异质界面力学性能的键弛豫理论与光电子能谱选区标定研究

对异质界面力学性能和形成规律的本质掌握和控制是固体力学和其它相关领域面临的挑战之一。尤其是在处理高强度界面合金层的问题时，迫切需要适用于原子尺度的有效理论和测量技术。本项目旨在实现以下四个目标：(i) 拓展现有的键弛豫理论，使之涵盖由界面合金化导致的局域键性质和能量的改变，建立一套系统和完善的界面键弛豫理论和分析方法；(ii) 发展和完善光电子能谱断层分辨和选区提纯技术，以实现快捷、准确和有效地测定界面结合能，为非均匀介质力学研究提供新的实验技术；(iii) 在理论预测指导下以Al/Mg和Ni/Cu为例进行选区光电子能谱实验和分析，获取界面区域内有关单键能、单原子结合能和界面自由能等定量信息；(iv) 阐明界面结合性能的内在本质和影响因素，为调制和改善非连续介质界面力学行为提供理论依据。

异质界面形成的微观机制及界面力学性能的定量表征一直是材料和固体力学领域的重要挑战。当异质界面处的材料从微米层次向亚微米甚至纳米层次推进时，界面处结合性能发生了不连续的突变。无论从连续介质的宏观角度，还是从量子力学的微观角度或用直接测量的方法似乎很难从根本上解决这一问题。因此，迫切需要建立适用于原子尺度的有效理论和测量技术。本项目旨在从键弛豫的角度出发，以界面结合能为核心参量，考虑界面层键长以及键性变化造成的界面结合能的演化，以此建立界面结合能与键参数之间定量关系的理论模型；发展单质表面和异质界面光电子选区能谱谱学表征与解析的理论和方法，以实现根据光谱实验数据解谱提纯分析获得孤立原子能级和固化能移、表面各层原子单键能和有效配位数、界面原子单键能和结合能；同时，结合量子理论计算和选区能谱实验，从数值角度建立界面结合能与化学键性之间的函数关系，进一步验证和补充异质界面力学性能的键弛豫理论方法。最终，综合键弛豫理论和选区光电子能谱解谱技术，我们提纯了界面处同质以及异质化学键的键长和键能，定量获得了界面结合能、界面结合能密度以及界面自由能，厘清了界面结合能变化的两种机制：界面钉扎和极化。这为调制和改善非连续介质界面力学性能提供了理论依据，并开拓了一种定量表征界面力学性能的新方法。研究成果在Chem Rev、Nanoscale、J Phys Chem A等杂志上发表学术论文26篇，在Springer出版学术专著1部。原创的键弛豫理论荣获2012年夸瑞兹密国际科学一等奖。