，探討界面析出相在抑制界面滑移中的作用。擬結合準連續(xù)介質(zhì)技術、經(jīng)典分子動力學和第一原理分子動力學方法創(chuàng) 建由宏觀連續(xù)介質(zhì)到電子層次的跨尺度結構模型 ， 對應力腐蝕開裂的裂紋擴展過程與方式進行全方位模擬計算 ，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膜的抗腐蝕機理進行詳細的比較研究，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構、穩(wěn)定性和氣體吸附等物理、化學過程， 探索 新型催化劑 的 設計思路；研究鐵電、光電材料的原子、電子結構和光吸收性質(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力場對鐵電極化的影響。 經(jīng)費比例： 承擔單位： 中國科學院金屬研究所、東北大學、遼寧工業(yè)大學 課題負責人： 王紹青 學術骨干： 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 預期目標： 在電子 、 原子結構層次上，掌握合金元素 影響鈦合金彈性機制和 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)動的微觀機理 ， 獲得晶界遷移能力與溫度、晶界位向差的關系 ， 預測給定變形條件下的晶粒位向分布變 化趨勢，明確動態(tài)再結晶中晶粒轉(zhuǎn)動對織構演化的作用。對高強鈦合金和 行成分、工藝設計及綜合性能優(yōu)化，使之能夠滿足 航空部件 應用的性能需求。 研究內(nèi)容： 研究鈦合金 塑性變形中應力作用下晶界遷移 與 滑動的機理 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)熱處理對織構的影響 。 建立鈦合金中的晶體塑性有限元本構關系，其中包含位錯和孿晶對形變的貢獻 。在此基礎上 研究鈦合金中高溫變形微觀組織的變化，實現(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 ，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系 ， 探索疲勞與加工硬化過程中的有效位錯反應 ， 揭示疲勞裂紋萌生的原子機制， 為改善 疲勞性能的微觀組織優(yōu)化設計提供方向性指導。 研究鈦合金變形的電子結構基礎，初步認識功能鈦合金彈性機制。 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 隙原子濃度及其擴散速率的影響。在電子結構層次上，分析合金原子影響 高溫氧化性能的物理機制。 經(jīng)費比例： 承擔單位： 中國科學院金屬研究所、哈爾濱工業(yè)大學、東北大學 課題負責人： 徐東生 學術骨干： 胡青苗、宋巖、李林、王皞 課題 5、基于材料微觀結構和量子效應的功能材料集成設計方法 預期目標： 針對功能材料在實際應用條件下的使役行為，發(fā)展 應用 于多元或無序等復雜材料體系的計算設計方法，闡明材料微觀結構與導電行為、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，研制出滿足使用的功能材料和器件 ， 設計 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 微觀結構 的電子態(tài)性質(zhì)，預測體系的力學、電學和熱學性質(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 。 提出改進光電子材料性能的方案和途徑 ， 設計具有優(yōu)異性能的復合結構光電子材料及其生長方法。 研究內(nèi)容： 研究半導體材料中的雙極摻雜和調(diào) 制摻雜模式及其對輸運性質(zhì)和器件應用的影響。從載流子空間分布的角度，探討半導體材料（特別是低維結構）的微觀結構及其相關量子效應對于載流子輸運特性的影響，探索提高半導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)、光學吸收）的調(diào)制，重點探討在能源和功能器件方面的應用相關的基本問題。 探索 多摻雜的可能性和實際效果，提出設計方案。 研究 各種超薄膜量子限制性條件下誘發(fā)自旋極化的機理，分析摻雜和缺陷態(tài)對磁性產(chǎn)生的作用和貢獻。揭示表面間的關聯(lián)特性以及量子尺寸效應帶來的新現(xiàn) 象和新規(guī)律，力求揭示其物理機理，并發(fā)掘其在功能器件中的應用。發(fā)展有效的電子輸運理論和熱輸運理論，全面研究功能器件在實際工作環(huán)境下的使役行為，提出具有特定性能的功能材料的設計方案。 發(fā)展高效、高精度的基于性能的復合結構的光電子材料結構剪裁及其性能調(diào)控計算方法 ， 確定復合結構的光電子材料在不同生長過程中的動力學性質(zhì)和嵌入結構的穩(wěn)定性 ， 設計特定性能的復合結構的光電子材料微觀結構 。 經(jīng)費比例： 28% 承擔單位： 清華大學、湖南大學、南開大學 課題負責人： 顧秉林 學術骨干： 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 預期目標 第 一 年 （ 1） 計算稀土金屬間化合物Rm+n+列結構及 其 熱力學性質(zhì)， 預測 該 系列中實驗上尚未合成 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 構筑 合金勢 奠定堅實的基礎。 （ 2） 應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)境的耦合機制及物理邊界問題 。結合分子動力學和第一原理方法，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?？紤]合金成分設計方案，進行多種模型合金和性能合金成分設計 。 （ 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構與生成焓。研究金屬間化合物表面的有序無序現(xiàn)象和鈣鈦礦結構過渡金屬氧化物、鐵電與多鐵材料中的界面位錯問題 。 （ 4） 原子模擬位錯反應與點缺陷的形成、反應產(chǎn)物的長時間演化動力學及其與位錯運動之間（ 1） 改進稀土及錒系金屬間化合物勢庫，促進勢庫的應用發(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 /半導體界面體系進行應用和校驗完善。 （ 2） 提出計算力的高精度算法方案，并編寫相關程序。 預測摻雜元素對裂紋擴展性的影響。獲得優(yōu)化成分的試驗用單晶合金。 （ 3） 獲得鈦、鎂合金在不同微量合金化元素摻雜下的最穩(wěn)定結構，建立鈦、鎂合金析出相熱力學參數(shù)數(shù)據(jù)庫。得出 復雜氧化物表面的結構特征， 表面弛豫與重構的規(guī)律 ，給出幾種典型鐵電與多鐵氧化物的位錯核心原子構型和電子結構。 （ 4） 給出位錯反應的基本形式，產(chǎn)生缺陷的構形，反應產(chǎn)物的長時間穩(wěn)定結構，反應產(chǎn)物與位錯之年度 研究內(nèi)容 預期目標 的關聯(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） 研究半導體中的雙極摻雜和調(diào)制摻雜模式及其對電子結構、輸運性質(zhì)和器件應用的影響，探討提高載流子濃度的途徑 。研究氧化物摻雜對其結構特征和電子性質(zhì)的效應。模擬超薄膜的微觀結構特征和基本物性，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） 實現(xiàn)雜質(zhì)和主體更好的結合，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 合金勢進行研究。通過分子動力學模擬預測 用改進的界面勢研究界面的位錯結構、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行為 。 （ 2） 在靜態(tài)能量密度方法的基礎上，初步嘗試其動態(tài)耦合機制。探索在應變狀態(tài)下鎳基單晶高溫合金摻雜元素的擴散行為及相關多尺度耦合機制。應用分子動力學方法，研究鎳基單晶高溫合金中裂紋裂尖區(qū)位錯等缺陷（ 1） 構筑 移植性較好的 晶格反演 金勢。通過對界面的位錯結構的研究，進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構和動力學行為 。 （ 2） 提出新型高精度插值算法， 提高大尺度計算整體運行效率。給出多化學組元協(xié)同效應的相關規(guī)律。 年度 研究內(nèi)容 預期目標 的運動演化。研究摻雜元素（ u、 W、 ）在鎳基單晶高溫合金中擴散行為及其 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構變化的合金母相 /析出相的費米能級。 在原子尺度上 計算研究加載速率和點缺陷對合金中 不同晶體取向 裂紋擴展過程的影響。 研究過渡金屬氧化物表面的電子結構， 模擬不同基體的界面失配位錯應力場分布。 （ 4） 分子動力學模擬探索疲勞與加工硬化過程中的有效位錯反應及作用；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缺陷濃度及其擴散速率的影響。 研究不同微觀結構中載流子在外場中的行 為及其調(diào)制方法，探討半導體微觀結構及其相關量子效應對載流子輸運特性的影響。重點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 用下的斷裂機理。 給出復雜氧化物表面的極化補償機制； 確定界面失配位錯應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，吸收及其對晶界結構的影響；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散速率的作用規(guī)律。 （ 5） 發(fā)展研究微觀結構、載流子分布和輸運的理論模型和計算方法，判明影響載流子空間分布的關鍵因素及其作用機理；提出針對能源利用的材料摻雜改性方案。 年度 研究內(nèi)容 預期目標 第 三 年 （ 1） 從金屬 /氮化物等簡單結構界面出發(fā)，進而發(fā)展碳化物 /碳化物，碳化物 /氮化物，氮化物 /氮化物等復合界面，以及金屬 氮化物的多重復合界面的研究。 （ 2） 研究基于 法并適合于多化學組元復雜體系求解的自洽迭代收斂加速方法。 探索化學元素對于材料力學性能的影響以及不同化學組元之間的協(xié)同效應?；诘谝辉黼娮咏Y構計算，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構型與劈裂能及位錯滑移的相關性。 （ 3） 結合第一原理計算和準連續(xù)介質(zhì)方法設計準確高效合金應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展的臨界條件。 探索金屬間化合物 納米結構中有序疇的調(diào)控在催化劑設計中的可能應用；研究 有機分子在半導體表面的吸附及半導體激發(fā)粒子與吸附分子軌道之間的作用。 （ 4） 基于電子結構層次上的計算（ 1） 獲得適用性較好的系阻擋材料原子間相互作用勢庫，進行系列性的大規(guī)模分子動力學模擬，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。 （ 2） 基于鍵合方程的分析計算提出多化學組元協(xié)同效應的跨局域區(qū)域耦合機制。完善物理參量解析傳遞方法 ,結合第一原理計算 ,為鎳基單晶高溫合金成分設計提供理論基礎。 （ 3） 計算觀察在不同載荷作用下界面裂紋的形成和擴展過程，給出微觀尺度下合金系統(tǒng)界面應力和界面破壞之間的內(nèi)在聯(lián)系。建立點缺陷和表面原 子結構、電子結構和光學性質(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 預期目標 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環(huán)境下半導體和氧化物表面和界面微觀結構對其光 磁 擬薄膜的合成和生長機制，分析表面重構和表面弛豫，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筑方案。 溫氧化和正交相變機理的作用。獲得相場動力學模擬所需的形變模型，并通過考慮不同階段的形變，在相場動力學模擬中給出不同因素的相對影響強度。 （ 5） 提出構筑若干功能電子和自旋器件的思路。理解半導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 合金勢進行 研究。并進行系列性的應用檢測。 （ 2） 研究 法，并應用于原子結構的弛豫。 基于第一原理結合分子動力學模擬，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元素協(xié)同效應。 （ 3） 進行合金元素擴散系數(shù)與環(huán)境溫度關系的理論研究； 在電子（ 1） 得到 移植性較好的 晶格反演 金勢。 （ 2） 獲得多化學組元協(xié)同效應的跨尺度耦合機制。對鎳基單晶高溫合金多化學組元協(xié)同效應給出量化判斷，給出化學元素以及不同組元協(xié)同效應對合金蠕變斷裂壽命的影響機制。 （ 3） 理解合金元素擴散行為與界面滑移和位錯運動之間的內(nèi)在聯(lián)系。揭示裂紋在合金材料中傳播、生長的機制和規(guī)律 ，澄清氫年度 研究內(nèi)容 預期目標 與原子尺度上進行 氫與合金中組元原子間的相互作用影響裂紋形成及其擴展的計算研究。根據(jù)界面位錯結構與極化性能的耦合關系設計性能可控的鐵電薄膜和鐵電納米結構。 （ 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)熱處理對織構的影響，給出合金織構控制的可行路線。 （ 5） 探討半導體多摻雜的可行性及其對電子性質(zhì)、自旋極化和輸運性質(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，并探討其可能的應用。 元素在外加載荷條件下對裂紋形成臨界條件的影響機制。設計2 至 3 種新的鐵電與多鐵性納米結構。 （ 4） 闡明疲勞條件下的典型位錯相互作用的原子機制；得到不同變形工藝下的微觀組織特征，特別是織構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，確定最優(yōu)的多摻雜設計方案。設計出 12 項有重要應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 合金勢進行研究。模擬計算的基本物性，檢驗并改進 合金勢。 （ 2） 研究多尺度 索建立 D 的動態(tài)耦合方法。探討關鍵元素作用機理，完善性能合金成分設計，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。對改進的界面原子勢勢庫進行及稀土及錒系金屬間化合物勢庫進行總結。 （ 2） 獲 得 適 合 大 體 系 新 型法，實現(xiàn)復雜結構的弛豫算例。 揭示高代次單晶高溫合金中關鍵元素的強化機制，不同化學組 元協(xié)同效應對合金蠕年度 研究內(nèi)容 預期目標 （ 3） 全面開展鎂合金典型晶界電偶腐蝕過程的 一原理分子動力學模擬。完成合金材料應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理；根據(jù)過渡金屬氧化物和金屬間化合物的表面結構特征和電子態(tài)設計新的催化劑。 （ 4） 揭示疲勞裂紋萌生的原子機制，為實現(xiàn)疲勞性能的微觀組織優(yōu)化設 計提供方向性指導；研究鈦合金中高溫變形微觀組織的變化，預測特定變形條件下的織構特點，為變形微觀組織的控制奠定基礎。 （ 5） 發(fā)展有效的、外場下材料性能計算方法，研究半導體和氧化物功能材料表面間的關聯(lián)特性及量子尺寸效應相關新現(xiàn)象和新規(guī)律，全面研究功能器件在實際工作環(huán)境下的使役行為。項目總結。 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。獲得復雜表面的氣體吸附狀態(tài)、軌道相互作用、電荷轉(zhuǎn)移機制、以及催化反應機制；設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特點之間的關聯(lián)，以此指導變形工藝的確定；根據(jù)部件組織控制的需求，模擬給出所需的變 形和熱處理條件，輔助部件加工工藝條件的確定。 （ 5） 揭示材料表面微觀結構導致的新性質(zhì)的機理，以此為基礎優(yōu)化微觀結構，提出具有特定性能的功能材料和器件的設計方案，并闡明其在實際工作環(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 雖然計算材料學的前鋒已進入以材料集成計算為主題的第三發(fā)展階段，作為學科基礎的很多核心方法仍在發(fā)展中。針對與本項目目標緊密相關的關鍵方法繼續(xù)開展深入研究，在支撐本項目的同時也將推動學科發(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 認的難點。擬在已有基礎上 研究界面