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        α-HgI2晶體附著能的計(jì)算

        2018-02-13 06:45:34楊叢笑侯雁楠
        關(guān)鍵詞:封端晶面晶體

        陳 靜,許 崗,袁 昕,楊叢笑,侯雁楠

        (1.西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院,西安 710021;2.西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710048)

        α-HgI2是室溫穩(wěn)定相,屬四方結(jié)構(gòu),空間群P42/nmc,在核輻射探測、醫(yī)學(xué)成像、土壤環(huán)境及安全檢測等領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用[1-4].無論是多晶薄膜還是塊晶,規(guī)則形貌的晶體可以直接應(yīng)用于器件的制備而無需加工,大大提高了晶體/材料的使用效率,因此,晶體生長中形貌控制具有重要的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值[5-6].晶體形貌受晶體結(jié)構(gòu)和生長參數(shù)的控制[7-8],因此,從內(nèi)在和外在兩個(gè)角度研究晶體形態(tài)控制,對于深度認(rèn)識晶體結(jié)構(gòu)和環(huán)境影響因素具有重要意義[9-10].

        1 附著能計(jì)算流程

        1) 利用MS軟件的Forcite模塊計(jì)算出晶胞的晶格能Elattice;

        2) 通過BFDH法選出理想情況下的晶貌顯露面(hkl);

        3) 根據(jù)步驟2中晶面(hkl),利用切面法中的cleave surface對晶面切面 (注:所切晶面位置、大小即厚度的隨機(jī)性會導(dǎo)致步驟4計(jì)算結(jié)果不唯一);

        圖1 切面合理性判定流程

        通過封端將非收斂結(jié)構(gòu)法轉(zhuǎn)換為收斂結(jié)構(gòu)時(shí),由于改變了晶體的對稱性并刪除了原結(jié)構(gòu)的部分化學(xué)鍵,從而減少了結(jié)構(gòu)原本的化學(xué)鍵能,因此通過生長形態(tài)法計(jì)算的收斂結(jié)構(gòu)的附著能結(jié)果錯(cuò)誤,如圖1虛線所示.但該操作會附帶顯示對應(yīng)的唯一二維晶面結(jié)構(gòu)圖,觀察其分子間的位置關(guān)系(排列順序和對稱關(guān)系),在切面法得到的多個(gè)二維晶面圖中選出一個(gè)與之最接近的二維晶面結(jié)構(gòu)圖作為有效二維晶面圖進(jìn)行計(jì)算.為了驗(yàn)證該方法的合理性,首先采用流程一計(jì)算了β-HgI2晶體的附著能.

        2 結(jié)果與討論

        2.1 β-HgI2晶體的附著能

        2.1.1 生長形態(tài)法

        使用MS軟件中的Morphology模塊的生長形態(tài)法對β-HgI2晶體進(jìn)行形貌模擬,其模擬形態(tài)與文獻(xiàn)[20]顯示一致,如圖2所示.由圖2的形貌模擬圖可以看出,β-HgI2晶體主要顯露晶面為(001)、(110)、(111)、(020)和(021).模擬計(jì)算得到的主要晶面的附著能見表1.

        圖2 生長形態(tài)法則模擬的β-HgI2 晶體形貌

        表1 生長形態(tài)法模擬的β-HgI2主要晶面的附著能

        2.1.2 封端法輔助切面法

        利用封端法對β-HgI2進(jìn)行處理,并使用生長形態(tài)法對其模擬后得到相應(yīng)晶面唯一的二維晶面圖,如圖3所示.對照圖3中各晶面的二維晶面圖,觀察圖中分子間的排列順序和對稱關(guān)系,通過cleave surface工具切出五個(gè)顯露晶面(001)、(110)、(111)、(010)和(021),每個(gè)二維切面中均含有四個(gè)HgI2分子,如圖4所示.

        圖3 封端法處理的β-HgI2二維晶面圖

        圖4 β-HgI2晶體主要晶面的二維切面圖

        表2 切面法計(jì)算β-HgI2 晶體各面的附著能

        2.2 α-HgI2晶體的附著能

        由于α-HgI2的空間結(jié)構(gòu)群為P42/nmc,該空間點(diǎn)陣群是由化學(xué)鍵連成的無限二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).而Growth Morphology方法因軟件力場設(shè)定缺陷,對非收斂結(jié)構(gòu)類型晶體的附著能無法計(jì)算.因此計(jì)算α-HgI2的附著能不能采用生長形態(tài)法,應(yīng)采用已經(jīng)通過驗(yàn)證的封端法輔助切面法

        通過cleave surface工具切出三個(gè)顯露面(001)、(011)和(110),每個(gè)二維切面中均含有兩個(gè)HgI2分子,(001)面在cleave face后結(jié)構(gòu)唯一,而(011)和(110)在cleave surface后有兩種相近情況,如圖5所示.

        圖5 α-HgI2晶體主要晶面的二維切面圖

        對α-HgI2進(jìn)行封端,并使用生長形態(tài)法對其模擬后得到(011)和(110)的唯一二維晶面圖,如圖6所示.將圖5與圖6進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)圖5中(011)和(110)位置2的二維晶面圖與圖6中原子的排列順序和對稱關(guān)系相一致,均為中心對稱圖形,因此選擇位置2作為合理切面來計(jì)算附著能.

        使用Forcite模塊計(jì)算出α-HgI2的晶格能為Elattice=-36.15 kJ·mol-1,使用切面法對其進(jìn)行切面后計(jì)算二維晶片的晶格能,并計(jì)算α-HgI2相應(yīng)晶面的附著能,見表3.

        圖6 封端法處理的α-HgI2(011)和(110)二維晶面圖

        表3 切面法計(jì)算α-HgI2 晶體各面的附著能

        根據(jù)表3附著能結(jié)果可知,α-HgI2主要晶面的附著能大小排序?yàn)?001)<(101)<(110),表明其晶面顯露重要性為(001)>(101)>(110),該結(jié)果與文獻(xiàn)[21]結(jié)論一致.因此,(001)生長速率最慢,(101)次之,(110)生長速率最快,理想結(jié)構(gòu)的晶體應(yīng)當(dāng)保留較大的(001)晶面.采用封端法輔助切面法計(jì)算非收斂結(jié)構(gòu)(α-HgI2)晶體附著能,能夠間接得到晶體的生長速率,進(jìn)一步確定晶體的形狀.

        3 結(jié) 論

        2) 采用生長形態(tài)法計(jì)算了β-HgI2晶體主要晶面(001)、(110)、(111)、(020)和(021)的附著能,并采用封端法輔助切面法驗(yàn)證了對應(yīng)晶面的附著能.兩種方法計(jì)算結(jié)果一致,分別為-31.35,-76.94,-77.30,-90.68和-94.02 kJ·mol-1,表明采用封端法輔助切面法計(jì)算的α-HgI2附著能是正確的.

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