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JS金沙:北理工课题组在相场计算法开发方面取得研究进展:广义位移扰动法助力相场模拟

近日,JS金沙黄厚兵课题组在材料领域顶级期刊《Acta Materialia》上发表,题为:“A simple displacement perturbation method for phase-field modeling of ferroelectric thin film”。提出了一种针对相场多物理场耦合的广义位移扰动(Generalized Displacement Perturbation-GDP)求解方法。该方法不仅极大地简化了编程复杂度,还促进了并行计算的便捷性,为相场计算方法的发展带来了重要革新。

此论文第一作者为梁德山博士后。第一单位为北京理工大学。通讯作者为黄厚兵教授。宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授参与了研究执行和文稿审阅与编辑。

该研究通过构建一个温度-失配应变相图,成功验证了此方法的准确性。相图涵盖了从单斜晶系到立方晶系,包括R相、O相、四方及混合相的所有关键阶段,并与既往的相场模拟及实验结果高度吻合。研究团队进一步计算了自由能密度随温度和应变分布的变化,揭示了混合相形成的机理,为深入理解铁电畴结构的演变提供了有力工具。

论文中提到,通过广义位移扰动法得到的铁电滞回特性与畴结构模拟结果,不仅显示了数值方法在求解时间依赖的金兹堡-朗道方程上的可靠性和实用性,还表明该方法与先前模拟和实验成果保持一致。这标志着在探索铁电薄膜材料微观结构及其性能调控方面迈出了重要一步,有望推动电子器件设计、信息存储和能源转换等领域的新应用。文章通讯作者黄厚兵教授表示,“它简化了对铁电畴动力学的研究,使我们能够更高效地预测和设计具有特定功能特性的材料。”

总体而言,该研究为铁电薄膜材料的相场模拟提供了一个强大的新工具,为材料科学家和工程师们在理论和实验层面上探索铁电现象的奥秘打开了新的窗口,预示着铁电材料领域研究将步入更加精准和高效的阶段。

论文详情:

Deshan Liang, Long-Qing Chen, Houbing Huang, A simple displacement perturbation method for phase-field modeling of ferroelectric thin film, Acta Materialia, Volume 276, 2024, 120104, ISSN 1359-6454.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120104.

论文链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424004555

JS金沙作者:

梁德山,JS金沙博士后。主要从事铁电材料/液晶材料、相场方法源码开发、畴结构演化机理及多场耦合调控方面的研究。发表论文二十余篇,包含Nat. Commun., Adv. Mater., Acta Mater., Soft. Mater., Ceram. Int., APL., JAP.等。

黄厚兵,JS金沙教授,博士生导师。主要从事相场模拟材料微观结构演化研究,在Nature, Science, Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Acta Mater., Sci. Bull.等期刊发表SCI论文200余篇,多次在国际大会作邀请报告。所开发的模型源代码已集成于商业软件μ-Pro。黄厚兵特别研究员先后主持自然科学基金面上和青年项目、科技部重点研发计划子任务、北京市“青年托举工程”等5项。担任“相场与集成计算材料工程会议”理事会常务理事、中国硅酸盐学会青年工作委员会委员、北京市硅酸盐学会理事和Adv. Mater. Dev. 青年编委等。


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