Twin-Boundary Structural Phase Transitions in Elemental Titanium
晶体材料中的孪晶在许多转变和变形过程中起着重要作用，其中相关孪晶界（TB）的结构、能量和动力学性质可以强烈地影响潜在机制。虽然这些性质在常见情况下得到很好的表征，但是TB可以显示具有不同性质的多种络合物以及它们之间的相变的可能性尚未被广泛探索，即使这种现象在一些更一般的晶界中建立。我们报告的实验结果表明，{11-24} TB在钛显示厚的界面区域与晶体结构不同的散装。第一性原理计算确定，该复合物与钛的亚稳多晶型相关联，并且表现出与压缩应变下的固态润湿转变和张力下的一级结构转变一致的行为。这些发现证明了元素金属中丰富的TB络合行为，对机械行为和相变途径具有重要意义。
2021-07-20 cond-mat.mtrl-sci
Predicting grain boundary energies of complex alloys from ab initio calculations
通过对纯面心立方金属晶界能及其表面能的从头算研究，提出了一种估算复杂多元合金晶界能的稳健方法。输入参数是合金的表面能，这可以很容易地通过基于密度泛函理论的现代从头计算获得。该方法被证明在顺磁性铁铬镍合金的情况下，可靠的晶界数据是可用的。
2021-02-03 cond-mat.mtrl-sci
Structures and energies of computed silicon (001) small angle mixed grain boundaries as a function of three macroscopic characters
该研究通过原子模拟探究硅（001）小角度混合晶界在三类宏观特征下的结构-性能关联，拟合修正的Read-Shockley关系，揭示结构转变规律与形成机制，结果获理论与实验验证。
2023-05-22 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Symmetry-broken crystal structure of elemental boron at low temperature
硼的晶体结构在化学元素中是独特的，高度复杂，并且不完全已知。实验学家报告说，β-菱面体（黑色）的形式在从绝对零度到熔化的所有温度下都是稳定的。然而，早期的计算发现它的能量大于α-菱面体（红色）形式的能量，这意味着β在低温下不能稳定。此外，β显示出部分占据的位置，似乎与熵在低温下消失的热力学要求相冲突。使用电子密度泛函理论的方法和广泛的搜索的配置空间，我们发现一个独特的，能量最小化模式的占用和空置的网站，可以在低温下是稳定的，但打破了β-菱面体对称。甚至更低的能量也发生在更大的晶胞中。替代配置位于附近的能量，允许熵的部分占用，以稳定的β-菱面体结构，通过相变在中等温度。
2007-12-04 cond-mat.mtrl-sci
Universal preference for low energy core-shifted grain boundaries at the surfaces of fcc metals
具有[111]倾斜轴的晶界在多晶面心立方金属中很常见。对于铜（111）膜，靠近表面的出现的晶界具有偏离[111]的倾斜轴，其能量低于相应的截断体边界。几何分析和原子计算被用来研究在代表性的面心立方元素金属中这种相同弛豫现象的驱动力。我们表明，减少边界能量尺度与消除大力昂贵的边界核心方面。我们发现，对于一个广泛的取向差角低能量的核心移动边界也有利于在Al，Ni，Au和Pt和讨论的电迁移和其他金属性能的意义。
2023-02-11 cond-mat.mtrl-sci
Grain boundary energies and cohesive strength as a function of geometry
内聚定律是有限元计算中使用的应力-应变曲线，用于描述界面（如晶界）的脱粘。将晶界内聚规律描述为描述晶界几何形状所需的参数的函数将是方便的; 2D中的两个参数和3D中的5个参数。然而，我们发现内聚律并不是这些参数的光滑函数。事实上，在两个晶粒具有相对于彼此合理的重复距离的几何形状下，它是不连续的。使用原子模拟，我们提取晶界能量和凝聚力的法律晶界断裂在2D与Lennard-Jones潜在的所有可能的几何形状，可以模拟周期性的边界条件内的最大框大小。我们介绍了一个模型，其中晶界表示为高对称边界装饰额外的位错。利用它，我们开发了一个函数形式的对称晶界能，在所有高对称角尖。利用位错装饰模型，我们还找到了高对称晶界处不连续面附近断裂韧性的渐近形式。
2008-03-06 cond-mat.mtrl-sci
Machine learning metallic glass critical cooling rates through elemental and molecular simulation based featurization
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
基于元素性质和分子模拟特征，开发了预测金属玻璃临界冷却速率的机器学习模型，通过留出完整化学体系的交叉验证获得R²=0.78。
2026-06-23 cond-mat.mtrl-sci
Statistics of grain microstructure evolution under anisotropic grain boundary energies and mobilities using threshold-dynamics
本文利用阈值动力学方法高效模拟二维多晶系综，研究各向异性晶界能量与迁移率对晶粒长大统计行为的影响，揭示异常晶粒长大中的取向偏好及织构与孪晶界的演化规律，为晶界工程提供策略。
2023-09-17 cond-mat.mtrl-sci
Grain boundary phases in bcc metals
我们报告了计算发现的新的晶界结构和多晶界相元素体心立方钨。虽然已经广泛地研究了由γ-表面方法产生的作为两个完美半晶体的结合的晶界结构，但是已知该方法具有局限性并且不总是预测正确的基态。在这里，我们使用一个新开发的计算工具，基于进化算法，执行一个大正则搜索的高角度对称倾斜边界钨，我们发现新的基态和多个阶段，不能使用传统的结构单元模型描述。我们使用MD模拟来证明新结构可以在有限温度下在封闭系统中共存，确认这些是不同GB相的例子。通过第一性原理计算证实了新的基态。
2017-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Structural phase transformations in metallic grain boundaries
作为低维系统中相变的复杂例子，界面处的结构转变具有深远的基本意义。尽管进行了数十年的广泛研究，但没有令人信服的证据表明元素系统中大角度晶界的结构转变。在这里，我们表明，在原子模型中观察这种相变的关键障碍已经植根于不充分的模拟方法。所提出的新方法允许晶界内原子密度的变化，并揭示了具有不同原子结构的多个晶界相。通过改变温度或向边界区域注入点缺陷，观察到这些相之间的可逆一阶变换。由于多个亚稳相的存在，晶界可以吸收大量的点缺陷，在材料内部产生的过程，如辐射。我们提出了一种新的机制，辐射损伤愈合的金属，这可能会指导进一步改善金属材料的抗辐射性能，通过晶界工程。
2013-03-29 cond-mat.mtrl-sci
Dislocations and Grain Boundaries in Two-Dimensional Boron Nitride
一种新的位错结构--正方形-八边形对（4| 8）是通过第一性原理计算在二维氮化硼（h-BN）中发现的。它的能量低于相应的五边形-七边形对（5| 7），其中含有不利的同质元素键。根据位错的结构，研究了BN中的晶界。根据晶粒的倾斜角度，GB可以是极性的（富B或富N），由5| 7s，或单极，由4个组成|8先令极性GB携带净电荷，在富B时为正，在富N时为负。与石墨烯中通常阻碍电子传输的GB相比，极性GB与完美BN相比具有更小的带隙，这可能表明有趣的电子和光学应用。
2012-07-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
BN white graphene with `colorful' edges--the energies and morphology
界面在低维材料中起着关键作用，如石墨烯或其硼氮类似物，白色石墨烯。h-BN的边缘能量尚未报道，因为其较低的对称性使得难以分离相对的富B和富N之字形侧。我们报告明确的能量值BN的任意边缘，包括依赖于B和N物种的元素化学势。这种依赖性是二元体系中额外的吉布斯自由度的一种有用表现，它提供了一种控制纯BN或其碳夹杂物形态的方法，并设计了它们的电子和磁性。
2011-01-24 cond-mat.mtrl-sci
Free energy of grain boundary phases: Atomistic calculations for $Σ$5(310)[001] grain boundary in Cu
采用原子模拟的方法，证明了具有不同原子结构的晶界（GB）相之间存在定义明确的热力学相变。采用非平衡Frenkel-Ladd热力学积分方法，通过分子动力学模拟，计算了元素Cu中$Σ5 (310) [001]$对称倾斜界面的嵌入原子方法模型的不同界面结构的自由能.结果表明，自由能曲线预测的温度诱导的一阶界面相变在GB结构与计算研究相同的模型系统。此外，在高温GB相的稳定振动熵的作用是明确的。计算结果是能够确定在同源温度小于$0.5$，温度范围特别重要的限制，迄今为止，在模拟GB相变在低温下的方法。GB自由能的计算补充了目前可用的$0\,\mathrm{K}$ GB结构搜索方法，使得GB相图的表征可行。
2018-09-10 cond-mat.mtrl-sci
Formation energy profiles of oxygen vacancies at grain boundaries in perovskite-type electroceramics
氧空位形成能在技术相关的多晶钙钛矿相的电场辅助的异常晶粒生长中起主要作用。原子尺度上的潜在效应被假定为是由于在结构上不同的区域中的不同缺陷形成能，伴随着空间电荷区的形成，在晶粒边界和晶粒的大体积内部区域之间的阳离子和阴离子点缺陷的重新分配。使用基于经典原子间势的原子计算，我们推导并讨论了对称倾斜晶界$Σ$ 5（210）[001]和$Σ$ 5（310）[001]以及非对称倾斜晶界（430）[001]的优化结构。||（100）[001]在电陶瓷钙钛矿材料SrTiO $_3$、BaTiO $_3$和BaZrO $_3$中。我们提出的档案的氧空位形成能在这些GB，并讨论其依赖于成分和晶界类型。
2023-03-09 cond-mat.mtrl-sci
A crystal symmetry-invariant Kobayashi--Warren--Carter grain boundary model and its implementation using a thresholding algorithm
晶界建模的最重要的目的之一是预测大量晶粒的演变，如异常晶粒生长，耦合晶界运动和极端热机械载荷下发生的再结晶现象。Admal等人（2018）最近开发了一个统一的框架来研究晶界与体塑性的共同演化，该框架基于将晶界建模为由基于Kobayashi-Warren-Carter（KWC）模型的能量控制的连续位错（Kobayashi等人，1998年，2000年）。虽然由此产生的统一模型演示耦合晶界运动和结晶（在再结晶中看到），它是有限的阅读-肖克利型，这只适用于小的取向差角的晶界能量。此外，使用有限元的统一模型的实施继承了KWC模型的计算挑战，源于其控制方程的奇异扩散性质。本研究的主要目标是推广的KWC功能的晶界能量超出阅读-肖克利型，尊重晶界的bichtenchallography。KWC模型的计算挑战的解决，通过开发一个阈值的方法，依赖于原始对偶算法和快速行进的方法，从而在O（NlogN）的算法，其中N是网格点的数量。我们通过证明Herring角关系来验证该模型，然后研究二维面心立方铜多晶中的晶粒微结构演化，其中晶体不变性晶界能数据来自Runnels等人的晶格匹配方法。（2016 a，b）。
2021-10-24 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Phase Field Crystal Study of Symmetric Tilt Grain Boundaries of Iron
本文应用相场晶体模型研究了体心立方铁的三维对称倾斜晶界的结构和能量。模型的参数是用最近发展起来的八阶拟合格式[A. Jaatinen等人，B80，031602（2009）]。由该模型得到的晶界自由能与以往的分子动力学模拟和实验结果吻合较好。
2010-06-21 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Examination of computed aluminum grain boundary structures and interface energies that span the 5D space of crystallographic character
本研究构建了包含7304余种独特铝晶界、超4300万种结构的5维晶体学空间计算数据集，分析了能量趋势与构效关系，为晶界研究提供了有价值的公开数据资源。
2022-02-21 cond-mat.mtrl-sci
Binding Energetics of Substitutional and Interstitial Helium and Di-Helium Defects with Grain Boundary Structure in alpha-Fe
探讨了体心立方α-Fe中He原子与晶界相互作用的形成/结合能和长度尺度。使用了十种不同的低西格玛晶界<100>和<110>对称倾斜晶界系统。在这项工作中，然后，我们计算了1-2 He原子的形成/结合能的替代和间隙的网站（HeV，He 2 V，HeInt，He 2 Int）在所有潜在的晶界网站在15埃的边界（52826模拟总数）。目前的结果为所研究的结构提供了有关1-2个He原子与晶界的相互作用能和长度尺度的详细信息。从目前的研究中出现了一些有趣的新发现。例如，我们发现，体心立方Fe中的Sigma 3（112）孪晶边界具有比其他边界小得多的结合能，这对应于在长时间动力学模拟中间隙He缺陷在纳秒量级的模拟中脱离边界的能力，与其他边界相反。此外，我们发现计算的取代He的形成/结合能（即，单空位中的He）与相同原子位置的间隙He、替代He 2和间隙He 2能量具有良好的相关性（R>0.9）。这种相关性断言，每个站点周围的局部环境强烈影响的He缺陷的能量和高精度的量子力学计算的低阶缺陷可能是一个足够的预测高阶缺陷。目前的工作表明，结合能和形成能的He缺陷是重要的理解物理的He扩散和捕获的晶界，这可能是重要的建模他在多晶钢的相互作用。
2013-12-04 cond-mat.mtrl-sci
A Novel Strategy to Strengthen Directionally Solidified Superalloy Through Grain Boundary Simplified Design
Institute of Superalloys Science and Technology, School of Materials Science and Engineering, Zhejiang University（浙江大学材料科学与工程学院超合金科学与技术研究所）；State Key Laboratory of Silicon and Advanced Semiconductor Materials, School of Materials Science and Engineering, Zhejiang University（浙江大学材料科学与工程学院硅与先进半导体材料国家重点实验室）
本研究针对镍基定向凝固高温合金提出去除传统晶界强化元素的减材设计策略，抑制有害晶界相并改变断裂模式，使蠕变性能提升60%达二代单晶合金水平，建立了新的材料设计原则。
2025-11-19 cond-mat.mtrl-sci
Structural Characterization of Grain Boundaries and Machine Learning of Grain Boundary Energy and Mobility
材料数值表示的最新进展为晶界（GB）能量的成功机器学习以及GB迁移率和剪切耦合的分类开辟了道路。这些机器学习应用程序需要两种表示：1）ASR表示，基于平均本地环境描述符; 2）LER描述符，基于整个GB系统内的全局唯一本地环境的分数。我们提出了一个详细的教程如何构建这两个表示学习能量，流动性和剪切耦合。此外，我们还对在此过程中遇到的一些空结果进行了编目。
2018-08-15 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Quantifying the Energetics and Length Scales of Carbon Segregation to Fe Symmetric Tilt Grain Boundaries Using Atomistic Simulations
杂质向晶界的偏聚对多晶材料的稳定性和宏观行为都起着重要的作用。在这项工作中的研究目标是更好地表征与溶质和杂质偏析到晶界的过程中所涉及的能量和长度尺度。利用分子动力学模拟计算了Fe中125个对称倾斜晶界数据库中碳在多个晶界位置的偏聚能。模拟结果表明，晶界附近大部分原子位的偏聚能低于体相中的原子位。此外，取决于边界，偏聚能量接近体值大约5-12毫米远离晶界的中心，提供了一个能量的长度尺度的碳偏析。该数据集的后续数据简化和统计表示提供了关键信息，例如关于碳原子的平均偏析能量和相关能量分布作为与晶界的距离的函数，其定量地告知具有捕获Fe中杂质的偏析行为所需的能量和长度尺度的更高尺度模型。这项研究的意义是一种方法的发展，能够确定偏析能量在很宽的范围内的晶界特性（典型的多晶材料中观察到的），在此已被应用到碳偏析在一个特定类别的晶界铁。
2013-02-12 cond-mat.mtrl-sci
Energetics of vacancy segregation to symmetric tilt grain boundaries in HCP materials
分子静态模拟HCP金属中的190个对称倾斜晶界被用来理解空位偏析的能量学，这对于在恶劣环境中设计稳定的界面是重要的。模拟结果表明，晶界的局部排列和由此产生的结构单元对空位结合能的大小有显著的影响，并且每个晶界内的位置-位置变化是很大的。比较不同c/a比材料中每个位置的空位结合能表明，结合能随着c/a比的增加而显著增加。例如，在[1-210]倾斜轴中，c/a=1.5811的Ti和Zr具有比c/a=1.6299的Mg低的空位结合能。此外，当将所有三种元素中所有190个晶界的晶界能与相同晶界的空位结合能作图时，显示出高度负相关（r = -0.7144），其线性拟合比例常数为-25 ang^2。这对于极端环境损伤产生晶格缺陷并且晶界充当空位和间隙原子的汇的应用是重要的。
2013-12-10 cond-mat.mtrl-sci
Machine learning insights into band gap properties in halide-based perovskites
State University of New York at Binghamton（纽约州立大学宾汉姆顿分校）；University of North Carolina at Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校）
利用集成树方法（RFR、GBRT、XGB）基于原子和结构特征预测多种卤化物钙钛矿的带隙能量，并识别关键描述符（B/X位元素性质、A/B位原子数），为新材料设计提供指导。
2026-06-17 cond-mat.mtrl-sci
Structural disjoining potential for grain boundary premelting and grain coalescence from molecular-dynamics simulations
我们描述了一个分子动力学框架的直接计算的短程结构力的晶界预熔化和晶粒聚结凝固。该方法应用于（i）一个西格玛9 <115>120度扭曲和（ii）一个西格玛9 <110>{411}对称倾斜边界在一个经典的嵌入原子模型的元素镍的比较研究。虽然这两个边界的特点是高度无序的结构附近的熔点，在这些边界中的无序区域的宽度的温度依赖性的性质是定性不同的。前者的边界显示的行为与一个gramically发散的预熔层厚度从下面的熔化温度接近一致，而后者显示的行为具有有限的晶界宽度在熔点。它表明，这两种类型的行为可以定量描述内的尖锐的界面热力学形式主义，涉及宽度依赖的界面自由能，被称为分离的潜力。边界（i）的分离势计算显示出对宽度的单调指数依赖性，而边界（ii）的分离势具有弱吸引极小值。这项工作的结果进行了讨论，最近的模拟和理论研究的热力学力的晶界预熔。
2010-01-04 cond-mat.mtrl-sci
The effects of Vanadium on the strength of a bcc Fe Σ3(111)[1-10] grain boundary
采用密度泛函理论计算研究了微合金化元素钒对体心立方Fe_（111）[1-10]对称倾斜晶界强度的影响。通过第一性原理计算得到了晶界结构的最低能量组态。比较了钒在晶界上的替位和填隙点缺陷形成能。替代型缺陷优于间隙型缺陷。计算了钒在晶界和断口上的偏聚能。含钒和不含钒的晶界的结合能计算表明，钒强化了bcc铁113（111）[1-10]晶界。
2012-01-27 cond-mat.mtrl-sci
Consistency Check of Segregation Energies of Elements at Ni and Fe Grain-Boundaries
对先进功能材料的需求预计将推动粉末冶金，其中粉末表面上的杂质在晶界偏析处被并入。本文有三个目的。首先，我们分析了Ni和Fe宿主的报道数据是否可以与化学元素的基本热力学数据相关联。第二个目标是一致性检查，建议适用于任何数据库。第三个目标，是50个最重要的元素的信息是否可以为未知数据的预测提供额外的信息。分析数据是否一组基本数据足以表征分离。使用用于主成分分析（PCA）的软件R分析溶剂的数据。我们将这些数据与纯元素的门捷列夫数和热力学数据进行了分组和关联。结果表明，脆化主要取决于化学键，而机械因素对脆化的影响较小。令人惊讶的是，晶界类型的几何形状，如层间距离和局部原子体积只有很小的影响。
2020-02-13 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Vacancies on Hydrogen Mobility and Trapping in Elemental Fe and Cr: A DFT and kMC Study
Material Science Group, Indira Gandhi Centre for Atomic Research（印度核研究中心原子研究中心材料科学组）；HBNI（印度巴巴原子研究所）
通过DFT和kMC多尺度方法，研究了空位对BCC Fe和Cr中氢迁移和捕获的影响，发现Cr中氢捕获更强，空位显著降低氢迁移率并增加有效活化能。
2026-05-27 cond-mat.mtrl-sci
Energetics of Cs in Sigma3 grain boundary of 3C-SiC
采用密度泛函理论研究了3C-SiC中σ 3晶界Cs缺陷的能量学，以了解晶界在Cs扩散中的作用及其最终从三结构各向同性燃料颗粒（TRISO）中的释放. Cs在Sigma 3晶界处比在SiC块体中稳定得多，晶界处的形成能比块体中显著降低（7- 17 eV）。它被发现有甚至更低的形成能比Ag在Sigma 3晶界，而这种趋势是相反的，在体SiC中，如先前从类似的密度泛函理论计算证明。在此基础上，提出了通过晶界工程控制Cs从SiC层中释放的可能途径。
2016-04-08 cond-mat.mtrl-sci
Prediction of grain boundary structure and energy by machine learning
由于原子组态的不同，晶界对多晶材料的性能有着显著的影响。为了充分理解晶界与材料性能之间的关系，对晶界原子结构的系统研究是至关重要的。然而，这样的研究受到确定单个晶界结构所需的大量计算的限制。如果能用更有效的计算来预测结构，那么对晶界的理解将大大加快。在这里，我们使用机器学习技术预测晶界结构和能量。训练数据的非线性回归的四个倾斜晶界的铜。回归分析的结果被用来预测12个其他晶界结构。该方法准确地预测了晶界的结构和能量。本研究所提出的方法是非常通用的，可以用来理解许多复杂的接口。
2015-12-11 cond-mat.mtrl-sci
Radioactive isotopes reveal a non sluggish kinetics of grain boundary diffusion in high entropy alloys
高熵合金是近年来出现的一类新型多元材料，具有良好的高温应用前景。相稳定性和蠕变变形是高温材料的两个关键选择标准，它们主要受组成元素沿晶界（GB）扩散的影响。首次采用$^{63}$ Ni同位素进行放射性示踪分析，测量了Ni在化学均质CoCrFeNi和CoCrFeMnNi HEAs中的GB扩散。原子探针断层扫描证实了在GB处不存在元素偏析，这允许GB宽度的可靠估计为约0.5nm。我们的GB扩散测量证明，仅仅增加组成元素的数量不会降低HEAs中的扩散速率，但添加成分的性质起着更决定性的作用。两种HEA中的GB能量估计为约0.8-0.9 J/m $^2$，发现它们随温度显著增加，并且对于CoCrFeMnNi合金，效果更明显。
2017-07-12 cond-mat.mtrl-sci
Core shift controls grain boundary energy scaling in Cu and Al
关联了不同元素的晶界能。在任意两个f.c.c.元素几乎是恒定的，但铝是显著的例外，已知铝的这些常数变化很大。然而，铝的特殊行为的起源还不清楚。以前，我们报道过，对于面心立方金属，有一种倾向，即边界的倾斜轴在（1-10）平面上向[112]移动，并最终形成低能[112]核心移动边界（CSB）。通过比较铜和铝在（1-10）平面内具有不同倾斜轴的晶界能，我们现在报告在小角度晶界的情况下存在定义明确的标度行为。相比之下，高角度边界的缩放常数基本上是固定的，无论其倾斜轴偏移如何。这导致从低角度到高角度边界的标度常数逐渐变化，这是铝中发现的明显异常标度行为的原因。核心转移过程中的结构演变的分析点的意义的边界核心解离，在边界处的单个原子的相关弛豫的形式，在控制边界能量的缩放。
2023-02-11 cond-mat.mtrl-sci
Data-mining of dislocation microstructures: concepts for coarse-graining of internal energies
位错塑性的连续体模型需要本构闭合假设，例如，通过将位错微观结构的细节与能量密度相关联。目前，还没有系统的方法从参考模拟（例如离散位错动力学或分子动力学）中导出或提取这样的信息。在这里，提出了一种新的数据挖掘方法，通过该方法可以从离散位错系统中提取能量密度数据。我们的方法依赖于一个系统的和受控的粗粒化过程，从而与感兴趣的长度尺度一致。对于数据挖掘，使用了从2D和3D离散位错动力学模拟生成的一系列不同的位错微观结构。数据集的分析结果在能量密度配方作为各种位错密度场的函数。该方法解决了位错微结构粗晶化过程中体素尺寸相关能量计算的长期问题。因此，它是任何连续位错动力学模拟的关键。
2020-12-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Phase-field approximation of sharp-interface energies accounting for lattice symmetry
本文提出了一种考虑晶格对称性的相场近似方法，用于模拟多晶中的晶界能及晶粒生长。
2026-01-12 cond-mat.mtrl-sci math.FA
Ab initio modelling of UN grain boundary interfaces
一氮化铀（UN）是一种被认为是第四代核反应堆燃料的有希望的候选材料。不幸的是，空气中的氧气会影响UN燃料的性能和稳定性。因此，有必要了解氧的吸附和进一步的UN氧化在本体和表面的机制。最近，我们利用密度泛函理论（DFT）对氧与UN表面的相互作用进行了详细的研究。我们能够确定UN表面氧化的原子机制，该机制由几个重要步骤组成，从氧分子解离开始，到氧原子结合到表面空位中结束。然而，在现实中，大多数过程发生在界面和联合国晶界上。在这项研究中，我们提出的第一个DFT计算的结果，使用GGA交换相关功能PW91执行到VASP计算机代码中的UN晶界内的O行为。我们考虑一个简单的界面（310）[001]（36.8°）倾斜晶界。N空位形成能和O掺入到晶界中预先存在的空位中的能量以及O溶解能与UN（001）和（110）表面获得的那些进行了比较。
2012-11-24 cond-mat.mtrl-sci
Binding of He$_n$V Clusters to $α$-Fe Grain Boundaries
本研究的目的是探讨形成/结合能和长度尺度与He $_n$ V团簇和bcc $α$ -Fe中晶界之间的相互作用。在这项工作中，我们计算了1-8 He原子的形成/结合能的单空位在所有潜在的晶界网站内15个选定的10个晶界（122106模拟总数）。本文的结果提供了有关1- 8 He原子与所研究结构的晶界相互作用能和长度尺度的详细信息。从目前的研究中出现了一些有趣的新发现。首先，$\Sigma3$（112）“孪生”GB对所有He $_n$ V团簇的结合能明显低于本研究中的所有其他边界。对于所有的晶界网站，每个网站上的He $_n$ V的形成和结合能的本地环境周围的效果随着在He $_n$ V集群中的He原子的数目的增加而减小。基于计算的数据集，我们制定了一个模型来捕获的形成和结合能的演变的He $_n$ V集群作为从GB中心的距离的函数，仅利用常数相关的最大结合能和长度尺度。
2014-01-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Surface energies of stoichiometric FePt and CoPt alloys and their implications for nanoparticle morphologies
我们用密度泛函理论计算了单原子Fe、Co和Pt以及二元有序FePt、CoPt和MnPt的各种低指数表面的表面能和表面磁序。我们的研究结果表明，元素，Pt覆盖的表面是首选的Fe和Co覆盖和混合表面相同的取向。混合表面的最低能量取向是高度配位的（111）表面。我们发现Pt覆盖的（111）表面，这只能在L11结构中实现，与混合L10（111）表面相比，能量低约400 meV/atom。我们的结论是，这种低表面能稳定的L11结构的小纳米粒子，这是抑制在块体合金，但最近已合成的薄膜的CoPt。从表面能和体积能的相互作用，可以估计单晶有序纳米颗粒的平衡形状和不同排序之间的交叉尺寸。
2009-11-27 cond-mat.mtrl-sci
Efficient prediction of grain boundary energies from atomistic simulations via sequential design
基于数据的材料科学是加速材料设计的新希望。特别是在计算材料科学中，数据生成可以很容易地自动化。通常，重点是处理和评估数据，以获得规则或发现新材料，而很少关注生成数据的策略。在这项工作中，我们表明，通过顺序设计的实验方案，从数据中生成和学习的过程可以结合起来，发现参数空间的相关部分。我们的例子是晶界的能量作为其几何自由度的函数，通过原子模拟计算。该晶界能量空间或甚至其子空间的采样由于能量的深尖点的存在而代表挑战，所述深尖点位于几何参数的不规则间隔处。因此，现有的方法来采样晶界能子空间，要么需要大量的数据点或这些尖点的位置的先验知识。我们结合统计方法与原子模拟和顺序抽样技术，并比较这种策略的定期抽样技术。因此，我们证明了这种顺序设计能够在自动找到未知尖点的同时以最小数量的点对子空间进行采样。
2021-11-26 cond-mat.mtrl-sci stat.ME
A Coordination-Based Model for the Prediction of Surface Energies and the Shape of Metal Particles
本研究提出一种基于配位数的金属基体系能量预测模型，经后过渡金属DFT计算验证，无需DFT即可实时预测表面能并实现任意原子数金属颗粒的Wulff构造，分层优化后精度提升，可为纳米颗粒表面分布与稳定性研究提供有效支撑。
2025-06-18 cond-mat.mtrl-sci
Modeling solute-grain boundary interactions in a bcc Ti-Mo alloy using density functional theory
本研究利用密度泛函理论计算了Y、Zr和Nb在bcc Ti-25 at% Mo合金中向S5晶界的偏聚能，发现溶质更倾向于偏聚至Mo位点，且偏聚能趋势主要由弹性相互作用决定，与溶质尺寸成正比。
2025-03-05 cond-mat.mtrl-sci
Time-temperature superposition in grain and grain boundary response regime of A2HoRuO6 (A = Ba, Sr, Ca) double perovskite ceramics: A Conductivity Spectroscopic Analysis
在多晶双钙钛矿氧化物A_2HoRuO_6（AHR; A = Ba，Sr，Ca）的交流电导率域中，研究了晶粒和晶界响应的时温叠加原理，寻求一个合适的普适标度因子.随着离子半径的减小，样品显示出从立方到单斜的不同结构相。材料中的变形程度通过键价和（BVS）与键合强度相关。所有样品的电导率谱均服从幂律行为。不同的微观结构特征的导电过程的贡献。直流电阻率的热变化指向从最近邻到可变范围跳变的逐渐交叉。从直流电导率，跳跃频率和弛豫频率得到的激活能显示导电和弛豫机制之间的密切相关性。AHR的比例电导率曲线表明，存在两个不同的导电过程与不同的激活能在晶界和晶粒响应制度。由此得出结论，当材料中同时存在两个不同的热激活区时，单一的标度参数不足以普遍满足时温叠加原理。
2017-07-04 cond-mat.mtrl-sci
Modeling Grain Boundaries using a Phase Field Technique
提出了一个描述晶粒碰撞粗化过程的二维框架不变相场模型。本文给出了双晶体中稳定晶界的一维解析解，并计算了平衡能。我们能够计算两个固定取向的晶粒之间的自由晶粒的旋转速率。对于一个特定的选择模型中的功能依赖性的晶界能量采取相同的解析形式的微观（位错）模型的阅读和肖克利。
1998-08-28 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio simulations of oxygen interaction with surfaces and interfaces in uranium mononitride
本文介绍了用DFT超原胞方法计算UN（001）和（110）面以及倾斜晶界上氧行为的结果。用不同厚度和超晶胞尺寸的二维平板模拟了氧在（001）和（110）面上的吸附、迁移和掺入。计算了N空位形成能和氧掺入能随温度的变化关系。我们表明，O原子很容易渗透到UN表面和晶界含有N空位，由于负的掺入能和一个小的能量障碍。在两个密集堆积的表面和倾斜晶界的N空位形成和O原子掺入其中的吉布斯自由能进行了比较。它也已被证明，吸附的氧原子是高度流动的，结合容易纳入表面N空位，解释了有效的（但不必要的）氧化UN表面。讨论了UN氧化可能形成氮氧化物的原子机制。
2012-11-24 cond-mat.mtrl-sci
A Rule of Solute Segregation at Grain Boundaries
控制溶质在晶界的偏聚对合金的工程性能至关重要，但其关键参数--偏聚能的构效关系至今仍不清楚。在这里，我们提出了电子和几何描述的GB偏析的基础上的价，电负性和大小的溶质和非本地的配位数的自由表面，我们建立了一个预测框架，以确定跨不同的溶质，矩阵，GB结构和偏析网站的偏析能量。该框架不仅揭示了GB偏析中溶质和基质的耦合规律，而且揭示了溶质偏析决定因素的来源。溶质的贡献基本上源于他们的d-和s-状态耦合合金化，而基体GB接口是由基体自由表面。我们的方案建立了一个新的图片在晶界的溶质偏析，并提供了一个有用的工具，先进合金的设计。
2022-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Topological transitions during grain growth on a finite element mesh
在具有均匀晶界能的材料中的晶粒生长期间发生到晶界网络的拓扑转变被认为是已知的。对于更现实的材料，情况并非如此，因为更一般的晶界能原则上允许更多可行的晶界构型。因此，在这种材料中模拟晶粒生长需要一个程序来枚举所有可能的拓扑转变，并选择能量最有利的一个。这样的程序是开发和实施在这里的体积有限元网格表示的微观结构。作为一个具体的例子，所有可能的过渡为一个典型的配置与五个晶粒周围的交界点被枚举，和一些特殊的过渡被发现是在能量上类似于传统的，即使是一个统一的边界能量。一个通用的离散公式来计算晶界速度是用来模拟晶粒生长的一个例子的微观结构。该方法被实现为基于SCOREC的C++库，SCOREC是一个开源的大规模并行化库，用于自适应网格的有限元模拟。
2021-01-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Stacking fault energy of face-centered cubic metals: thermodynamic and ab initio approaches
面心立方（fcc）和六方密堆积（hcp）结构之间界面的形成能是使用热力学计算确定fcc金属和合金的堆垛层错能（SFE）的关键参数。平面断层能量对超临界流体的贡献通常与体积部分的贡献具有相同的数量级，因此缺乏关于它的精确信息可能成为热力学预测的限制因素。在这里，我们区分了共格fcc（111）/hcp（0001）界面的实际界面能和进入SFE热力学表达式的“伪界面能”。利用第一性原理计算，我们确定了六种元素金属（Al，Ni，Cu，Ag，Pt和Au）和三种顺磁性Fe-Cr-Ni合金的共格和赝界面能。我们的研究结果表明，这两个界面能显着不同。我们观察到一个强烈的化学依赖的界面能。计算的Fe-Cr-Ni钢的赝界面能与文献数据吻合较好。
2015-11-27 cond-mat.mtrl-sci
Cs diffusion in SiC high-energy grain boundaries
铯（Cs）是一种放射性裂变产物，其释放是三结构各向同性（TRISO）燃料颗粒的关注点。本文采用从头算动力学蒙特卡罗（kMC）模型研究了Cs在立方SiC高能晶界（HEGB）中的扩散。HEGB环境被建模为非晶SiC（a-SiC），并且使用密度泛函理论（DFT）计算Cs缺陷能。从缺陷能的角度分析，Cs在非晶SiC中的最快扩散机制为Cs间隙原子。Cs间隙的扩散使用kMC，基于从DFT采样的位置和过渡态能量。在1200-1600°C范围内，Cs的HEGB扩散表现出Arkanius型扩散。与其他研究结果的比较表明，不仅GB扩散占主导地位的体扩散，而且HEGB是最快的晶界路径Cs扩散。HEGB中的扩散系数显然比堆内和堆外样品中报告的扩散系数低几个数量级，这表明其他贡献是负责任的，例如辐射增强扩散。
2017-09-11 cond-mat.mtrl-sci nucl-th
Grain boundary segregation of interstitial and substitutional impurity atoms in alpha-iron
多晶材料的宏观行为受到由杂质和缺陷的存在引起的局部性质变化的影响。这些杂质在原子尺度上的影响可以使内部的晶界脆化或强化。因此，必须了解与偏析相关的能量学，以设计具有理想性能的材料。在这里，采用分子静力学模拟来分析与各种元素（He、H、C、P和V）向α-Fe中的四个<100>（Sigma 5和13 GB）和六<110>个（Sigma 3、9和11 GB）对称倾斜晶界的偏析相关的能量学。这些知识对于在恶劣环境中设计稳定的接口非常重要。模拟结果表明，在GB区域内的本地原子排列和由此产生的结构单元的杂质（间隙和替代）原子的结合能的大小有显着的影响。这一数据还表明，在边界内的能量的站点到站点的变化是相当大的。比较所有10个边界的结合能表明，σ 3（112）边界具有小得多的结合能的所有间隙和替代杂质原子在这里检查的边界。此外，基于Rice-Wang模型，我们的总能量计算表明，V对Fe晶界凝聚力有显着的有利影响，而P对晶界凝聚力有不利影响，比H和He弱得多。这对于极端环境损伤产生晶格缺陷和晶界作为间隙和替代杂质原子的汇的应用是重要的。这种方法为我们提供了一个工具，以有效地识别本地以及全球的隔离行为，可以影响GB的凝聚力。
2013-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Relative Grain Boundary Energies from Triple Junction Geometry: Limitations to Assuming the Herring Condition in Nanocrystalline Thin Films
本研究针对纳米晶薄膜，将相对晶界能提取技术应用于PED数据，发现传统Herring条件无法准确描述其三叉晶界几何，需考虑额外几何因素。
2022-10-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Atomic-scale analysis of liquid-gallium embrittlement of aluminum grain boundaries
在这项工作中，我们探索的作用，原子尺度的能量对液体金属脆化的铝由于镓。采用从头算和分子力学方法研究了Al中Ga和STGB的空位结合能和分凝能<100><110><111>，发现GB的局域排列和结构单元对空位结合能的大小有重要影响.例如，发现第一层处的、和STGB的平均空位结合能<100><110><111>为-0.63eV、-0.26eV和-0.60eV。然而，一些GB表现出更接近本体值的空位结合能，表明具有零下沉强度的界面，即，这些GB可能不提供空位扩散的有效路径。结果表明，GB结构及其自由体积对Ga的偏聚和随后的脆化也有重要作用，第一层的Ga、和STGB的平均偏聚能<100><110><111>分别为-0.23 eV、-0.12 eV和-0.24 eV，表明GB结构单元、其自由体积、隔离行为。此外，随着GB自由体积的增加，第1层和第0层之间的偏析能的差异增加。因此，GB字符和自由体积提供了一个重要的关键，以了解在各种系统中的各向异性程度。整体特征Ga吸收长度尺度被发现是约10，8，和12层，分别为<100><110>，和<111>STGB。此外，几个不同的倾斜轴与相对较高的偏析能量（0和-0.1 eV之间）在边界的GB也被发现。这一发现提供了一个新的原子视角的GB工程材料与智能GB网络，以减轻或控制LME和更普遍的脆化现象的合金。
2014-01-22 cond-mat.mtrl-sci
The Binding Energies of Atoms on Amorphous Silicate Dust: A Computational Study
University of Gothenburg（哥德堡大学）；Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）；University of Rennes（雷恩大学）；SINTEF（辛特夫研究所）
研究通过计算硅酸盐尘埃上原子的结合能，发现Si、Ca和Al原子结合能较大，而其他原子结合能较弱，但整体仍强于星际介质环境温度，表明硅酸盐颗粒稳定性良好。
2025-08-26 astro-ph.GA cond-mat.mtrl-sci
What can the activation energy tell about the energetics at grain boundaries in polycrystalline organic films?
该研究结合实验与动力学蒙特卡洛模拟发现，活化能随晶界数量增加而升高，但无法反映晶界处的微观能量景观，仅能作为薄膜的一般质量指标。
2023-08-01 cond-mat.mtrl-sci
Analytic model for grain-boundary segregation ener-gies in metal polycrystal
本文针对金属多晶体晶界偏析问题，提出统一塑性应变与键断裂的解析框架，准确预测了不同溶质与基体的偏析能量，揭示了晶界键合特性并为高性能合金设计提供有效工具。
2024-12-21 cond-mat.mtrl-sci
Oxygen vacancy segregation and space-charge effects in grain boundaries of dry and hydrated BaZrO3
应用空间电荷模型描述了钙钛矿氧化物BaZrO 3的干态和湿态受主掺杂样品中双施主氧空位向晶界偏析的平衡效应。计算了不同空位偏聚能引起的晶界中心空位浓度和静电势垒。利用密度泛函方法计算了空位在镜面对称的α 3（112）[-110]倾斜晶界上的偏聚。我们的研究结果表明，氧空位偏析可以负责低晶界质子电导率BaZrO 3的文献报道。
2012-02-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Segregation to grain boundaries in disordered systems: an application to a Ni-based multi-component alloy
本研究针对实际工程合金的成分无序问题，以镍基模型合金的Σ5晶界为例，证明成分无序会产生偏聚能谱，并将其用于晶界富集统计评估以提取相关热力学参数，拓展了晶界偏聚研究领域。
2025-02-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
