α-HgI2晶體附著能的計算

陳 靜，許 崗，袁 昕，楊叢笑，侯雁楠

(1.西安工業(yè)大學 材料與化工學院，西安 710021；2.西安理工大學 材料科學與工程學院，西安 710048)

α-HgI2是室溫穩(wěn)定相，屬四方結(jié)構(gòu)，空間群P42/nmc，在核輻射探測、醫(yī)學成像、土壤環(huán)境及安全檢測等領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用[1-4].無論是多晶薄膜還是塊晶，規(guī)則形貌的晶體可以直接應(yīng)用于器件的制備而無需加工，大大提高了晶體/材料的使用效率，因此，晶體生長中形貌控制具有重要的商業(yè)應(yīng)用價值[5-6].晶體形貌受晶體結(jié)構(gòu)和生長參數(shù)的控制[7-8]，因此，從內(nèi)在和外在兩個角度研究晶體形態(tài)控制，對于深度認識晶體結(jié)構(gòu)和環(huán)境影響因素具有重要意義[9-10].

1 附著能計算流程

1) 利用MS軟件的Forcite模塊計算出晶胞的晶格能Elattice；

2) 通過BFDH法選出理想情況下的晶貌顯露面(hkl)；

3) 根據(jù)步驟2中晶面(hkl)，利用切面法中的cleave surface對晶面切面 (注：所切晶面位置、大小即厚度的隨機性會導致步驟4計算結(jié)果不唯一)；

圖1 切面合理性判定流程

通過封端將非收斂結(jié)構(gòu)法轉(zhuǎn)換為收斂結(jié)構(gòu)時，由于改變了晶體的對稱性并刪除了原結(jié)構(gòu)的部分化學鍵，從而減少了結(jié)構(gòu)原本的化學鍵能，因此通過生長形態(tài)法計算的收斂結(jié)構(gòu)的附著能結(jié)果錯誤，如圖1虛線所示.但該操作會附帶顯示對應(yīng)的唯一二維晶面結(jié)構(gòu)圖，觀察其分子間的位置關(guān)系(排列順序和對稱關(guān)系)，在切面法得到的多個二維晶面圖中選出一個與之最接近的二維晶面結(jié)構(gòu)圖作為有效二維晶面圖進行計算.為了驗證該方法的合理性，首先采用流程一計算了β-HgI2晶體的附著能.

2 結(jié)果與討論

2.1 β-HgI2晶體的附著能

2.1.1 生長形態(tài)法

使用MS軟件中的Morphology模塊的生長形態(tài)法對β-HgI2晶體進行形貌模擬，其模擬形態(tài)與文獻[20]顯示一致，如圖2所示.由圖2的形貌模擬圖可以看出，β-HgI2晶體主要顯露晶面為(001)、(110)、(111)、(020)和(021).模擬計算得到的主要晶面的附著能見表1.

圖2 生長形態(tài)法則模擬的β-HgI2 晶體形貌

表1 生長形態(tài)法模擬的β-HgI2主要晶面的附著能

2.1.2 封端法輔助切面法

利用封端法對β-HgI2進行處理，并使用生長形態(tài)法對其模擬后得到相應(yīng)晶面唯一的二維晶面圖，如圖3所示.對照圖3中各晶面的二維晶面圖，觀察圖中分子間的排列順序和對稱關(guān)系，通過cleave surface工具切出五個顯露晶面(001)、(110)、(111)、(010)和(021)，每個二維切面中均含有四個HgI2分子，如圖4所示.

圖3 封端法處理的β-HgI2二維晶面圖

圖4 β-HgI2晶體主要晶面的二維切面圖

表2 切面法計算β-HgI2 晶體各面的附著能

2.2 α-HgI2晶體的附著能

由于α-HgI2的空間結(jié)構(gòu)群為P42/nmc，該空間點陣群是由化學鍵連成的無限二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).而Growth Morphology方法因軟件力場設(shè)定缺陷，對非收斂結(jié)構(gòu)類型晶體的附著能無法計算.因此計算α-HgI2的附著能不能采用生長形態(tài)法，應(yīng)采用已經(jīng)通過驗證的封端法輔助切面法

通過cleave surface工具切出三個顯露面(001)、(011)和(110)，每個二維切面中均含有兩個HgI2分子，(001)面在cleave face后結(jié)構(gòu)唯一，而(011)和(110)在cleave surface后有兩種相近情況，如圖5所示.

圖5 α-HgI2晶體主要晶面的二維切面圖

對α-HgI2進行封端，并使用生長形態(tài)法對其模擬后得到(011)和(110)的唯一二維晶面圖，如圖6所示.將圖5與圖6進行對比，發(fā)現(xiàn)圖5中(011)和(110)位置2的二維晶面圖與圖6中原子的排列順序和對稱關(guān)系相一致，均為中心對稱圖形，因此選擇位置2作為合理切面來計算附著能.

使用Forcite模塊計算出α-HgI2的晶格能為Elattice=-36.15 kJ·mol-1，使用切面法對其進行切面后計算二維晶片的晶格能，并計算α-HgI2相應(yīng)晶面的附著能，見表3.

圖6 封端法處理的α-HgI2(011)和(110)二維晶面圖

表3 切面法計算α-HgI2 晶體各面的附著能

根據(jù)表3附著能結(jié)果可知，α-HgI2主要晶面的附著能大小排序為(001)<(101)<(110)，表明其晶面顯露重要性為(001)>(101)>(110)，該結(jié)果與文獻[21]結(jié)論一致.因此，(001)生長速率最慢，(101)次之，(110)生長速率最快，理想結(jié)構(gòu)的晶體應(yīng)當保留較大的(001)晶面.采用封端法輔助切面法計算非收斂結(jié)構(gòu)(α-HgI2)晶體附著能，能夠間接得到晶體的生長速率，進一步確定晶體的形狀.

3 結(jié) 論

2) 采用生長形態(tài)法計算了β-HgI2晶體主要晶面(001)、(110)、(111)、(020)和(021)的附著能，并采用封端法輔助切面法驗證了對應(yīng)晶面的附著能.兩種方法計算結(jié)果一致，分別為-31.35，-76.94，-77.30，-90.68和-94.02 kJ·mol-1，表明采用封端法輔助切面法計算的α-HgI2附著能是正確的.