Z. 材料模拟、计算与设计

分会主席：赵纪军、刘利民、陈星秋、范晓丽、吕广宏 Z-01 Charge transfer induced quantum anomalous Hall effect of non-Dirac electrons Zhongqin Yang, Yang Xue, Tong Zhou, Xinyuan Wei State Key Laboratory of Surface Physics and Key Laboratory for Computational Physical Sciences (MOE) & Department of Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China

Many semiconductors have non-Dirac band dispersion with normal band order, i.e., the p/d-like band is below the s-like band. Whether the quantum anomalous Hall (QAH) effect, with potential applications in dissipationless or extremely low dissipation electronic transport, could be realized in these semiconductors is deserved to be investigated. Here, we predict a QAH effect in the heterostructure of a β-Cu2S monolayer grown on the (1 1 1) surface of MnSe substrate, with a sizeable nontrivial band gap. Interestingly, this QAH system does not have the special Dirac dispersion but quadratic bands with normal band order, inferring many ordinary semiconductors may own QAH states with this mechanism. The charge transfer between the Cu2S and the substrate is found to be critical to trigger the topological state in the system. A k·p model is employed to understand the effect. Keywords: quantum anomalous Hall effect; non-Dirac electron; charge transfer Z-02 TiSi 家族：拓扑狄拉克节线态与新型拓扑量子催化设计 陈星秋，李江旭，马会，封少波，李荣汉 中国科学院金属研究所 沈阳材料科学国家（联合）实验室 110016

拓扑节线态半金属具有体能带反转形成的闭合环状狄拉克节线。体狄拉克节线投影到某些表面会形成

闭合的圈，圈内会出现受拓扑保护的能量色散非常小的鼓膜状表面态，导致在费米能级具有高的电子密度。

目前，为寻求替代贵金属铂非贵金属催化，新的析氢反应催化剂需要具有高电子密度的催化活性位置，高

的载流子移动性和恰当的热力学稳定性（△G≈0）。因此，我们考虑具有稳定拓扑非平庸表面态的节线半金属是否可以作为析氢催化的高效催化剂。基于第一性原理计算我们发现新 TiSi 拓扑节线态半金属家族。在倒空间 ky=0 面，反转的两条能带相交形成闭合的狄拉克节线环。氢吸附过程计算表明，（010）和（110）两个表面氢吸附自由能△G 几乎为 0。并且，拓扑电荷参与到了析氢过程。因此，我们提出 TiSi 拓扑狄拉克节线家族可以作为拓扑量子催化新材料，强调利用拓扑狄拉克节线量子态作为活性载体设计新催化剂的

新思路。 参考文献：Jiangxu Li, Hui Ma, Shaobo Feng, Sami Ullah, Ronghan Li, Junhua Dong, Dianzhong Li, Yiyi Li, and Xing-Qiu Chen*, Topological nodal line states and a potential catalyst of hydrogen evolution in the TiSi family, Arxiv: 1704.07043 (2017). 关键词：拓扑狄拉克节线量子态；TiSi 家族; 拓扑量子催化；第一性原理计算 Z-03 Triply Degenerate Nodal Point Semimetal Hongming Weng 1. Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China 2. Collaborative Innovation Center of Quantum Matter, Beijing, 100084, China

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Searching for the analogues of high-energy particles in solids has become a hot topic since the discovery of Dirac semimetals Na3Bi and Cd3As2, and Weyl semimetals TaAs family. The massless Dirac fermions described by Dirac equation behavior the similar as the low energy excitation around the four-fold degenerate nodal points formed by bands crossing. While the chiral Weyl fermions are described by two-component Weyl equation with two nondegenerate bands touching at a point. In solids, the space group can protect energy nodes with other degeneracies, such as three, six and eight fold one, which might lead to massless fermions that have no counterpart particles in high-energy physics. [1] In this talk, I will introduce our recent theoretical proposals of triply degenerate nodal point semimetals [2-4]. They are crystals with symmorphic space group symmetry of WC type crystal structure, including TaN, ZrTe and MoP [5]. The unconventional three component fermions in them are formed by crossing of nondegenerate and double degenerate bands, protected by both rotational and mirror symmetries. As an intermediate fermion between Dirac and Weyl fermion, the host semimetal has different magnetoresistance from Dirac semimetal and Weyl semimetal. Reference: 1. B. Bradlyn et al., 353, aaf5037 (2016) 2. H. Weng et al., Phys. Rev. B 93, 241202 (2016) 3. H. Weng et al., Phys. Rev. B 94, 165201 (2016) 4. Zhu, Z., et al., Phys. Rev. X 6, 031003 (2016) 5. B. Q. Lv et al., arXiv:1610.08877 (Nature accepted) Z-04 拓扑结线和结链半金属 余睿 武汉大学 430072

目的：拓扑半金属态是当前凝聚态物理中的一个热点研究方向。它的一个重要特征是其能带结构中导

带和价带在动量空间形成闭合的结点。按照结点在动量空间中的分布形态和简并度，拓扑半金属可以分成

狄拉克半金属，外尔半金属和结线、结链半金属以及更多等待发现的新奇半金属。其中的结线半金属其能

带闭合点在动量空间中形成连续的线段。从结线半金属出发，可以调制出多种其它量子拓扑态。因此此类

材料引起了人们的广泛兴趣。但是目前此类材料的数量并不多，我们的目的是寻找和设计出更多具有结线、

结链半金属态的材料体系。在此次报告中，我将介绍基于第一性原理计算、结合对称性及模型分析进行结

线半金属设计的几种方案，提供几种具体的材料体系，并介绍从结线半金属出发得到狄拉克半金属和外尔

半金属的几个例子。方法：主要方法是第一性原理计算，并结合对称性及模型分析。结果：我们得到了一

系列的结线、结链半金属材料。结论：满足特定的对称性，并且能带发生反带就能够产生所需的结线、结

链能带结构。 关键词：结线；结链半金属；拓扑半金属；外尔费米子 Z-05 Magnetic topological semimetals Gang Xu 华中科技大学

In a 3D solid, the low energy excitation of the non-degenerate linearly dispersive band crossing exactly satisfies the Weyl equation. Such band crossing is named Weyl node (WN), and such solid is known as the Weyl semimetal (WSM), which should exhibit remarkable features, such as magnetic monopoles, Fermi arcs and Weyl anomaly. Here I report that fruitful topological phases can be realized in a specific honeycomb lattice, including the ideal

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WSM, unstable double-Weyl semimetal, 3D strong topological insulator, nodalline semimetal, and a novel semimetal consisting of both WNs and nodal-lines. Guiding by this model, we demonstrate that GdSI is the long-pursuing ideal WSM with two pairs of WNs residing at the Fermi level. Furthermore, I’d like to introduce the other stable double-Weyl semimetal, HgCr2Se, which has a single pair of double-Weyl fermions separated in momentum space. Quantum anomalous Hall Effect can be achieved in its quantum-well structure. Keywords: Topological semimetal; Weyl semimetal; Nodal-line semimetal Z-06 强关联 Weyl 费米子材料 CeSb 电子结构的第一性原理研究 曹超 杭州师范大学 310036

Weyl 费米子体系是近年来凝聚态研究的热点问题之一，但是由于计算方法的限制，其研究一直局限于弱关联材料。因此，强关联材料 CeSb 作为关联 Weyl 体系的候选材料之一，研究其电子结构和拓扑分类是一个十分重要的问题。通过第一性原理计算方法(DFT 和 DFT+U)，我们研究了这一体系的能带结构及磁性性质，分析了其能带拓扑结构。研究表明 PM 态(高温下)CeSb 的能带具有强拓扑绝缘体的特征。在低温下外加磁场导致磁性相变至铁磁态时，CeSb 能带发生 Zeeman 劈裂。由于其较强的自旋轨道耦合，Zeeman劈裂会导致两个自旋能带的交叉，从而产生 Weyl 点。因此，CeSb 材料极有可能是一种强关联的 Weyl 体系。 关键词：Weyl 费米子；强关联；能带拓扑；DFT+U Z-07 Computational Design of 2D Magnetic Ordering Yunhao Lu School of Materials Science and Engineering, Zhejiang University

Owning to the emergence of graphene, 2D materials become more and more important for device applications. The occurrence and control of magnetic ordering in 2D system is desired for application. Here, on the basis of 1st principle calculation, we demonstrate that the type of magnetic coupling can be changed reversibly between ferromagnetic and antiferromagnetic configuration in 2D MoN2 monolayer. And we also discuss the tunable magnetic ordering at interface of ferroelectric perovskite oxides. We provide a physical picture for understanding these striking effects. The discovery is not only of great scientific interest in exploring unusual phase transitions in low-dimensional systems, but it also reveals the great potential of the 2D material in the nanoscale mechanical, electronic, and spintronic applications. Z-08 Strain Controlled Ferromagnetic-aniferromagnetic Transformation in Mn-doped Silicene for Information Transformation Devices Shuang Li School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology

We systematically study the Mn-doped silicene systems using the state-of-the-art density functional theory. We find that Mn-silicene systems have high, robust, and non-vanishing magnetic moments. Mn atom in Mn-silicene has the magnetic moment of 4 mB. With decreasing distance, the magnetic interaction coupling of two Mn atoms through the deformation silicon atoms causes the variation of the total magnetic moments. We also report the theoretical permit of highly stable materials and a ferromagnetic ordering with a higher Curie temperature than (Mn,

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Ga)As. Remarkably, imposing strain renders a phase transition between ferromagnetic to antiferromagnetic spin states. Our calculations provide a route to facilitate the design of Mn-silicene based magnetic semiconductors for spintronics and quantum computing devices. Keywords: silicene; DFT; Ferromagnetic-antiferromagnetic transformation Z-09 新颖 p 态单自旋 Dirac 半金属——YN2纳米单层 刘志锋 内蒙古大学

在纳米自旋电子学中，同时拥有 100%自旋极化、高速传导电子、高居里温度、稳定铁磁基态等优异性能的新颖磁性材料一直是人们所寻找的目标。通过第一性原理计算，我们的研究表明：具有八面体配位

结构的 YN2单层是一种新型的 p 态狄拉克半金属。它不仅拥有单自旋 Dirac 态（一个自旋通道为半导体，而另一个自旋通道具有类似石墨烯的狄拉克锥），而且具有较已报道过的狄拉克半金属材料都大的费米速

度（3.74×105 m/s）。采用 HSE06 方法计算得到的半金属带隙为 1.53 eV，这足以克服因热扰引起的自旋翻转。由于非局域 N-N 之间的直接交换作用所产生的强铁磁耦合，YN2单层还具有大于室温的居里温度（~ 332 K）。这些特性，使得 YN2单层成为非常有前景的高速、低能耗自旋电子学候选材料。 Z-10 Unusual 2D Semiconductors Beyond Graphene: An Insight from Theory* David Tomanek Michigan State University

If graphene had a band gap, it would probably be the optimum 2D system for electronics applications. Layered transition metal dichalcogenides (TMDs) with a robust intrinsic band gap appear as the next-best alternative. Only after a long search, however, optimum strategies have been devised to make low-resistance, ohmic contacts to TMDs. In the meantime, a new class of 2D semiconductors has been rapidly gaining attention, namely layered black phosphorus and related phosphorene monolayers. These 2D systems display a tunable, direct fundamental band gap and thus are ideal candidates for optoelectronics applications. Recent Quantum Monte Carlo (QMC) calculations show that the inter-layer bonding, while weak, is not well described by dispersive van der Waals (vdW) interactions. QMC results differ qualitatively from vdW-enhanced DFT functionals and the common designation of similar systems as “van der Waals solids” is strictly incorrect. Also other group V systems including monolayers of AsxP1-x, IV-VI compounds such as SiS with the same average valence, and related 2D phosphorus carbide share the same nonplanarity of their structure with phosphorene. These systems share another similarity with phosphorene, namely the dependence of the fundamental band gap on the number of layers and in-layer strain. Predictive ab initio calculations provide here a useful guidance to experimental studies. Keywords: 2D; semiconductor; phosphorene; TMD; contact; calculation; ab initio Z-11 First-principle Design of Low Dimensional Materials for Energy and Spintronic Applications Suhuai Wei Beijing Computational Science Research Center

Two-dimensional (2D) semiconductors have many unique electronic, optoelectronic, and magnetic properties that is suitable for novel energy related device applications. In this study, using atomic transmutation and global optimization methods, we identified a IV-VI 2D materials, Pma2-SiS that can overcome shortcomings encountered

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in conventional 2D semiconductors. Pma2-SiS is found to be both chemically and thermally stable. More importantly, Pma2-SiS has unique electronic, optoelectronic, and thermal properties, including direct bandgaps suitable for solar cells, good mobility for nanoelectronics, low thermal conductivities suitable for thermoelectrics, good property tunability by layer thickness and strain appliance, and good air stability as well. Therefore, Pma2-SiS is expected to be a promising 2D material in the field of 2D electronics, optoelectronics, and thermoelectrics. Furthermore, we show that half-metallicity (HM) in zigzag graphene nanoribbons (ZGNRs) can be realized by a simple in-plane bending and the induced material has a sizeable HM gap and excellent magnetic stability, thus is suitable for low dimensional spintronic applications. Keywords: first-princples calculation; 2D materials; energy materials; spintronics Z-12 Universal stability of two-dimensional traditional semiconductors Shengbai Zhang Department of Physics, Applied Physics, & Astronomy, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York 12180, USA

Interest in two-dimensional materials has exploded in recent years. Not only are they studied due to their novel electronic properties, such as the emergent Dirac Fermion in graphene, but also as a new paradigm in which stacking layers of distinct two-dimensional materials may enable different functionalities or devices. Here, through first-principles theory, we reveal a large new class of two-dimensional materials which are derived from traditional III-V, II-VI, and I-VII semiconductors. It is found that in the ultra-thin limit most of the traditional binary semi-conductors studied (a series of 28 semiconductors) stabilize in a two dimensional double layer honeycomb (DLHC) structure, as opposed to the wurtzite or zinc-blende structures associated with three-dimensional bulk. Not only does this greatly increase the landscape of two-dimensional materials, but it is shown that in the double-layer honeycomb form, even ordinary semiconductors, such as GaAs, can exhibit exotic topological properties. Z-13 TBD 刘锋 美国犹他大学 Z-14 Hydrogen in Nanometal Jiang De-en Department of Chemistry, University of California, Riverside

Hydrogen in metals underpins many key technologies in energy storage and conversion such as hydrogen storage and metal-hydride batteries, but little is known about hydrogen in many nanosystems such as gold nanoclusters. In this talk, I will discuss our recent computational efforts to elucidate the role of hydrogen in metal nanoclusters and the relevant catalytic impact. Especially, we focus on the energetics of H-metal interaction and how it changes the electronic structure of the nanosystems. In addition, the catalytic impact of such interaction will be demonstrated by some examples as well, including hydrogen evolution reaction, CO2 reduction, and N2 reduction. H-metal interaction on TiO2 will be also briefly discussed. Keywords: hydrogen; nanometal; catalysis

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Z-15 Understanding the Exotic Properties of Perovskite Oxide Heterostructures Using Density Functional Theory Jun Zhou1,2,3, Teguh Citra Asmara1,2,3, Ming Yang4, Lei Shen5,6, Qingyun Wu7, Lei Xu1, George A Sawatzky8, Yuan Ping Feng1,9, Andrivo Rusydi1,2,3 1. Department of Physics, National University of Singapore, Singapore 2. NUSNNI-Nanocore, National University of Singapore, Singapore 3. Singapore Synchrotron Light Source, National University of Singapore, Singapore 4. Institute of Materials Research and Engineering, A*STAR, Singapore 5. Department of Mechanical Engineering, National University of Singapore, Singapore 6. Engineering Science Programme, National University of Singapore, Singapore 7. Department of Materials Science and Engineering, National University of Singapore, Singapore 8. Department of Physics and Astronomy, University of British Columbia, Vancouver, Canada 9. Centre for Advanced Two-Dimensional Materials, National University of Singapore, Singapore

The interface of dissimilar perovskite oxide materials hosts rich varieties of exotic phenomena, but the underlying physics remains hotly debated. Using density functional theory calculations, we investigated the insulator-metal transition of LaAlO3/SrTiO3 in both (001) and (110) orientations, as well as the room-temperature strong magnetism in LaAlO3/SrTiO3 (001). We propose that the interplay of electronic reconstructions, lattice distortions, and surface defects (surface oxygen vacancies for LaAlO3/SrTiO3 (001) and surface interstitial Lanthanum defects for LaAlO3/SrTiO3 (110)) fully compensates the polar potential divergence in LaAlO3/SrTiO3, explaining naturally the experimental observations. The room-temperature, strong magnetism in the LaAlO3/SrTiO3 (001) interface prepared at high oxygen partial pressure is ascribed to the interplay of surface oxygen vacancies and interface (TiAl-AlTi) anti-site defects. In addition, we predict that the polarization state of BaTiO3 in a metal capped BaTiO3/SrTiO3 (001) heterostructures changes dramatically, depending on the termination of BaTiO3 and the metal layer (M =Al, Fe, Pt Au), and we find that Pt capped BaTiO3/SrTiO3 with the BaO termination has tunable interface conductivity, promising for future electronic applications. Keywords: LAO and STO; Oxide interface; 2DEG; oxide electronics; spintronics Z-16 高效提升材料计算应用在超算上的性能 李伯杨 北京并行科技股份有限公司 100094

目的：提升材料计算应用在超算上的性能。方法：通过各种主流材料计算软件在国内各家超算的调试

运行方法，性能对比测试，借助常用优化方法，实现目的。结果：结合用户作业案例分析，高效便捷化的

实现性能优化。结论：通过常用优化软件与工具，可以完成所需目的。 关键词：超算 Z-17 TBD 李希茂 鸿之微科技有限公司 Z-18 Plane Wave DFT material simulations on GPU: examples, opportunities and challenges

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田洪镇 北京龙讯旷腾科技有限公司

In this talk, we use recent examples of researches based on the plane wave DFT GPU code: PWmat developed by LongXun Inc., to illustrate the prowess and benefits of using GPU machine for material studies. In particular, we will present results of fast HSE calculations, real-time TDDFT simulations, genetic algorithm structure searches, defect level calculations and large scale molecular dynamics using PWmat. The PWmat has also been used in high throughput computation to generate material band structure data base on Mcluster built by LongXun Inc. We show how such simulations can help us to understand and predict the properties of different materials, as well as publishing in high impact journals. Z-19 MAPS 在新材料设计中的应用 郑宏 北京泰科博思科技有限公司

分子模拟技术已经普遍应用于新材料设计研究中。有第一性原理计算方法（包括密度泛函 DFT）、分子动力学方法、介观动力学方法和状态方程拟合方法，对应的软件有 VASP、Quantum Espresso、TURBOMOLE、NWChem、Lammps、Gromacs 等。

MAPS 作为完整的多尺度材料设计平台，完美的整合了图形技术和分子模拟技术，给新材料设计工作者提供了高效、友好的操纵分子模拟技术的环境。用户在MAPS平台上可有效控制VASP、Quantum Expresso、Lammps 等先进的分子模拟技术完成复杂的新材料设计和过程模拟工作。如，描述 Fe/Fe2C 界面处氢导致的失效现象；微孔炭电极与电解液相互作用；Si/aSiC 界面的力学和热导性质预测；CO2气体捕获载体研究；描述含能材料在冲击波轰击过程等。MAPS 提供丰富的化合物热力学性质描述功能和强大的拟合功能，应用于 QSPR 模型建立研究，进行新型催化剂设计工作。 Z-20 多孔材料的三维微观结构设计和特性模拟 程利萍 杭州晶飞科技有限公司

多孔材料的设计和研发可以通过计算机模拟实现，现有的材料微观结构可以通过 CT 断层扫描获得，设计和优化的结构可以通过各个材料模型获得。通过解偏微分方程模拟材料的各种有效特性参数，包括扩

散率、导电导热率、渗透率、过滤效率、机械强度等。 Z-21 磁性纳米材料的磁各项异性的理论研究 胡军 苏州大学 215006

由于磁性纳米材料具有很多新奇的特性，它们在将来高技术领域（如电子自旋器件、量子计算计算机

等）具有广泛的潜在应用。磁性纳米材料的一个重要参量是其磁各向异性（MA），因为它决定了其自旋的取向和稳定性。普通情况下，磁性纳米材料的 MA 较小，其磁各向异性能（MAE）仅几个毫电子伏（meV），导致其自旋取向在较低温度下就会因为热激发而发生不期望的翻转。因此，如何提高磁性纳米材料的 MAE使其在室温以上稳定（MAE ≥ 50 meV）以及调制 MAE 的方法是该领域一个重要的研究课题。我们利用第一性原理计算软件 VASP，研究了一系列磁性纳米材料的磁各项异性。从理论上揭示了铁聚酰菁分子中衬

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底引起的自旋重新取向的机理、设计了具有巨磁各向异性能（> 60 meV）的磁性纳米材料、提出了调控磁各向异性的新型方法。 关键词：磁性纳米材料；磁各向异性 Z-22 晶界结构对热变形 NdFeB 磁体磁性能和回复曲线影响的微磁学模拟 洪源，王刚，曾德长 华南理工大学 510640

热变形 NdFeB 磁体由于其不仅具有优秀的磁性能，并且有较高的耐蚀性和热稳定性受到了广泛关注，然而热变形磁体制备过程中易产生软磁性的杂相，破坏晶界结构的完整性，极大地影响其磁性能并导致诸

如回复曲线张开的现象。因此研究不同晶界结构的影响对实验的开展具有重要的指导意义。本文使用微磁

学模拟的方法研究了热变形 NdFeB 磁体不同的晶界结构与材料磁性能及回复曲线之间的关系。通过模型变化与参数调整，分别研究了连续分布的较薄（～14 nm）晶界相（A 型晶界相）的厚度和饱和磁化强度以及大块的富集晶界相（B 型晶界相）的体积分数和聚集状态等因素对于材料磁性能和回复曲线的影响。模拟使用 NIST 开发的专门用于微磁学模拟的开源软件 OOMMF。

模拟结果表明，A 型和 B 型晶界相的饱和磁化强度增大均会导致材料矫顽力降低。其中 A 型晶界相的厚度和磁化强度的改变会对材料的矫顽力、剩磁等磁性能产生一定的影响，但不会导致回复曲线张开的现

象。而 A 型晶界相厚度对磁性能的影响取决于晶界相的类型：若 A 型晶界相是非磁性的，其厚度增大时，材料仍将具有较大的矫顽力；反之，具有磁性的 A 型晶界相增厚则会导致材料矫顽力大幅降低。B 型晶界相的体积分数和空间分布状态对于材料回复曲线及磁性能都产生一定影响：具有磁性的 B 型晶界相可能是导致回复曲线张开的原因，但对材料矫顽力产生的影响却比同样体积分数而分散分布的 B 型晶界相低；而对 B 型晶界相的聚集状态相似但含量不同的模型的计算结果显示，随着 B 型晶界相的体积分数增大，矫顽力逐渐降低。文中还通过分析模拟得出的磁矩分布与计算磁性能量项变化进一步探究回复曲线张开的原因。 本研究通过微磁学模拟描述了不同晶界结构对磁性能的影响，结果与实验基本相符；通过能量项分析深入

解释了回复曲线张开的原因，对热变形 NdFeB 磁体的制备工艺调整具有一定指导作用。 关键词：热变形 NdFeB 磁体；微磁学模拟；矫顽力；回复曲线 Z-23 磁敏颗粒复合材料及其三维微观结构调控机理 刘太祥 1，许阳光 2，杨科 1，严鸿维 1，袁晓东 1 1. 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 2. 中国工程物理研究院总体工程研究所

磁敏颗粒复合材料是一种其物理或力学性质（例如储能模量、导电性、导热性等）可以通过外加磁场

进行调控的磁敏智能材料。一般而言，该材料可以通过将纳米级或微米级磁敏颗粒通过表面活性剂分散在

非磁性聚合物基体中来制备。根据基体的物性状态，磁敏颗粒复合材料可以从液态到固态进行调控。尽管

磁敏颗粒复合材料的物理或力学性质直接取决于其内部磁敏颗粒聚集形成的三维微观结构，但当前对其三

维微观结构的形成及其在外部磁场调控下的变化机制仍不明确。 为了探究磁敏颗粒复合材料三维微观结构的形成和调控机理，考察其宏观物理或力学性质与其三维微

观结构之间的关系，我们初步建立了该材料的微观分析模型。研究了磁敏颗粒复合材料在外磁场作用下，

其内部磁敏颗粒与颗粒、颗粒与基体的相互作用。并应用颗粒动力学方法，对磁控三维微观结构的形成及

演化过程进行了数值模拟。研究结果表明，对于初始状态下内部磁敏颗粒随机分散的磁敏颗粒复合材料，

其在均匀外磁场作用下，内部磁敏颗粒会先磁化，然后相互聚集形成沿外磁场方向的三维链状或簇状结构。

改变外磁场的方向会使得磁敏颗粒聚集形成的三维微观结构逐渐沿外磁场方向倾斜，同时颗粒聚集结构会

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逐渐沿外磁场旋转方向形成片层状结构。相应地，磁敏颗粒复合材料的宏观物理或力学性质也会发生较大

变化，并由各向同性变为了各向异性。此项研究可为磁敏颗粒复合材料的设计提供参考。 关键词：磁敏颗粒复合材料；三维微观结构；调控机理；颗粒动力学；材料设计 Z-24 具有各向异性交换作用的手征磁体中 螺旋序和 skyrmion 相的研究 秦明辉，陈军 华南师范大学华南先进光电子研究院 510006

近年来，具有非中心对称性的 B20 结构手征磁体一直是研究的热门。在本工作中，我们运用解析计算和蒙特卡罗模拟相结合的方法，对单波矢的 helical 螺旋序和多波矢的 skyrmion 相进行研究。我们在一个三维的立方晶格中建模，使用离散海森堡模型的哈密顿量，包含铁磁交换作用(强度 J)和 DM 相互作用(强度D)，重点考虑了在 XXZ 模型下两种可能的各向异性：一是交互作用的各向异性，二是自旋轨道耦合的各向异性。分析计算得到了体系的基态相图，并细致分析了其中的相互作用竞争，并以此对最近的 MnSi 单轴压力实验中观察到的螺旋序变化现象给予一些可能的微观解释。基于零场下零温基态的分析结果，我们

运用蒙特卡罗模拟的方法，考察了各向异性对外场有限温度下的 skyrmion 相形成的影响，模拟结果表明可以利用弱的各向异性对 skyrmion 相区域形成进行有效调控。并且根据我们的结果可以很好地说明，DM 相互作用越弱的手征磁体，其越容易进行这样的调控，为找寻新的可用材料提供了一定的方向。 关键词：手征磁体；斯格明子；各向异性 Z-25 SrTiO3衬底上 La0.67Sr0.33MnO3薄膜厚度改变引起的金属-绝缘体转变及磁性变化 李云 韩山师范学院 521041

利用第一性原理计算本文研究了实验中观察到的 SrTiO3 衬底上 La0.67Sr0.33MnO3（LSMO）薄膜厚度改变引起的金属-绝缘体转变及磁性变化。LSMO 薄膜在较厚时呈现铁磁金属态，随着厚度的减小，薄膜的铁磁性和导电性减弱，而在三个单元层厚度时变为绝缘体并呈现弱铁磁性。计算表明 在三个单元层厚的薄膜中 Mn 的磁矩变成反铁磁序排列，并导致绝缘性。这种铁磁序至反铁磁序的转变是由于表面层的轨道重构和薄膜中电子重新分布引起的。由于表面层 MnO2 层上方缺少了 LaSrO 层，Mn 原子上方晶体场缺失，这导致 Mn deg 轨道退简并，其中 d3z2 轨道能量大幅降低，以至于次表面层中 Mn deg 轨道中的电子部分转移至表面层 Mn d3z2 轨道。此外，次表面层的 Mn deg 轨道中电子还部分转移到了界面 Mn deg 轨道中。表面轨道重构和电荷重新分布大幅压制了 Mn 离子间 deg 轨道中的双交换作用，即铁磁稳定性降低，而 t2g轨道上超交换作用几乎不受影响，最终反铁磁序更稳定并形成绝缘体态。另外，由于表面和界面的存在，

中心反演对称性破缺，Dzyaloshinsky-Moriya 相互作用引起了自旋倾斜，最终在面内方向形成了微弱的非零净磁矩，平均每个 Mn 原子的磁矩数值比 LSMO 体材料中 Mn 原子磁矩小约 2 个数量级，与实验结果吻合。而在较厚 LSMO 薄膜中，薄膜的电学性质不再由表面效应决定而是由中间层主导，故而呈现铁磁金属态。 关键词：La0.67Sr0.33MnO3（LSMO）薄膜；金属-绝缘体转变 Z-26 二维黑磷的降解机制与保护 王金兰 东南大学物理学院 211189

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二维黑磷具有高迁移率、适度开关比和直接带隙等优异性质，在纳米电子器件方面有很大的应用前景。

然而，少数层黑磷在环境中很容易发生降解，极大地制约了其实际应用。本报告将主要集中讨论二维黑磷

的降解机制及相应的保护措施。基于原子尺度的理论计算，我们发现黑磷降解包括三个关键步骤：1）光照下超氧根阴离子（O2-）在黑磷表面的生；2）O2-与表面磷原子吸附，形成 P=O 键；3）水分子作用下，黑磷表面 P-P 键的断裂分解。在此基础上，我们提出了几种保护黑磷的可能途径：i）利用完全氧化的 P2O5表面的 P-O-P 键来固定表面 P 原子，从而隔离环境中的氧气或水分子的直接接触；ii）通过在黑磷表面自组装 PTCDA 二维分子层来隔离环境中的氧气或水分子；iii）通过掺杂碲原子来降低黑磷的导带底，使得超氧根阴离子较难生成；iv）通过聚合物分子链对黑磷表面的化学修饰，在保持黑磷较高迁移率的基础上增加其在空气中的稳定性。这些研究不但给出了黑磷降解的完整微观图像，成功解释了黑磷稳定性随层数

增加而增强这一困扰已久的科学问题，更为重要的是，为二维黑磷的保护提供了一些简单有效的新策略。 参考文献: 1. Zhou, Q.; Chen, Q.; Tong, Y.; Wang, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 11437-41. 2. B. Yang, B. Wan, Q. Zhou, et al., Adv. Mater. 2016, 28, 9408. 3. Zhao, Y., Zhou, Q., Li, Q., Chen, Q., Wang, J. Adv. Mater. 2017, 28, 1603990. 4. Li, Q., Zhou, Q., Zhao, Y., Chen, Q., Wang, J. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 4540. 关键词：二维材料；氧化机制；稳定性与保护；第一性原理计算 Z-27 碳基二维可见光催化材料的设计与模拟 武晓君 中国科学技术大学 230026

寻找高效的可见光解水催化材料是发展洁净氢能源的一个重要的途经。其中二维轻质元素材料，如黑

磷、C3N4等，由于具有大比表面积、易调的电子结构与优异的化学活性，是一类具有潜在应用前景的光催化材料。基于第一性原理电子结构计算，我们预测了几个二维轻质元素材料，具有合适的带隙与带边位置，

以及优异的化学反应活性，可能具有优异的可见光催化活性。实验表明，其中两种材料具有优异的可见光

催化分解水性能。这一系列的研究对于寻找新的可见光催化材料具有重要的意义。 关键词：第一性原理计算；可见光催化；二维材料 Z-28 新颖二维材料的设计与模拟 李亚飞 南京师范大学 210023

材料的性质与其结构息息相关，具有新奇结构的材料往往能呈现出一些独特的性质。材料的结构本质

上反应的是组成材料的原子之间的成键方式，因此设计含有反常规化学键的低维纳米材料有望带来新的性

质和应用。近年来我们通过多尺度理论计算与模拟，设计了几种含有反常规化学键的新颖二维纳米材料，

如含有准平面五配位 C 原子的 Be5C2单层材料、含有准平面六配位 C 原子的 Be2C 单层材料、含有平面四配位 C 原子的 Al2C 单层材料、含有平面四配位 Si 原子的 SiC2单层材料和二维 GeP3材料。我们详细研究了这些新颖二维材料的电子学性质，通过多种理论手段验证了这些材料的稳定性并提出了这些材料的合成

路径。这些研究不仅丰富了我们对于化学键的认识，也为未来的纳米电子学提供了更多选择。 关键词：二维材料；新颖化学键；密度泛函计算 Z-29 六方氮化硼单层的生长机制及形貌

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张助华 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室

面向二维材料应用的一个难题是如何得到大面积高质量的样品。在催化性金属基底上化学气象沉积生

长二维材料是实现这一目标的主要途径，而理解其中的生长机制是关键。在此报告中，我们将介绍课题组

在氮化硼材料的生长机制研究方面的最新进展。我们将晶体生长理论与第一原理计算结合，发展了用于研

究金属基底上二元低维材料生长的“纳米反应器”方法，揭示了化学势控制的氮化硼动力学生长机制。与之前主流观点不同，我们的结果发现由边缘能量确定的氮化硼形状与实验结果不一致。进而我们对氮化硼的

生长动力学进行了系统的第一性原理计算，揭示了氮化硼边缘生长具有显著的各向异性，且生长形状受硼

化学势调控。基于生长速率的 Wulff 构造显示氮化硼形状随化学势升高由三角形变为截断三角形并进一步演化为六边形(Nano Lett. 16: 1398, 2016)。研究结果成功串联了之前大量实验观察到的丰富多样的氮化硼形状，为进一步可控合成高质量氮化硼单层提供了理论指导。 关键词：六方氮化硼；生长机制；形貌；动力学 Z-30 Antimonene (2D Sb) and derivatives: Theoretical Prediction, Synthesis, Properties Shengli Zhang, Shiying Guo, Wenhan Zhou, Haibo Zeng Nanjing University of Science and Technology

Two-dimensional (2D) materials are promising candidates owing to their unique properties such as ultrathin nature, transparent, flexibility, strong interactions with lights and high carrier mobility. Meanwhile, the existing quantum confinement along the vertical direction would generate a number of fascinating electronic and optical properties.

Recently, a family of 2D crystals, derived from the group-VA layered materials (P, As, Sb, Bi), has emerged with increasing research interests owing to their significant fundamental band gaps. Importantly, distinct from zero band-gap group-IVA (graphene, silicene, germanene, and stanene), group-IIIA (borophene), and monoelement hafnene nanosheets, the semiconducting behavior of group-VA 2D materials can render them as potential candidates for next-generation electronics and optoelectronics devices. Here, especially, we will report our recent theoretical and experimental progress on antimonene and derivatives, which have opened up new opportunities for the whole 2D group-VA family in many possible appilcations. References： 1. Shengli Zhang, Zhong Yan, Yafei Li, Zhongfang Chen, Haibo Zeng, Atomically Thin Arsenene and Antimonene: Semimetal-semiconductor and Indirect-direct Band Gap Transitions, Angew. Chem. In. Ed. 2015, 54, 3112-3115. 2. Shengli Zhang, Meiqiu Xie, Fengyu Li, Zhong Yan, Yafei Li, Erjun Kan, Wei, Liu, Zhongfang Chen, Haibo Zeng, Semiconducting Group 15 Monolayers: A Broad Range of Band Gaps and High Carrier Mobilities, Angew. Chem. In. Ed. 2016, 55, 1666-1669. 3. Jianping Ji, Xiufeng Song, Jizi Liu, Zhong Yan, Chengxue Huo, Shengli Zhang, Meng Su, Lei Liao, Wenhui Wang, Zhenhua Ni, Yufeng Hao, Haibo Zeng. Two-dimensional antimonene single crystals grown by van der Waals epitaxy, Nat. Commun. 2016, 7, 13352. 4. Shengli Zhang, Wenhan Zhou, Yandong Ma, Jianping Ji, Bo Cai, Shengyuan A. Yang, Zhen Zhu, Zhongfang Chen, Haibo Zeng. Antimonene Oxides: Emerging Tunable Direct Bandgap Semiconductor and Novel Topological Insulators. Nano Lett. 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00297 Keywords: Antimonene; Derivatives; Theoretical Prediction; Synthesis; Properties Z-31

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The Growth Mechanism of Two Dimensional Materials and Their Application for Energy Conversion and Storage Jia Li Institute of Advanced Materials, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, People’s Republic of China

Two-dimensional (2D) materials have attracted much attention due to their novel electronic, thermal and optoelectronic properties. To facilitate the application of 2D materials, the mass production with high quality and low cost is required. Chemical vapor deposition method shows great promise to produce some 2D materials on a large scale with high quality. In this talk, I will briefly introduce some of my recent theoretical work on the nucleation mechanism of 2D materials on metal substrates, such as graphene and stanene. And the layer 2D materials are also excellent candidates for energy conversion and storage materials, such as lithium-ion batteries and sodium-ion batteries, which will also be introduced in the talk. Keywords: Two dimensional materials; Energy conversion and storage Z-32 处于突破临界点的 2D 材料亚 10nm 晶体管 吕劲 北京大学物理学院 100871

摩尔定律正逼近其物理极限。未来的场效应晶体管要求沟道长度要在 10 nm 一下。传统的硅基半导体沟道材料在亚 10nm 难以满足要求。门的静电控制能力显著减弱，器件难以很好地工作，需要发展新的技术或材料去延展摩尔定律的生命。2D 材料具有极薄的厚度，门的静电控制能力增强。另外，纯的 2D 材料表面一般没有悬挂键，不容易形成载流子的陷阱态，是未来亚 10 nm 晶体管的具有竞争力的候选沟道材料之一，已经列入国际半导体技术线路图（ITRS）。

我们用第一原理的量子输运方法模拟了几种 2D 材料的亚 10nm 场效应晶体管。包括磷烯，砷烯，锑烯，铋烷，以及 InSe。发现它们均表现出优异的性能，一直到 5 nm 以下，其开态电流，延滞时间，动态功耗扥等仍能满足国际半导体技术线路图。实验上，亚 10 nm MoS2 晶体管已经制备出来的。门长为 1nm的 MoS2 表现出优异的性能，但沟道在亚 10 nm 的晶体管表现不如人意。 原因被归结到电极的不合适上。通过使用 2D 金属电极，有望解决表现不佳问题。理论预言 2D 材料是亚 10nm晶体管最有竞争力的沟道材料之一，实验的验证指日可待，有望延续摩尔定律到 10 nm 以下。 References： 1. Jing Lu,* et al., Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00271 (2017). 2. Jing Lu,* et al., Chemistry of Materials 29, 2191 (2017). 3. Jing Lu,* et al., ACS: Applied Materials & Interfaces, 9, 3959-3966 (2017). 4. Jing Lu,* Advanced Electronic Materials 1600191 (2016). 关键词：2D 材料；亚 10nm 晶体管；量子输运模拟；摩尔定律 Z-33 二维材料的层间耦合及磁性调控 季威 中国人民大学物理学系 100872

在本次报告中，我将总结我们最近关于二维材料层间耦合的一些理论模拟工作。这些材料中即包括弱

层间耦合的扭转石墨烯 1和 ReS22，也包含 PtS23、PtSe24 和 BP5,6等一系列强层间耦合材料，还涉及存在层间耦合和层内分子间耦合竞争的有机二维材料 7。这些例子为我们理解层间耦合提供了帮助和现实的范例。

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此外，我们还将讨论二维黑磷的空气稳定性问题。研究发现被空气氧化是黑磷器件在空气中性能下降的原

因 8。最后我们将展示一种二维磁性材料，通过层间耦合可以调控其磁长程序。 参考文献： 1. Jiang-Bin Wu et al., ACS Nano 9 (7), pp 7440–7449 (2015). 2. Xiaofeng Qiao et al., Nanoscale 8, 8324-8332 (2016) 3. Yuda Zhao et al., Advanced Materials 28 (12), 2399–2407 (2016) 4. Yuda Zhao et al., Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.201604230 5. Jingsi Qiao et al., Nature Commun. 5, 5475 (2014) 6. Zhxin Hu et al., Nanoscale 8, 2740 (2016) 7. Yuhan Zhang et al., Phys. Rev. Lett. 116, 016602 (2016) 8. Yuan Huang et al., Chem. Mater., 28 (22), pp 8330–8339 (2016) 关键词：二维材料；层间耦合；黑磷 Z-34 Novel 2D transition-metal carbides (MXenes) as catalysts for CO2 and N2 capture and conversion into hydrocarbon fuels Neng Li1, Luis Miguel Azofra2, Chenghua Sun2 1. Wuhan University of Technology 2. Monash University

Density functional theory investigations of M3C2 transition metal carbides from the d2, d3, and d4 series suggest promising N2 capture behaviour, displaying spontaneous chemisorption energies that are larger than those for the capture of CO2 and H2O in d3 and d4 MXenes. The chemisorbed N2 becomes activated, promoting its catalytic conversion into NH3. The first proton–electron transfer is found to be the rate-determining step for the whole process, with an activation barrier of only 0.64 eV vs. SHE for V3C2. Whilst MXenes from the d2 series (M = Ti, Zr, and Hf) have demonstrated active behaviour for the capture of CO2, the Cr3C2, and Mo3C2 MXenes exhibit the most promising results (at DFT computational level plus explicit PBE/DFT-D3 dispersion corrections) for their application in selective CO2 conversion into CH4. Cr3C2 MXene is especially promising owing to its low expected over-potential. Moreover, spontaneous reaction energies are predicted for the early hydrogenation steps towards the formation of OCHO radical species. Our results provide novel insights into the computer-aided search for high-performance catalysts and the understanding of reaction mechanisms for CO2 reduction. Keywords: MXene; CO2 capture and conversion; N2 capture; density function theory Z-35 Ferroelectricity in Covalently functionalized Two-dimensional Materials: Integration of High-mobility Semiconductors and Non-volatile Memory Menghao Wu1, Menghao Wu1, Shuai Dong2, Kailun Yao1, Junming Liu3, Xiaocheng Zeng4 1. School of Physics and Wuhan National High Magnetic Field Center, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China 2. Department of Physics, Southeast University, Nanjing 211189, China 3. Laboratory of Solid State Microstructures, Nanjing University, Nanjing 210093, China 4. Department of Chemistry, University of Nebraska-Lincoln, Lincoln, NE 68588, USA

Ferroelectric semiconductors combining ferroelectricity with semiconductors remain elusive because most present-day ferroelectric materials are unsuitable for such a combination due to their wide bandgaps. Herein we

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show first-principles evidence towards the realization of a new class of 2D ferroelectric semiconductors through covalent functionalization of many prevailing 2D materials. Members in this new class of 2D ferroelectric semiconductors include covalently functionalized germanene, and stanene (Nat. Commun. 2014, 5, 3389.), as well as MoS2 monolayer (Nat. Chem. 2015, 7, 45); covalent functionalization of the surface of bulk semiconductors such as silicon (111), and the substrates of oxides such as silica with self-assembly monolayers (Nano Lett. 2014, 14, 1354). The newly predicted 2D ferroelectric semiconductors possess high mobility, modest bandgaps, and distinct ferroelectricity that can be exploited for developing various heterostructural devices with desired functionalities. For example, we propose applications of the 2D materials as 2D ferroelectric field-effect transistors with ultrahigh on/off ratio, topological transistors with Dirac fermions switchable between holes and electrons, ferroelectric junctions with ultrahigh electro-resistance, and multiferroic junctions for controlling spin by electric fields. All these heterostructural devices take advantage of the combination of high-mobility semiconductors with fast writing and non-destructive reading capability of non-volatile memory, thereby holding great potential for the development of future multifunctional devices. Z-36 运用第一性原理探索打开双层石墨烯能隙的方法 郝家磊，胡振芃 南开大学物理科学学院 300071

目的：自石墨烯被发现以来，由于其具有各种良好的性能，有望被应用于先进的电子器件中，这引起

学术界的广泛关注。但是其零能隙的能带特点会大大限制其应用范围，所以本文旨在研究出一种不需要外

界能源的打开其能隙的方法。 方法：本文基于第一性原理计算,以表面功能化的氮化硼极性材料为衬底,设计并提出一种打开双层石

墨烯能隙的有效方法。 结果：应用该极性材料，使以 AA和转角形式堆垛的双层石墨烯,其能隙打开到 0.0339 eV和 0.0325 eV。

当以 AB 方式堆垛双层石墨烯时,在该衬底下其能隙可达到 0.430 eV 左右；且此能隙随衬底与双层石墨烯之间的堆垛方式的不同而发生微小变化。这表明该方法一方面能够通过改变双层石墨烯自身的堆垛方式来有

效的改变其能隙大小；另一方面在 AB 堆垛情况下通过调整衬底与相邻石墨烯的堆垛方式可以对其能隙在0.430 eV 附近进行微调。

结论：该方法在完美的保持双层石墨烯结构完整性的前提下，能够打开适用于光电子器件的能隙。相

较于其他方法，该方法更加切实可行，能够促进石墨烯在半导体器件中的应用以及石墨烯技术的发展。 关键词：第一性原理计算；双层石墨烯；能隙 Z-37 黑磷肖特基晶体管可以足够好吗？ 屈贺如歌 北京邮电大学

实验上的二维黑磷晶体管一般是肖特基型场效应管，但其性能极限并不清楚。通过第一性原理量子输

运计算，我们研究了单层黑磷肖特基晶体管在亚 10 nm 尺度下的表演极限。我们发现，以石墨烯为电极的黑磷晶体管的器件表现明显优于以 Ti 金属体材料做电极的器件。这主要是由于前者具有更小和可调的肖特基势垒，以及沟道中金属引入态的抑制。采用石墨烯电极，亚 10 nm 单层黑磷肖特基晶体管的器件表现可以超过单层 MoS2、碳纳米管和先进硅晶体管，甚至可以同时达到国际半导体技术路线图（ITRS）关于高表现和低功耗的逻辑器件要求。目前来看，在所有报道过的亚 10 nm 二维材料肖特基晶体管中，单层黑磷肖特基晶体管具有最好的本征器件表现。

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Z-38 有机分子吸附和基底对硅烯电学性能的影响 高楠 1,2，卢革宇 3，文子 1，蒋青 1 1. 吉林大学材料科学与工程学院 教育部汽车材料重点实验室 2. 长春大学机械与车辆工程学院 3. 吉林大学电子科学与技术学院

硅烯具有非常高的载流子迁移率，因此人们提出了硅烯在电子设备的可能应用。然而，硅烯的能隙为

零，这限制了其在电子设备上的应用。因此，打开能隙的同时不破坏硅烯的载流子迁移率是硅烯应用在逻

辑电路上的一个重要挑战。 在这里，我们使用第一原理计算方法研究有机分子吸附和基底对硅烯电学性能的影响。我们发现 TTF

分子与硅烯之间是弱层间作用力，但是能使硅烯的能隙打开。再加上基底的作用，能隙值会进一步增加。

此外，硅烯的结构没有被破坏，因此其载流子迁移率仍然很高。这为硅烯能带结构的调节提供了一个有效

并且可逆的方法。 关键词：硅烯；有机分子吸附；基底；密度泛函理论 Z-39 Prediction of Single-Wall Boron Nanotube Structures and the Effects of Hydrogenation 李风平 1. 山东大学物理学院 2. 山东大学国家重点实验室晶体材料研究所

基于最近在 Ag(111)表面合成的二维的单层 Pmmn 空间群的硼烯，我们理论预测了其硼纳米管具有独特的电子结构以及氢化之后使其在电化学和氢的存储方面具有客观的应用潜力。

在本文工作之中，我们基于第一性原理的密度泛函理论对单壁的硼纳米管以及氢化的硼纳米管的稳定

性和电子性质进行了探究。有趣的是我们发现了氢化可以稳固（m,0）(m=7-13)的硼纳米管，而且氢化之后的构型可以随着纳米管的直径不同表现出金属或者半导体的电子性质。除此之外，氢化的（m，0）硼纳米管可以通过施加轴向的应力来调控其电子性质，并且由此我们发现在 3%应力作用时可以实现半导体到金属性质的过度。我们理论预测的硼纳米管以及氢化对不同手性和直径的硼纳米管以及功能化的研究具有一

定的指导性意义。 关键词：密度泛函理论；硼纳米管；氢化的硼纳米管；应力调控 Z-40 “中国红灯笼”分子 -- 硼球烯及其家族 翟华金 山西大学分子科学研究所 030006

本报告涵盖作者与中美合作者在硼球烯 (borospherenes) 研究领域的若干进展。硼球烯亦称全硼富勒烯 (all-boron fullerenes)，是继碳富勒烯之后又一类共价笼形团簇体系。我们的研究手段基于高真空气相光电子能谱学实验和高精度量子化学理论计算的密切结合。报告的具体团簇体系包括：(1)首例硼球烯 B40-/B40

的实验发现，其总体构型酷似传统“中国红灯笼”；由硼双链纵横交织而成，含上下二个六边形和腰上 4个七边形孔洞，具有类立方结构，呈 D2d 对称性；成键展示独特的 pi 和 sigma 双离域，包括均匀覆盖笼形表面的 12 个离域 pi 键。(2)手性硼球烯 B39-的实验观察与理论表征。(3)基于量子化学计算建立和拓展完整硼球烯家族 Bn_q (q = n-40，n = 36-42)，包括: C2 B42(2+)，C1 B41+，D2d B40/B40-，C3/C2 B39-，Cs B38(2-)，C1 B37(3-)，Th B36(4-)。其共性是均为类立方结构，均含 12 个离域 pi 键。(4)尺度最小的扇贝状硼球烯 B28-的实验观察和理论表征。它由 2 个三角形密堆 B15 准平面单元融合而成，有 9 个离域 pi 键。

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参考文献: 1. Zhai, H. J., et al. Nature Chem. 6, 727–731 (2014). 2. Chen, Q., et al. ACS Nano 9, 754–760 (2015). 3. Wang Y. J., et al. J. Chem. Phys. 144, 064307 (2016). 关键词：硼球烯；纳米团簇；硼团簇；pi 和 sigma 双离域；芳香性 Z-41 “自下而上”理解和设计配体保护的金纳米团簇 高嶷 中国科学院上海应用物理研究所 201800

金纳米团簇因其在生物传感、纳米催化、纳米药物等多领域的广泛用途受到瞩目，但其结构组成及其

界面行为长期以来不为人知。自 2007 年 Au102 被成功晶体合成以来，人们继而合成了一系列由不同配体保护的不同尺寸大小的金纳米团簇，从而为在分子尺度理解其结构和性质奠定了基础。同时在过去 30 年中，多个能够部分解释配体金纳米团簇结构稳定性的理论模型被提出，但由于其结构和配体的多样性，能

否基于一个统一的理论框架来理解所有团簇的稳定性，并进而进行合理的理论预测，成为实验和理论学家

共同关心的问题。 我们根据材料生长的“自下而上”思想，提出了一个新的模型(Grand United Model, GUM)：1) 所有配体

保护的金纳米团簇都是有两种基本的结构单元组成，即具有三角形的Au3团簇和具有正四面体的Au4团簇。2) 通过借鉴普通化学中的电子计数规则，提出了金纳米团簇的电子计数规则，并发现其基本单元遵循表观的“双电子规则”：即 Au3 和 Au4 团簇都倾向于占有两个价电子，其多余或者不足的价电子由保护的配体进行调节。以上模型可以很好的理解金纳米团簇配体的多样性以及结构的多样性，也能够合理解释目前已

知的所有晶体结构的稳定性，并可以理解其晶体结构的异构化及进行新结构的理论预测，并且为理解其他

金属纳米团簇的结构演变提供了新的思路。 关键词：自下而上；配体保护；金纳米团簇；GUM Z-42 正十二面体团簇 Mg20B24 刘英，赵荟艳 1. 河北师范大学物理科学与信息工程学院 2. 河北省新型薄膜材料重点实验室，石家庄 050024

由于硼的缺电子性，硼和金属硼化物表现出奇异的成键特性和物理化学性质，近几年一直备受研究者

的关注。对于金属硼化物团簇结构的研究，可以给分子结构和化学键提供更深的理解。 本文采用广义梯度近似下的密度泛函理论计算，研究了 Mg20B24 团簇结构的稳定性，采用分子动力学探讨了该结构的温度稳定性，采用自然键轨道方法分析了结构的成键特征，最后考虑到硼元素和镁元素在储

氢方面的广泛应用，基于密度泛函理论计算研究该团簇结构的储氢潜力。通过计算，我们得到了一个稳定

的 Mg20B24 团簇结构，该金属硼化团簇具有 Ih 对称性，它具有 1.07 eV 的 HOMO-LUMO 能隙。振动频率的分析表明，最高的频率（685.4 cm-1）对应于 “呼吸”振动模式，最低的频率（141.6 cm-1）源于该结构的五角化十二面体外壳的振动。该结构的储氢计算表明被吸附的氢分子呈现多壳层的分布特点。在距团

簇最近的第一个壳层中大约包含 64 个氢分子。计算表明，Mg20B24 是一个稳定的、具有高对称性的、具有储氢潜力的金属硼化团簇。 关键词：正十二面体团簇；金属硼化物；储氢 Z-43

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基于第一性原理计算的分子组装和材料设计研究 杨利明 华中科技大学 化学与化工学院

随着高性能计算的飞速发展，基于第一性原理的理论计算和模拟广泛应用于分子组装和材料设计中。

我们通过第一性原理计算结合全局结构搜索，设计新型夹心化合物，提出两个全新概念和一套普适性的原

子簇组装和稳定化的方案，为分子组装开辟新方法。设计并预测了一系列稳定的二维平面六配位材料。通

过配位有序自组装设计并预测了一系列多孔材料（MOFs 和 COFs），建立多孔材料的能带工程用于调控能带隙和光学响应。在设计 MOFs 基础上，合成并用于 CO2捕捉，提出一个高效碳捕捉的新机理。我们的工作对未来相关领域的实验和理论研究能够起到促进和带动作用。 Z-44 磁性近邻效应调控 TMDC 能谷劈裂 程迎春 南京工业大学 先进材料研究院

近年来，过渡金属硫属化合物（TMDC）因其半导体性、直接带隙、发光在可见光范围以及耦合的自旋能谷特性，引起了半导体物理学、自旋电子学、能谷电子学以及柔性电子学等领域科学家的广泛关注。

2014 年，发现基于过渡金属硫属化合物的稀磁半导体中由于塞曼效应引起的能谷劈裂现象 Phys. Rev. B 89,155429 (2014).。考虑到实验上制备过渡金属硫属化合物的稀磁半导体比较困难，于是提出实验上更易实现的磁性近邻方案，就是将过渡金属硫属化合物放在如 EuO，EuS 等磁性基底上来实现能谷劈裂。随后在理论 Adv. Mater. 28, 959 (2016).上验证了这一方案。最近，与美国纽约州立大学布法罗分校物理系曾浩（Hao Zeng）教授合作，实验发现 EuS 衬底的磁交换场非常显著的增强了 WSe2 能谷劈裂的系数，为 2.5 meV/T。该工作提供了一种非常有效的调控能谷和自旋极化的手段。由于二维材料/铁磁材料异质结构在实验上较容易制备，而且具有增强的能谷劈裂效应，在信息存储与处理器件的应用中具有非常大的潜力。 Z-45 Effect of substrate on the growth and electronic properties of elemental 2D materials beyond graphene 周思，高楠，韩楠楠，赵纪军 大连理工大学 物理学院 三束材料改性教育部重点实验室

In recent years, elemental 2D materials beyond graphene, such as silicene and germanene, have been synthesized on metallic or nonmetallic substrates, and they show great promise for future devices. It is imperative to understand how substrates affect the growth and physical properties of these 2D materials. By first principles calculations, we explored the electronic properties of germanene on transition metal dichalcogenides (TMD) substrates; noncovalent functionalization was exploited for band gap engineering. Then, we investigated the interactions of silicene, germanene, stanene with various metal substrates; an optimal interaction strength was proposed for the epitaxial growth of these monolayers. Last, we proposed to use selected transition metal substrates to synthesize graphyne. Keywords: silicene; germanene; stanene; graphyne; first principles Z-46 Silicene/AsSb 二维范德瓦尔斯异质结电子性质的第一性原理研究 金翠 1，戴瑛 1，魏巍 1，孙启龙 1，李新茹 1，黄柏标 2 1. 山东大学物理学院 2. 山东大学晶体材料国家重点实验室

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目的：在理论上找出一种新型材料—AsSb 单层,与 silicene 组成二维范德瓦尔斯异质结。在不破坏silicene 高载流子迁移率性质的基础上，打开一个室温下足够大、并且可调控的带隙，以应用于场效应晶体管等。

方法：通过范德瓦尔斯修正的密度泛函理论（DFT），系统研究 silicene/AsSb 二维范德瓦尔斯异质结的几何结构和电子性质。

结果：Silicene/AsSb 二维范德瓦尔斯异质结的晶格失配几乎为零，相比于 silicene 生长在其他衬底材料上，这种结构更容易在实验上实现。由于层间范德瓦尔斯相互作用力破坏了 silicene 两个子晶格的对称性，因此打开了 213–563 meV 的带隙，使其在室温下能够稳定存在。此外，范德瓦尔斯异质结几乎保持了 silicene能带的线性色散关系，这意味着 silicene 仍能保持很高的载流子迁移率，在场效应晶体管等方面具有潜在的应用价值。值得注意的是，通过改变 silicene 和 AsSb 的层间距，还可以有效地调控带隙大小；与此同时，还会发生间接带隙到直接带隙的转变。

结论：Silicene/AsSb 二维范德瓦尔斯异质结实现了较低的晶格失配、室温下稳定存在的带隙，以及保持了 silicene 较高的载流子迁移率。研究结果为硅基材料在实验上合成和应用提供了一种可能性。 关键词：Silicene/AsSb 二维范德瓦尔斯异质结；晶格失配；带隙；载流子迁移率；层间距； Z-47 扭转调控纳米碳管的晶格热导率 亓昊楠，王昭 广西大学 530004

碳纳米材料因其各种优良性能一直是研究热点，例如碳纳米管的弹道热输运性质 1.。我们运用传统声子输运模型结合分子动力学计算 2.，对碳纳米管中长度、管径、温度以及扭转形变对热传输的影响进行了细致的研究。比照实验研究结果，我们发现扭转形变对声子输运有着明显的影响。根据该计算结果，我们

提出用扭转形变改变纳米管热导率的模型 3.。 参考文献： 1. Alexander A. Balandin, “Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials.”Nature Materials. 6(2011). 2. Zhao Wang et al., “Diameter dependence of SiGe nanowire thermal conductivity. ” Appl. Phys. Lett. 97, 101903 (2010); Phys. Rev. B 83, 125422 (2011); Phys. Rev. Lett. 102, 215501 (2009). 3. Haonan Qi, Zhao Wang, “Tuning the lattice thermal conductivity of carbon nanotubes by axial rotation strain”, to be published. 关键词：碳纳米管；声子输运；热导率；分子动力学 Z-48 Non-Adiabatic Molecular Dynamics Investigations on the Ultrafast Charge Dynamics at Interfaces Jin Zhao University of Science & Tehcnology

The ultrafast dynamics of photo-excited charge carriers plays an important in optoelectronics and solar energy conversion. Using nonadiabatic molecular dynamics simulation, we study the ultrafast charge dynamics at CH3OH/TiO2 and MoS2/WS2 interfaces. For CH3OH, we study the forward and backward hole transfer between TiO2 and CH3OH as well as the whole hole relaxation process to valance band maximum (VBM). First, we found that the hole trapping ability of CH3OH depends on the adsorption structure strongly. Second, we found the time scales of forward hole transfer process from TiO2 to CH3O (hole trapping process) and hole relaxation to VBM strongly depend on the temperature. The hole relaxation process to VBM is also slow down significantly. This can

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be interpreted by the reduction of the non-adiabatic coupling and the phonon occupation. For MoS2/WS2, we show that instead of direct tunneling, the ultrafast interlayer hole transfer is strongly promoted by an adiabatic mechanism through phonon excitation. At room temperature the interlayer charge transfer in MoS2/WS2 is ultrafast with a timescale of 20 fs which is in good agreement with the experiment. This ultrafast hole transfer process can be suppressed by decreasing the temperature to 100K. The atomic level picture of phonon-assisted ultrafast mechanism revealed in our study is valuable both for the fundamental understanding of ultrafast charge carrier dynamics as well as for the design of novel quasi-2D devices. Keywords: Nonadiabatic molecular dynamics; ultrafast charge transfer Z-49 KPROJ: A program for unfolding electronic bands of interfaces Mingxing Chen College of Physics and Information Science, Hunan Normal University

We present a program for unfolding electronic bands of interfaces modeled by supercells. The program is based on the k-projection method that projects the wavefunctions of supercells on to the k point in the Brillouin zone of the corresponding primitive cell. For interfaces a scheme named layer projection is developed to separates the k-projected band structure for the overlayer and the substrate. The program is then applied to several prototypical interfaces, i.e., graphene bilayer on 6H-SiC(0001), silicene on Ag(111), and FeSe/SrTiO 3 (001) with interfacial oxygen vacancies, which allows us to investigate various interface effects. Our results reveal that the electronic properties of graphene bilayer can effectively tued by the electric field from the substrate, which is strongly dependent on the termination of the substrate. The interface states in silicene/Ag(111) induced by the interaction between the overlayer and the substrate consistent with recent angle-resolved photoemission spectroscopy experiments, but demonstrate that they are not Dirac states. The oxygen vacancies in between FeSe thin films and SrTiO 3 (001) not only provide electron doping to the interface FeSe layer, but also have notable effects on the details of the bands around the Fermi level, including renormalizing the width of the Fe-3d band near the Fermi level. Keywords: Band unfolding; k-projection; interfaces; doping; supercells Z-50 蓝宝石（0001）衬底上 Al 掺杂 ZnO 生长极性的第一性原理研究 杨平，高乾，胡振芃，张立新 南开大学物理科学学院 300071

ZnO 是一种具有多种纳米结构的宽带隙半导体。实验证实在蓝宝石（0001）衬底上生长 ZnO 的的过程中掺入少量的 Al 可同时调控其生长极性和纳米结构，但其原理不得而知。我们使用基于第一原理计算的软件 VASP，对于这一极性反转机制进行了研究。结果表明 Al 掺杂剂倾向于浮在“O-极性”的 ZnO 缓冲层表面，从而导致其上方 ZnO 的生长极性变为“Zn-极性”并形成小岛状分布。最终这些小岛演化为具有“Zn-终止面”的墙状纳米结构。这一结果可以解释 Al 杂质如何导致极性反转现象的产生，并为控制氧化锌生长极性提供更多的帮助。 关键词：生长极性；ZnO 纳米结构；形成能；电荷转移；静电能 Z-51 关于 U/Al 界面附近缺陷行为的第一性原理研究 欧阳文泓，赖文生

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清华大学 100000

本文主要研究了 α-U 和 Al 界面附近空位和 H、O 杂质间隙子的分布特征，并就 U/Al 界面上 U 单空位吸纳 H、O 杂质的能力进行了探讨。

本研究通过基于密度泛函理论的第一性原理方法，迟豫拥有不同缺陷的 U/Al 界面超晶胞并计算单点能进行比较。计算结果显示，U 晶格内的单空位明显倾向于接近 U/Al 界面，其构型能量差异到达了 0.5 eV左右。H 间隙子在 U 晶格内的能量比在 Al 晶格内更低，总体上来说 H 会趋向于向 U 中扩散。与 H 的趋势相反，O 趋向于向 Al 晶格内聚集。在完整晶界构型下晶界对杂质原子的势阱捕获效果不明显，而一旦引入U 单空位后就表现出了对杂质原子较强的吸引力。对于界面附近 U 单空位对杂质的吸纳问题，本研究给出的杂质饱和吸附状态分别为 8 个 H 或 6 个 O。U/Al 界面在吸引晶体内部空位，进而引发 H、O 杂质在界面附近聚集的过程中起到了重要作用。 关键词：铀；界面；第一性原理 Z-52 固/液界面能各向异性及对晶核形貌的影响 汪浩 1，吴凌康 1，李默 2 1. Institute of Nanosurface Science and Engineering, Guangdong Provincial Key Laboratory of Micro/Nano Optomechatronics Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China 2. School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332 USA

本文以 Cu 和 Al 为研究对象，采用分子动力学模拟获取了两者的固/液界面能及其各向异性参数，并分析了它们对凝固过程中晶核形貌的影响。首先，我们采用界面涨落法 (CFM) 计算了 Cu 和 Al 的固/液界面能，并给出了界面能的各向异性参数，计算结果显示，两种金属的界面能大小顺序均有 γ100 > γ110 > γ111，且 Cu 的界面能各向异性远高于 Al。随后，我们采用经典行核法 (CNM) 模拟了过冷熔体中，固相晶核的生长和熔化过程。模拟发现，Cu 的晶核呈现出明显的多边形化特征，其中晶核在 100.方向的半径显著大于110.方向的半径，即：晶核生长过程中，100.方向的生长优于 110.方向；对于 Al，100.方向的晶核半径只是略大于 110.方向的晶核半径。分析认为，(100) 面界面能高于 (110) 面界面能是导致上述现象的主要原因，由于 Cu 的界面能各向异性较高，因而其晶核在生长过程中，100.、110.方向的半径的差别明显。 关键词：分子动力学；固/液界面能；晶核形貌 Z-53 Al 和 Cu{221}∑9倾侧晶界性质和拉伸过程的局域能和局域应力的分析 王 昊 1，香山正憲 2，田中真悟 2，椎原良典 3 1. 上海大学 2. 日本产业技术综合研究所 3. 日本东京大学

在 DFT 计算中，由于总能量和应力是对整个晶胞的积分或平均，形变过程中局部区域的能量和应力的变化是无法知道的。晶界作为一种缺陷，在拉伸过程中与团块区域相比，其周围的局部能量和应力的变化

还没有研究。 我们局域能和局域应力分析铝和铜的倾侧晶界。利用 Bader 积分方法 1.解决了哈密顿方程中的动能项

的规范依赖（gauge-dependent），从而获得了晶界和缺陷处的局域能和局域应力。 由于缺陷导致的结构变化，铝在原子间的价电子明显的进行了重新分布或重新成键，导致了电荷、能

量和应力的长距离变化；铜由于近原子核的 d 轨道的主导，与铝在晶界等缺陷上不一样。这些都可以反映在局域能和局域应力的变化上 2，3.。尽管铝和铜有相同的倾侧晶界，但是在拉伸过程中的表现不一样。我们应用局域能和局域应力分析了拉伸过程。由于铝的 sp 电子对环境的高敏感性，拉伸过程中晶界区域和

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团块区域的铝原子表现不同。在拉伸过程中，铜晶界有更高的拉伸强度。在到达最大拉伸强度前，铜的团

块区域产生了{111}层错。这是由于铜有相对于铝有较小的层错能和理想切变强度，并由晶界处累积的局域能和局域应力引起。此后的拉伸过程中，各铜原子的局域能趋于相同，与铝原子相反 4.。

晶界和空穴处的局域能和局域应力的性质依赖于材料的成键本质。 参考文献： 1. M. Yu, et al. J. Chem. Phys. 134 (2011) 064111 2. Hao Wang, et al. J. Phys.: Condens. Mater. 25 (2013) 305006 3. Hao Wang, et al. J. Mater. Sci 50 (2015) 6864 4. Hao Wang, et al. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 25 (2017) 015005 Keywords: Al and Cu; local energy; local stress Z-54 钒氮微合金化高强度耐候钢的氮冶金行为研究 程剑，沈厚发 清华大学材料学院 100084

本文主要研究钒氮微合金化高强度耐候钢的氮冶金行为。建立了一个钒氮微合金化高强度耐候钢中氮

溶解度与体系温度、氮分压和合金成分的热力学计算模型, 在该模型中考虑了氮分压对氮活度系数的作用系数的影响，并对模型进行验证。

基于该模型的计算结果, 讨论了氮分压、温度、合金成分对钒氮微合金化高强度耐候钢中氮溶解度的影响规律。并且采用热力学软件对钒氮微合金化高强度耐候钢中 V（C,N）析出相进行计算预测，研究表明 N 对 V（C,N）析出相的析出有重要影响。 V 完全析出时 V(C, N)的质量分数为 0.12%左右，V 钢在奥氏体相区中没有析出，V-N 钢中在 A3 时 V(C,N)析出量为 0.11%，氮含量的增加大大的促进了高温时 V(C,N)的析出。 关键词：钒氮微合金化高强度耐候钢；氮溶解度；热力学计算模型 V（C,N）析出相 Z-55 过渡族金属元素在 Ni 中固溶行为的第一性原理计算 陈伟亮 1,2，王寿龙 2，居天华 1，丁学勇 1，陈星秋 2 1. 东北大学 2. 中国科学院金属研究所

为了研究过渡族金属元素在 Ni 中的固溶行为，我们通过第一性原理对 3d、4d 和 5d 元素进行了系统的计算，结果表明 Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Zn、Zr、Nb、Hf、Ta 和 Pt 的置换固溶焓为负值，而其它元素的置换固溶焓为正值。 此外，我们研究了置换固溶焓与磁矩，原子半径，电负性以及原子电荷得失情况之间的关系，发现原子半径和电负性对过渡族金属在 Ni 中的固溶有较为显著的影响，但这些因素都不能独立地解释过渡族金属元素在 Ni 中的固溶行为。为了进一步明确原子半径和电负性对置换固溶焓的影响，我们将置换固溶焓分为两项，一项是由于在Fcc Ni中添加过渡族金属原子造成基体体积变化引起的变形能，另一项是由于电子杂化引起的化学能。分析结果表明过渡族金属原子与 Ni 原子的原子半径差值、电负性差值越大，引起的变形能和化学能就越大。 参考文献： 1. Mottura A, Finnis M W and Reed R C, Acta Mater, 2012, 60, 2866. 2. D. Connetable, E. Andrieu, and D. Monceau, Computational Materials Sciences, 2015,101, 77. 关键词：第一性原理；过渡族金属；置换固溶焓

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Z-56 元素间强相互作用提高固溶体 Cu 合金薄膜稳定性的成分设计 李晓娜，郑月红，孙伟，程肖甜，刘苗，王清, 董闯 大连理工大学材料科学与工程学院 三束材料改性教育部重点实验室，大连 116024

保持 Cu 的高稳定性是其应用过程中的关键问题之一，采用合金化的方法解决该问题同时也要尽可能保持 Cu 的高导电导热性能。大量的文献和前期实验结果表明，制备固溶体 Cu 合金薄膜既可以提高其稳定性，也可以避免添加元素在晶界的析出，有利于 Cu 晶粒的回复和长大，获得较小的电阻率。本文采用射频磁控溅射的方法在单晶 Si（100）基体上沉积了 Cu-Ni-M 三元合金薄膜。引入稳定固溶体“团簇加连接原子”模型进行成分设计，该模型中 M 与 Ni 元素之间需要有强相互作用，尽可能有较负的混合焓，但与 Cu的混合焓为正，则 M 倾向于与 Ni 近邻、与 Cu 分离，形成以一个 M 原子为中心和 12 个 Ni 原子为壳层的最近邻配位多面体，简称团簇，均匀地分布在铜晶格中。当 M 元素以 M-Ni12.团簇的形式添加到 Cu 薄膜中，薄膜的热稳定性显著提高。通过该模型进行成分设计，可以在至少三方面获得明显优势：一、通过 Ni 的帮助，可实现难溶或者不溶元素在 Cu 中的固溶，二，利用元素间的强相互作用，可以明显抑制易扩散合金化元素在 Cu 中的扩散，实现多元合金化系统的成分及性能稳定；三、固溶方式可以在很少添加量的基础上获得 Cu 合金薄膜稳定性的提高，同时保持其低的电阻率和高的导热性能。分析结果还表明，稳定性的提高与晶格收缩相关，即采用“团簇加连接原子”模型指导固溶体 Cu 合金薄膜的设计成分，通过元素间的强相互作用可实现稳定性提高。 关键词：Cu；强相互作用；团簇；薄膜；固溶体；稳定性 Z-57 表面缺口对镁纳米柱塑性变形行为的影响 杨晓悦 1，徐爽 1，刘立胜 2，刘齐文 1 1. 武汉理工大学新材料力学理论与应用湖北省重点实验室，武汉 430070 2. 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070

镁元素在我国储量丰富，而镁合金具有低密度、高强度的优异性能，同时又有较强的减振性和抗磁性，

是一种拥有广泛应用前景的高性能轻型结构材料。然而，由于制备、运输及使用等过程都可能在镁及镁合

金的表面形成缺口，因此研究表面缺口的对镁合金的变形机制的影响具有一定的理论和应用意义。 本文采用分子动力学方法对含有方形和三角形两种不同形状表面缺口的镁纳米柱进行了单轴压缩变

形过程的模拟， 采用镶嵌原子势描述原子间的相互作用。侧重于从微观角度阐述不同形状、不同数目表面缺口对变形行为的影响。

通过模拟，得到了压缩变形过程中的应力-应变关系曲线及不同时刻原子的坐标位置，分析了变形过程中镁纳米柱内部微观缺陷的产生和演化规律，讨论了表面缺口影响下的微观变形机理。

研究发现：三角形缺口对镁纳米柱变形行为的影响不大，塑性变形的主要机制是锥面位错的萌生与运

动；而含有方形缺口的镁纳米柱的初始塑性变形主要由锥面滑移引起，当缺口闭合后，出现孪晶，孪晶的

扩展及其与位错之间的相互作用对塑性变形行为具有重要影响。 关键词：分子动力学；镁；表面缺口；塑性变形 Z-58 Finite element model of probeless friction stir spot welding process of thick 2198-T8 aluminum alloy Wenya li, Wuyuan Feng, Xiawei Yang, Qiang Chu State Key Laboratory of Solidification Processing, Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies, Northwestern Polytechnical University

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In this paper, based on software Abaqus/Explicit, a finite element (FE) model is established to describe the probeless friction stir spot welding (P-FSSW) process of 1.8mm thick 2198-T8 aluminum alloy. And an Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method was adopted in this FE model. The welding parameters were defined as rotation speed of 950rpm, plunge depth of 0.3mm, plunge rate of 30mm/mim and dwell time of 6s. The temperature fields, the stress field and the strain field were investigated. The simulation results were testified using the experimental data. And then, the relationship between the temperature field evolution and different rotation speed,plunge depth, plunge rate and dwell time was revealed based on the accurate description of temperature field. Keywords: Finite element model; probeless friction stir spot welding; 2198-T8 aluminum alloy; temperature field. Z-59 弹性能对共格析出相枝晶形貌的影响：相场模拟研究 邬军 1，郭志鹏 2，罗超 1 1. 中国工程物理研究院材料研究所 2. 清华大学材料学院

近年来，相场模拟方法在材料微观组织演变的研究中得到广泛的应用，例如凝固枝晶生长、第二相析

出、共析转变等。固相枝晶生长在一些合金中观察到，但对于固态枝晶生长机制缺乏深入的研究。本研究

提出一个基于 Karma 相场模型，耦合弹性应变能的共格固相转变相场模型，采用并行多重网格算法在二维真实空间求解了弹性位移方程，提高了弹性能的计算效率，实现了耦合弹性能的固态枝晶生长的模拟。模

拟结果表明，在界面能各向同性时，即在弹性能各向异性主导下，析出相呈现出沿方向优先生长的枝晶形

貌；随着弹性常数各向因子 δ 的增加，沿方向优先生长的趋势增加，尖端半径明显减少，一次臂长度明显增大；两相弹性不均匀性显著影响析出相的相貌，越硬的析出相，越有利于减少系统弹性能的各向异性；

当界面能存在各向异性时，随着界面能各向异性强度的增加，析出相越趋近于沿方向优先生长。焀格弹性

能引入的各向异性显著影响了析出物的枝晶相貌；界面能与弹性能的各向异性存在竞争关系，并最终决定

析出相的形貌。 关键词：相场模拟；析出相；弹性应变能 Z-60 钨中嬗变元素辐照诱导析出机制研究 周洪波，李宇浩，吕广宏 北京航空航天大学物理科学与核能工程学院 100191

钨（W）被视为未来聚变堆中最可能全面应用的面对等离子体材料。但在氘-氚聚变反应产生的高能（14MeV）中子辐照下，W 将不可避免发生嬗变反应，产生铼（Re）和锇（Os）等嬗变元素。研究显示，W 在未来聚变堆发电厂环境下服役 5 年后，Re 和 Os 含量分别可达 3.8 at.%和 1.38 at.%。更重要的是，在辐照作用下嬗变元素将在 W 中形成新的富嬗变元素聚集析出相（σ 相和 χ 相）。富嬗变元素析出相的形成将显著改变 W 材料的微观结构，加剧材料的辐照硬化，严重影响聚变装置的使用寿命。

我们采用第一原理计算与热力学模型相结合的方法，系统研究了 W 中 Re/Os 的聚集析出行为。在本征W 中 Re-Re 相互排斥，不倾向于聚集。虽然 W 中 Os-Os 相互吸引，但 Os 聚集需要克服较高的势垒。因此，在热平衡条件下 Re/Os 很难自发聚集成团，这给出了常规 W-Re/Os 合金中无富 Re/Os 析出相的原因。实验上观察到的富 Re/Os 析出相都是在辐照条件下形成的。是否存在辐照缺陷是已辐照材料与未辐照材料的本质区别。因此，嬗变元素辐照诱导析出必然与辐照缺陷密切相关。

中子辐照条件下，W 中产生嬗变元素的同时还会形成大量的 Frenkel 缺陷。我们发现 Re/Os 与 Frenkel缺陷间存在很强的相互作用。空位/自间隙原子的存在可以显著降低 Re/Os 团簇的聚集形核自由能变，从而促进 W 中 Re/Os 团簇的形成。Re/Os 与自间隙原子结合后会形成间隙 Re/Os，而间隙 Re/Os 的扩散和转向

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势垒较低，能够在 W 中进行快速的三维扩散。因此，自间隙原子在 Re/Os 扩散聚集中起到了重要的媒介作用。游离的间隙 Re/Os 可与间隙/替位 Re/Os 结合，形成稳定的 Re/Os-Re/Os 对，而其可继续捕获间隙 Re/Os使 Re/Os 团簇进一步长大。据此，我们提出了钨中嬗变元素辐照诱导析出的间隙扩散聚集机制。 关键词：钨；嬗变元素；中子辐照；计算模拟 Z-61 分子动力学研究 NiTi 非晶晶化动力学机制 安思敏，李洋，李家好，柳百新 清华大学材料学院 100084

形状记忆合金（SMA）是生产微电子设备的重要原材料。NiTi 金属玻璃晶化是制备 NiTi 形状记忆合金的重要方式。实际上，晶化过程对形状记忆合金的物理性质有重要影响。

我们采用分子动力学模拟的方法研究了 NiTi 金属玻璃在 700，725, 750, 775, 800 和 825 K 下等温退火的的结晶动力学，揭示了形核率和晶体生长速率随温度变化的关系曲线。

基于分子动力学模拟和结晶团簇分析，我们发现形核率随温度先上升后下降，临界形核能则随温度快

速升高。此外，我们研究了基于 Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami 模型的结晶动力学，探究了该模型与晶体形核、长大的关系，揭示了 NiTi 非晶在高温和低温下不同的晶化机制。晶体生长速率，结晶率常数和Avrami 指数在 700-800K 时随温度升高而升高，这和实验观测到的现象是一致的。此外，低于 800K 时，由于原子扩散较慢，结晶过程由晶体生长阶段控制。温度高于 800K 时，由于过冷度较低，结晶过程由形核阶段控制。模拟得到的 TTT 曲线表明结晶速率在 800K 时最大。我们的模拟结果不仅详细描述了 NiTi非晶晶化的动力学行为，而且进一步揭示了金属玻璃的结晶机制。 关键词：非晶晶化动力学；分子动力学模拟 Z-62 第四周期过渡族金属元素在铝熔体中的迁移行为与局域结构的周期相关性研究 杨健，张佼，戴永兵，马建波，韩延峰，邢辉 上海交通大学 上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室，上海 200240

铝合金中溶质元素的扩散对凝固后合金的组织和成分有着重要的影响，凝固过程中的溶质再分配也必

须依靠扩散过程来实现，因此研究溶质原子在铝熔体中的扩散规律及其影响因素十分必要。 本文中，我们将第四周期过渡族金属元素作为溶质研究其在铝熔体中的局域结构和其迁移行为之间的

关系。文中通过双体相关函数，键对分布，键角分布函数等方法对溶质元素原子在铝熔体中的局域结构进

行了分析，并通过电子态密度的计算进一步分析了形成特定局域熔体结构的原因。另外，文中还通过均方

根位移和速度自相关函数两种方法计算了溶质元素在铝中的扩散行为。 结果显示，不同种类的溶质原子所具有的局域熔体结构相差甚大，Fe 原子周围的局域熔体结构最为稳

定和紧密，而 Zn 原子周围的局域结构却十分松散。电子态密度的计算分析结果显示，溶质元素原子外围价电子的周期性分布是造成这种差异的主要原因，这种周期性也导致了溶质原子周围的局域结构存在周期

性关系。最后，溶质在熔体中的扩散系数的结果显示溶质元素在熔体中的扩散也呈现出周期性关系。 通过对已有的研究和我们的计算结果分析可知，熔体中的溶质元素的扩散受其周围局域结构的影响，

而溶质元素原子周围所具有的特定的局域结构和其原子最外层价电子的周期性排布相关。所以，第四周期

过渡族金属元素在铝熔体中的局域结构具有周期性，溶质元素的扩散受溶体结构周期性的影响也呈现出一

定的周期想关性。 关键词：熔体结构；扩散；周期性 Z-63

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Mn 配分动力学对 Q&P 钢中残奥热稳定性的影响 吴日铭，苏钰，吴文云，刘淑梅 上海工程技术大学 201620

本文采用相变热力学和元素扩散动力学设计，对 Fe-1.87Mn-1.42Si 钢进行两相区退火结合淬火&配分（Quenching & Partitioning, Q&P）热处理，选取了四个不同的两相区退火温度，分别为 740℃，760℃，780℃和 800℃，获得了优异的力学性能（抗拉强度 886MPa×延伸率 29%）和优化的显微组织（残余奥氏体体积分数达到 16.3%）。研究结果表明，由于两相区退火过程形核长大的奥氏体内 Mn 不均匀扩散，导致 Q&P过程中奥氏体稳定性不足，部分发生贝氏体转变和二次淬火马氏体转变，从而降低了室温残奥的体积分数。

依据Mn的不均匀扩散建立的Mn配分动力学模型，实现了与实验数据吻合度较高的残奥体积分数的预测，进一步验证了 Mn 配分对于低 Mn 钢中残奥稳定性控制的影响。Mn 配分对残奥局部稳定性影响规律的发现将有助于钢厂 Q&P 钢产品力学性能和显微组织的进一步提升。 关键词：相变热力学；扩散动力学；淬火-配分工艺（Q&P）；残余奥氏体；残奥稳定性 Z-64 纳米晶硬质合金受压形变的分子动力学模拟研究 冯庆，刘雪梅，王海滨，侯超，宋晓艳 北京工业大学 100124

受限于制备技术，平均晶粒尺寸减小到 100 nm 以下的 WC-Co 类纳米晶硬质合金块体材料的研究报道极少，尤其是缺乏纳米晶硬质合金形变行为及其微观机制的认识。我们以纳米晶 WC-Co 类硬质合金中各组分为研究对象，利用分子动力学模拟，分别在纳米压痕和单向压缩条件下，研究晶界、相界、晶粒内部

缺陷和晶粒尺寸对硬质合金变形行为和力学性能的影响规律和内在机制，并分析纳米晶硬质合金可以获得

高强度、高韧性的原因。 模拟研究了纳米压痕条件下粘结相不同晶体结构、硬质相和界面特征对晶粒内部发生塑性变形的影响。

通过比较韧性相和硬质相在位错类型和位错密度上的差异，在原子尺度上建立了变形特征和力学性能之间

的关系，阐释了界面共格性可以缓解应力集中从而提高硬质合金抵抗晶间断裂的能力。 模拟研究了单向压缩条件下，纳米晶硬质相 WC 单晶体和多晶体的塑变起源及机理，发现 WC 单晶变

形的各向异性、多晶变形中晶界的协调作用，以及晶粒尺�