如何利用 Materials Studio玩转表面/界面计算？一起来看看这些计算案例！

Materials Studio中的CASTEP、DMol3、QMERA等模块可对表界面及其上所发生的化学反应进行研究，如计算表面吉布斯自由能、研究表面吸附机理、表面化学反应过程、界面力学性质，薄膜生长机理、自组装等；经典分子力学、动力学模块如Forcite plus、GULP还可对表面物理吸附及界面物理粘结强度进行研究。

主要相关模块：CASTEP、DMol3、QMERA、Forcite Plus、GULP、Adsorption Locator

案例一：α-Al2O3/FeAl氢渗透阻挡层中氢的能量和扩散

Reference: Int. J. Hydrogen Energy 38, 7550 (2013)

所用模块：DMol3

使用氢能源过程中的安全性至关重要。将氢渗透阻挡层沉积到钢铁表面是阻碍氢同位素迁移的有效方法。其中，含铝涂层因为能有效抑制氢同位素迁移，并具有较好的热膨胀性能而备受人们青睐。研究人员使用密度泛函程序DMol3深入探索了α-Al2O3/FeAl氢渗透阻挡层的界面结构，不同界面结构对氢同位素的稳定性和扩散性能的影响，以及在α-Al2O3(001)/FeAl(111)界面上氢扩散的热动力学过程。结果表明α-Al2O3/FeAl中Al/Fe/O界面形成的势垒能够有效的阻止氢渗透到底层钢铁中。

图 1 在α-Al2O3/FeAl 层中的Al/O 界面的氢的扩散势能图和结构

案例二：羧酸封端自组装单层膜的结构：分子动力学模拟和基于量子力学-分子力学杂化方法的振动模分析

Reference: J. Phys. Chem. C 116, 770 (2012) 

所用模块：Forcite Plus、 COMPASS、 QMERA

有机薄膜在化学传感器、医疗器械以及电子器件领域具有广泛的应用。羧酸封端的单层自组装有机薄膜(CATSAMs)，因可以通过调节pH值实现对结构和反应性能的控制而引起关注。以色列巴伊兰大学的研究人员利用分子动力学方法模拟了不同pH值条件下CATSAMs的平衡结构，得到了结构的变化规律。此外，他们利用量子力学-分子力学杂化方法计算了不同pH值时羧基C=O键的伸缩振动频率分布，结果与实验红外光谱数据一致，从而证明原子尺度动力学模拟的合理性，为有机薄膜微观结构和性能的研究提供了新的方法和思路。

图1. CATSAMs的倾斜角与其旁氏构象百分比的相关性。CATSAM_0至CATSAM_5 pH值逐

图2. 模拟得到的C=O伸缩振动频率分布与实验红外光谱的对比

案例三：纤锌矿结构ZnO/Mg0.25Zn0.75O超晶格中能带偏移和极化效应的第一性原理研究

Reference: Phys. Rev. B 86, 205322 (2012)

所用模块：DMol3

纤锌矿结构ZnO/MgxZn1-xO超晶格宽带隙半导体相较于传统III-V族半导体异质结，因具有更高的激子结合能，且更易于制备高质量的外延薄膜，而受到越来越多的关注。但是，超晶格所具有的能带偏移、内建电场强度等性质与其结构和应变的关系不甚明了。研究人员使用DMol3模块中的全电子方法，从理论上建立了ZnO/MgxZn1−xO 界面的能带偏移、内建电场、带隙与超晶格结构和应变的关系。模拟结果为设计和优化类似ZnO/MgxZn1−xO 超晶格结构在电子和光电领域的应用提供理论指导。

图1.（m+n）ZnO/Mg0.25Zn0.75O代表超晶格结构，其中m代表ZnO的层数，n代表MgxZn1−xO的层数

图示为(6+ 4) ZnO/Mg0.25Zn0.75O结构。其中ZnO区域为势阱，MgxZn1−xO区域为势垒

图2.  (a)(5+5)超晶格中每一层的密立根电荷。内建电场在势阱(E)w和势垒(Eb)区域的方向如图箭头所示

(b) 每一层中O 1s芯电子结合能. 由曲线外推得到价带偏移计算公式 的最后一项