Materials Studio中的CASTEP、DMol3、QMERA等模塊可對表界面及其上所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)進行研究，如計算表面吉布斯自由能、研究表面吸附機理、表面化學(xué)反應(yīng)過程、界面力學(xué)性質(zhì)，薄膜生長機理、自組裝等；經(jīng)典分子力學(xué)、動力學(xué)模塊如Forcite plus、GULP還可對表面物理吸附及界面物理粘結(jié)強度進行研究。

主要相關(guān)模塊：CASTEP、DMol3、QMERA、Forcite Plus、GULP、Adsorption Locator

案例一：α-Al2O3/FeAl氫滲透阻擋層中氫的能量和擴散

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

所用模塊：DMol3

使用氫能源過程中的安全性至關(guān)重要。將氫滲透阻擋層沉積到鋼鐵表面是阻礙氫同位素遷移的有效方法。其中，含鋁涂層因為能有效抑制氫同位素遷移，并具有較好的熱膨脹性能而備受人們青睞。研究人員使用密度泛函程序DMol3深入探索了α-Al2O3/FeAl氫滲透阻擋層的界面結(jié)構(gòu)，不同界面結(jié)構(gòu)對氫同位素的穩(wěn)定性和擴散性能的影響，以及在α-Al2O3(001)/FeAl(111)界面上氫擴散的熱動力學(xué)過程。結(jié)果表明α-Al2O3/FeAl中Al/Fe/O界面形成的勢壘能夠有效的阻止氫滲透到底層鋼鐵中。

圖 1 在α-Al2O3/FeAl 層中的Al/O 界面的氫的擴散勢能圖和結(jié)構(gòu)

案例二：羧酸封端自組裝單層膜的結(jié)構(gòu)：分子動力學(xué)模擬和基于量子力學(xué)-分子力學(xué)雜化方法的振動模分析

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

所用模塊：Forcite Plus、 COMPASS、 QMERA

有機薄膜在化學(xué)傳感器、醫(yī)療器械以及電子器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。羧酸封端的單層自組裝有機薄膜(CATSAMs)，因可以通過調(diào)節(jié)pH值實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性能的控制而引起關(guān)注。以色列巴伊蘭大學(xué)的研究人員利用分子動力學(xué)方法模擬了不同pH值條件下CATSAMs的平衡結(jié)構(gòu)，得到了結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。此外，他們利用量子力學(xué)-分子力學(xué)雜化方法計算了不同pH值時羧基C=O鍵的伸縮振動頻率分布，結(jié)果與實驗紅外光譜數(shù)據(jù)一致，從而證明原子尺度動力學(xué)模擬的合理性，為有機薄膜微觀結(jié)構(gòu)和性能的研究提供了新的方法和思路。

圖1. CATSAMs的傾斜角與其旁氏構(gòu)象百分比的相關(guān)性。CATSAM_0至CATSAM_5 pH值逐

圖2. 模擬得到的C=O伸縮振動頻率分布與實驗紅外光譜的對比

案例三：纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO/Mg0.25Zn0.75O超晶格中能帶偏移和極化效應(yīng)的第一性原理研究

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

所用模塊：DMol3

纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO/MgxZn1-xO超晶格寬帶隙半導(dǎo)體相較于傳統(tǒng)III-V族半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，因具有更高的激子結(jié)合能，且更易于制備高質(zhì)量的外延薄膜，而受到越來越多的關(guān)注。但是，超晶格所具有的能帶偏移、內(nèi)建電場強度等性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)和應(yīng)變的關(guān)系不甚明了。研究人員使用DMol3模塊中的全電子方法，從理論上建立了ZnO/MgxZn1?xO 界面的能帶偏移、內(nèi)建電場、帶隙與超晶格結(jié)構(gòu)和應(yīng)變的關(guān)系。模擬結(jié)果為設(shè)計和優(yōu)化類似ZnO/MgxZn1?xO 超晶格結(jié)構(gòu)在電子和光電領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

圖1.（m+n）ZnO/Mg0.25Zn0.75O代表超晶格結(jié)構(gòu)，其中m代表ZnO的層數(shù)，n代表MgxZn1?xO的層數(shù)

圖示為(6+ 4) ZnO/Mg0.25Zn0.75O結(jié)構(gòu)。其中ZnO區(qū)域為勢阱，MgxZn1?xO區(qū)域為勢壘

圖2. ?(a)(5+5)超晶格中每一層的密立根電荷。內(nèi)建電場在勢阱(E)w和勢壘(Eb)區(qū)域的方向如圖箭頭所示

(b) 每一層中O 1s芯電子結(jié)合能. 由曲線外推得到價帶偏移計算公式 的最后一項