電子功函數(shù)的計算及其在材料表面電化學(xué)問題研究中的應(yīng)用.pdf

1、材料表面的電化學(xué)是一個復(fù)雜的過程，它包括催化、氧化、吸附、腐蝕、場電子發(fā)射等一系列的現(xiàn)象，一直是材料科學(xué)家們研究的一個重點(diǎn)。電化學(xué)現(xiàn)象一般伴隨著電子的轉(zhuǎn)移和流動，是一個陰極得電子陽極失電子的氧化還原過程。從與得失電子密切相關(guān)的物理量-電子功函數(shù)入手，利用第一原理密度泛函的方法，通過計算材料表面不同終結(jié)面的電子功函數(shù)的大小來說明材料的電化學(xué)活性，揭示電化學(xué)發(fā)生的趨勢。本論文主要研究了三部分內(nèi)容，現(xiàn)將各部分內(nèi)容簡要介紹如下:
　　(1

2、)鋁合金中經(jīng)常會引入一些第二相來改善其性能，第二相顆粒由于和鋁基體的電位差不同，將會對鋁合金的局部腐蝕產(chǎn)生重大的影響。為了揭示鋁合金腐蝕的物理本質(zhì)，本文以2xxx和7xxx鋁合金中常見的第二相顆粒為例，詳細(xì)計算了鋁合金中一些主要第二相(Al2Cu、Al3Ti和Al7Cu2Fe)的多種晶面的電子功函數(shù)，分析了電子從各個晶面逸出的難易，求得了第二相與Al基體的本征電勢差。發(fā)現(xiàn)不同的晶面暴露在合金最外層時會顯著地影響本征電勢差;即便是同一晶面

3、，暴露在最外層的原子種類和構(gòu)型不同，對腐蝕的影響也不一樣。從電子的層面解釋了電偶腐蝕發(fā)生的原因。本項利用片層(Slab)模型來研究鋁合金的表面腐蝕的成功事例，為從理論上研究其它合金的電偶腐蝕現(xiàn)象提供了一種可參考的方法。
　　(2)材料表面由于直接和外界環(huán)境接觸，其表面性質(zhì)有時對整個材料的性能起著決定性的作用。電子功函數(shù)和表面能作為衡量材料表面性質(zhì)的兩個重要物理量，與表面的穩(wěn)定、晶體的生長、晶界的形成、元素的偏聚等重要表面現(xiàn)象密切相

4、關(guān)。材料表面本身具有各向異性，各種加工鍛造手段使得材料表面的構(gòu)成更加的復(fù)雜。因此，僅僅掌握和依靠少數(shù)幾個密排面的電子功函數(shù)和表面能，不足以全面地闡明表面的電化學(xué)性質(zhì)。鑒于此，利用第一原理密度泛函的方法詳盡地計算了元素周期表中19種主要體心(bcc)和面心(fcc)立方晶體的六種主要密排面的電子功函數(shù)和表面能，建立起了初步的數(shù)據(jù)庫。并通過分析，得出電子功函數(shù)和表面能呈現(xiàn)粗糙的反比關(guān)系。
　　(3)電子功函數(shù)是衡量場致電子發(fā)射材料優(yōu)劣

5、的一個重要指標(biāo)。過渡族金屬元素碳化物，尤其是HfC，由于具有高熔點(diǎn)、耐腐蝕和電子功函數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，作為潛在場致電子發(fā)射材料受到了更多的關(guān)注。為了全面揭示HfC材料的表面性質(zhì)，計算了其多個表面的電子功函數(shù)和表面能，分析了其表面得失電子的能力和穩(wěn)定性。并且對于其極化表面(111)和(311)面，采取了一種新的方法來衡量其不同終結(jié)面的穩(wěn)定性，得到了與實驗一致的結(jié)果。另外，場致電子發(fā)射材料在應(yīng)用的過程中，不可避免地會受到一些小分子吸附的影響。這些