α-HgI2晶体附着能的计算

陈 静，许 岗，袁 昕，杨丛笑，侯雁楠

(1.西安工业大学 材料与化工学院，西安 710021；2.西安理工大学 材料科学与工程学院，西安 710048)

α-HgI2是室温稳定相，属四方结构，空间群P42/nmc，在核辐射探测、医学成像、土壤环境及安全检测等领域有着广泛的研究和应用[1-4].无论是多晶薄膜还是块晶，规则形貌的晶体可以直接应用于器件的制备而无需加工，大大提高了晶体/材料的使用效率，因此，晶体生长中形貌控制具有重要的商业应用价值[5-6].晶体形貌受晶体结构和生长参数的控制[7-8]，因此，从内在和外在两个角度研究晶体形态控制，对于深度认识晶体结构和环境影响因素具有重要意义[9-10].

1 附着能计算流程

1) 利用MS软件的Forcite模块计算出晶胞的晶格能Elattice；

2) 通过BFDH法选出理想情况下的晶貌显露面(hkl)；

3) 根据步骤2中晶面(hkl)，利用切面法中的cleave surface对晶面切面 (注：所切晶面位置、大小即厚度的随机性会导致步骤4计算结果不唯一)；

图1 切面合理性判定流程

通过封端将非收敛结构法转换为收敛结构时，由于改变了晶体的对称性并删除了原结构的部分化学键，从而减少了结构原本的化学键能，因此通过生长形态法计算的收敛结构的附着能结果错误，如图1虚线所示.但该操作会附带显示对应的唯一二维晶面结构图，观察其分子间的位置关系(排列顺序和对称关系)，在切面法得到的多个二维晶面图中选出一个与之最接近的二维晶面结构图作为有效二维晶面图进行计算.为了验证该方法的合理性，首先采用流程一计算了β-HgI2晶体的附着能.

2 结果与讨论

2.1 β-HgI2晶体的附着能

2.1.1 生长形态法

使用MS软件中的Morphology模块的生长形态法对β-HgI2晶体进行形貌模拟，其模拟形态与文献[20]显示一致，如图2所示.由图2的形貌模拟图可以看出，β-HgI2晶体主要显露晶面为(001)、(110)、(111)、(020)和(021).模拟计算得到的主要晶面的附着能见表1.

图2 生长形态法则模拟的β-HgI2 晶体形貌

表1 生长形态法模拟的β-HgI2主要晶面的附着能

2.1.2 封端法辅助切面法

利用封端法对β-HgI2进行处理，并使用生长形态法对其模拟后得到相应晶面唯一的二维晶面图，如图3所示.对照图3中各晶面的二维晶面图，观察图中分子间的排列顺序和对称关系，通过cleave surface工具切出五个显露晶面(001)、(110)、(111)、(010)和(021)，每个二维切面中均含有四个HgI2分子，如图4所示.

图3 封端法处理的β-HgI2二维晶面图

图4 β-HgI2晶体主要晶面的二维切面图

表2 切面法计算β-HgI2 晶体各面的附着能

2.2 α-HgI2晶体的附着能

由于α-HgI2的空间结构群为P42/nmc，该空间点阵群是由化学键连成的无限二维网状结构.而Growth Morphology方法因软件力场设定缺陷，对非收敛结构类型晶体的附着能无法计算.因此计算α-HgI2的附着能不能采用生长形态法，应采用已经通过验证的封端法辅助切面法

通过cleave surface工具切出三个显露面(001)、(011)和(110)，每个二维切面中均含有两个HgI2分子，(001)面在cleave face后结构唯一，而(011)和(110)在cleave surface后有两种相近情况，如图5所示.

图5 α-HgI2晶体主要晶面的二维切面图

对α-HgI2进行封端，并使用生长形态法对其模拟后得到(011)和(110)的唯一二维晶面图，如图6所示.将图5与图6进行对比，发现图5中(011)和(110)位置2的二维晶面图与图6中原子的排列顺序和对称关系相一致，均为中心对称图形，因此选择位置2作为合理切面来计算附着能.

使用Forcite模块计算出α-HgI2的晶格能为Elattice=-36.15 kJ·mol-1，使用切面法对其进行切面后计算二维晶片的晶格能，并计算α-HgI2相应晶面的附着能，见表3.

图6 封端法处理的α-HgI2(011)和(110)二维晶面图

表3 切面法计算α-HgI2 晶体各面的附着能

根据表3附着能结果可知，α-HgI2主要晶面的附着能大小排序为(001)<(101)<(110)，表明其晶面显露重要性为(001)>(101)>(110)，该结果与文献[21]结论一致.因此，(001)生长速率最慢，(101)次之，(110)生长速率最快，理想结构的晶体应当保留较大的(001)晶面.采用封端法辅助切面法计算非收敛结构(α-HgI2)晶体附着能，能够间接得到晶体的生长速率，进一步确定晶体的形状.

3 结 论

2) 采用生长形态法计算了β-HgI2晶体主要晶面(001)、(110)、(111)、(020)和(021)的附着能，并采用封端法辅助切面法验证了对应晶面的附着能.两种方法计算结果一致，分别为-31.35，-76.94，-77.30，-90.68和-94.02 kJ·mol-1，表明采用封端法辅助切面法计算的α-HgI2附着能是正确的.