表面建模、计算与分析
表面的重要性不言而喻!
材料表面,直接和外界接触、交流,甚至直接决定材料的性能,但是表面又犹如小朋友的脸,可能说变就变。所以,表面问题又变得棘手起来。基本现实就是,表面离不开基本成份,即块体特性,这是基本盘,其次表面又不同于体相,因为有取向、悬挂键、表面极性、缺陷等,充满了各种可能。从这个角度说,表面极有魅力。然而,我们大部分同学,没有系统学习过表面科学,即使是材料、化学专业的学生,对表面的学习可能也停留在晶体学水平。
计算老司机在与大量同学的交流中,了解了这一痛点,针对不少同学希望系统学习表面建模与分析而设计了这一小课程,选择从头来:从表面的规范表达,升级到表面单胞与矢量,进而对原子二次堆垛、伍兹符号等进行介绍。再进一步,用这些基础知识来处理复杂表面,如重构,并利用案例讲解如何分析表面的电子结构。讲解内容也会进一步拔高,例如从表面能到乌尔夫方法预测晶体平衡形状、利用表面投影态密度分析悬挂键对催化的影响等。
延续老司机小班课的特点,3节理论配合3节操作,每节操作都有完整案例,包含建模、参数测试、计算、数据分析。三个操作案例分别是:重构表面建模与优化、CO在表面的吸附与键合类型、LiCoO2电极表面反应。老司机倡导浸入式学习,用案例带动理论和方法学习!
第一节:学习表面规范
表面有一整套的表达方法,基本就在表面胞和表面矢量(如下图),这是一套语言。理解它,我们才能看懂文献里各种符号,例如TiO2(001)-(1×4), 又比如Fe(100)-(2×2)R45⁰等。老司机整理了具体案例,讲解伍兹符号、矩阵符号等,并利用这些表示来做表面建模。


第二节:表面结构与能量
当我们需要基于实验进行表面建模与计算时,用什么作为建模的依据往往是最关切的。不少文献采用了XRD数据来说明表面特征,这样可以吗?本次课堂我用一个形象的例子展示,这样会非常有风险,因为三个完全不同的表面特征(下图),但取向一致,结果计算得到的XRD几乎一样!如果XRD不能作为建模依据,我们又该如何选择?老司机收集了多个案例,展示STM、TEM能更好的帮助我们确定表面,其中还包括非晶表面如何优化获得。在此基础上进一步引入定量描述表面原子的参数,例如原子位移、层间距偏离、表面吸附诱导等。对于表面相关的能量环节,会介绍能量分解,从而帮助理解吸附诱导表面重构、负表面能现象等。

第三节:表面电子结构分析
获取结构后,如何进一步深入,就不得不借助电子结构分析。首先我们会介绍常用如何获得表面电子结构的参数,例如极性、功函数、表面投影态密度,然后利用完整案例,把表面属性和具体应用结合,例如催化、电池等。这中间涉及如何准确、灵活使用电子结构数据分析问题。浸入式学习环节,则是深入、完整地分析两个表面作用案例,即气体/表面作用与电极表面化学反应,分别对应催化与储能应用。

有录播、可以反复观看;有课程群和多位助教,可以及时答疑;有超算和案例,可以理论-操作-分析三合一。感兴趣,请联系老司机团队(VX:jisuanlaosiji),11月底有直播。