sp金属表面氧化机制的第一性原理研究

从原子尺度上研究金属表面氧化的过程和机制，不仅可以在实际应用中对金属材料的防氧化腐蚀提供具体的指导，而且因为涉及到很多基础前沿的表面化学物理过程而有着极其重要的理论意义。本项目基于第一性原理分子动力学方法，系统深入研究sp金属表面氧化过程中的关键问题。包括对比研究氧分子在同一主族和同一周期不同金属元素表面吸附和分解的规律；探讨研究合金表面氧化的过程；深入研究缺陷对sp金属表面氧分子分解及氧化核形成的影响；系统研究表面应力和台阶对sp金属表面氧分子吸附和分解状况的影响；以及揭示量子尺寸效应对sp金属表面氧化过程的调控机制。通过本项目的研究以期更进一步提高人们对非过渡金属表面氧化和腐蚀过程中涉及到的一些重要理论物理问题的认识，并促进我国在这一交叉领域的研究进展。

通过大规模第一性原理分子动力学模拟，揭示出传统的“热原子”氧化机制适用于镁和铝等sp金属，并不适用于金属铍，建立了金属铍表面氧化的聚集分解模型；预言了压应力会抑制，拉应力会促进sp金属表面氧化；与清华大学低维量子物理国家重点实验室合作，通过理论计算结合高真空实验研究，解释了金属铅表面在室温下抗氧化却可以通过“低温吸附-室温退火两步法”氧化的重要实验结果；针对合金的氢化机制，解释了镁铝合金耐氢化的原因，提出了新的钚镓合金表面氢化反应开始的模型，揭示了铀铌合金表面氢化过程中的s-d相互作用机制，相关研究成果已被成功应用到中国工程物理院关于材料腐蚀机制的相关任务中。此外，还结合凝聚态物理领域的一些前沿研究热点对研究内容进行了适当补充，提出了预吸附半层表面活性剂辅助在硅表面外延生长锗纳米线的思路，给出了氧化钪团簇稳定性和电子学性质的混合泛函理论描述，预言了氧化锌二维纳米岛的结构稳定性和磁学性质等等。在这些研究工作中，负责人及所在研究组同国内外的相关研究组建立了广泛的合作与交流。在本项目的资助下，项目组成员共在国际知名期刊上合作发表了十余篇学术文章，均已获得国际上研究同行的关注和引用。