薄膜材料综述要点(2)

玻璃不同的成分、原料和制备工艺而得到的玻璃材料及制品的要求越来越高，尤其是在信息技术、生命科学、新能源与再生能源、新材料、海洋科学、环境保护方面表现得尤为突出。各种统计数据和市场预测也表明，对于新型玻璃功能材料的开发和推广成为玻璃行业主要发展趋势之一。 新型玻璃薄膜材料的设计方法

研究和开发新型材料方法主要有两个，即传统的试错方法和建立在经验和理论基础上的理论计算方法。这两种方法各有所长，相辅相成，相互结合，促成了新材料的不断创新和新产品的不断诞生。然而，采用这两种方法，从新材料研发到市场应用时间跨度非常长，某种新材料从最初的研究开发，经性能优化、系统设计与集成、验证、制造到首次投入市场通常需要10-20年时间。在更加注重资源与效率的今天，传统的实验研究盲目性的缺点日渐突出，过多的实验研究会造成成本上升和自然资源、社会资源的极大浪费。与之相对应的，随着理论上的不断突破以及计算机技术的飞速发展，人．们可以根据所需要的材料结构和性能，设计出满足要求的材料，即材料设计(materials design)方法。 关于材料设计方法

材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料 。这是人们长期追求的目标，目前并未完全实现。尽管如此，由于凝聚态物理学、量子化学等相关基础学科的深入发展，以及计算机能力的空前提高，使得材料研制过程中理论和计算的作用越来越大，直至变得不可缺少。在1995年美国国家科学研究委员会(Nastional Re．search Council，NRC)邀请众多专家经过调查分析，编写了《材料科学的计算与理论技术》这一专门报告。在开篇前言中明确提出：“materials bydesign(设计材料)”一词正在变为现实，它意味着理论在材料研制与应用过程中的作用不断增长。研究者今天已处在运用理论和计算来“设计”材料的初期阶段，其应用也在高速发展。到2011年6月底，白宫又发布了美国国家科学技术委员会起草的“材料基因组计划”白皮书(Materials GenomeInitiative，MGI)，提出要实现材料领域发展模式的转变，把新材料研发和应用的速度从目前的1 0-20年缩短一半，并把对材料创新发展的认识提升到国家安全的高度 。

在材料设计的表达上，各个国家略有差别，但含义一致。如在1985年日本学者就提出了“材料设计学”一词 。中国从1983年提出，在1986年实施的中国科学技术发展长远规划，提出抓好一批重点基础研究项目，对新材料领域提出了探索不同层次微观理论指导下的材料设计这一要求 ，在后续的国家高技术研究发展计划中的材料领域，设立了“材料微观结构设汁号i生能预测”研究专题。而把材料设计称为材料“计算机分析与模型化”(computer-based analysis and

modeling)，是美国学者在《90年代材料科学与工程》报告中提出的。 材料设计可按研究对象的空间尺度不同而划分为3个层次：微观设计层次，是涉及空问尺度约1nm量级的原子、电子层次的设计；连续模型层次，典型尺度在约1nm量级，此时材料被看成连续介质而不考虑其中单个原子、分子的行为；工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。给出了材料研究中的理论方法、空间尺度及相互作用时间三者的对应关系 。 近年来，材料设计或材料的计算机分析与模型化日益受到重视的主要原因有以下几点：

1)凝聚态物理、量子力学、热力学与统计力学、计算物理学等相关学科在理论概念和方法上有了快速发展，为材料从原子、分子层次的纳米尺度结构设计提供了理论基础。

2)随计算机芯片的速度、存储容量提升和软件的易操作性提高，几年前无法解决大分子模型计算与数据分析的瓶颈问题被打破，且这种解决问题能力还将随计算机发展不断提升。

3)用计算机模拟复杂的物理、化学过程，解决材料研究和制备问题，部分甚至全部替代复杂实验，是材料研究的先进手段。特别是现实条件难以实施或无法实施的极端条件实验，理论分析和模拟计算可在无实物消耗情况下提供有效的信息。

4)计算机技术的进步，还带动了科学测试仪器的发展，提高了设备的分辨能力、定量测量的精度和可靠性，为分析、验证模拟计算优化后的材料实验结果，提供了丰富、翔实的实验数据，为进一步完善理论设计提供了技术支撑。

5)材料制备技术的整体提升，使以原子、分子为起始设计的材料合成并在微观尺度上控制其结构的目标得以实现。例如，在高真空条件下的分子束外延、纳米粒子组合、调制、胶体化学方法等。这类材料研究、制备设备，在利用得到的材料微观设计的结果加以制备和验证方面，显然是不可缺少的并且大有用武之地。 材料设计的技术途径

材料设计方法主要是从第一性原理出发进行演绎计算或在经验规律基础上进行归纳，或二者的交叉、组合。材料设计的技术途径可分为：

1)建立材料知识库和数据库技术。材料知识库和数据库就是以存取材料知识和性能数据为主要内容的数值数据库。国际上的材料数据库正朝着网络化、标准化、智能化和商业化的方向发展。智能化使材料数据库发展成为专家系统；网络化将分散的、彼此独立的数据库相联而成为一个完整系统。在特定的专业领域完成材料知识库和数据库技术积累，就可以解决该领域的一系列相关问题”。利用材料知识库和数据库辅助材料设计的一个典型例子，就是在日本提出材料设计概念的

三岛良绩等人，他们建立的计算机辅助合金设计(Corn—puter Aid Alloy Design)系统， 目标是为未来的可控热核反应炉设计和选择材料。为此，他们在计算机中储存了与合金设计相关的信息，包括各种元素的基本物理化学数据，合金相图、物性参数，各种经验方程式，各类合金体系的实验数据，各种合金用途以及相关文献记录等。还以元素的百分含量为坐标，构筑了70多种元素的多维空间，将上述各种信息记录在此多维空间中，依据一定程序实现了计算机辅助合金设计。在玻璃薄膜行业也已经形成国际化的标准组织(Lawrence Berkeley Na—tional Laboratory)收集来自不同单位的样品数据，完善名为window的数据库软件并为行业窗口材料的科学选择提供服务 。

2)材料设计专家系统。材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。国际上应用最广泛的是材料设计专家系统以及基于人工神经网络的材料专家系统。在材料学领域的特定范围和一定程度上，它能为一类特定性能材料的制备提供指导，帮助技术人员进行新产品的开发。专家系统还可以连接(或内含)数据库、模式识别系统和各种运算模块。这些模块的综合运用可以有效地解决设计中的有关问题o无机玻璃工程师系统(GE—SYSTEM)就是玻璃领域内的一个典型例子，这一专家系统可以对玻璃配方进行系统设计、依据期望的玻璃成品特性需要做出原料成分的调整。

3)材料设计中的计算机仿真。采用计算机仿真模拟，通过设计好一系列的合成路线来获得目标材料，并能够了解这些材料的纳米和微观相结构，得出实验结果可以指导新材料研究，也是材料设计中有效方法之一 。材料设计中的计算机模拟的对象从原子、分子相互作用开始，到材料使用性能特征的全过程，包括元素合成、分子结构、性能、制备条件和应用特征等。例如，在利用计算机模拟玻璃基片上沉积的功能薄膜的微结构时，可以计算出不同元素构成的

膜层成分、在不同 …… 此处隐藏：4726字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……