从电子、分子水平上探索研制新材料
清华大学物理系教授 段文辉
材料设计是指通过理论设计与计算预报新材料的组份、结构与性能。或者说，通过理论设计来“定做”具有特定性能的新材料。这当然说的是人们所追求的长远目标，并非目前就能充分实现的。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。
“材料设计”这一名词是日本学者1985年首先使用的。美国学者在80年代中期使用“能带裁剪”这一术语，后来在“ 90年代材料科学与工程”报告中称这类工作为材料“计算机分析与模型化”。近十年来，材料设计或材料的计算机分析与模型化日益受到重视，1995年美国国家科学研究委员会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，其中这样说：“设计材料”一词正在变为现实，它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增长，研究者今天已处在应用理论和计算来“设计”材料的初期阶段。1999年美国能源部的白皮书对材料设计又进一步给予了高度评价，认为它“将给材料科学领域带来一场科学革命”。
清华大学凝聚态物理专业的学者从80年代初开始一直积极从事“材料设计与性能预测”工作。1986年在我国开始实施863计划前期，他们在国内积极宣传“材料设计”工作的重要性，熊家炯等同志还曾给钱学森院士（清华大学老校友）写信希望老一辈科学家支持这一工作。钱老立即回信指出“…主观能动地从分子结构水平上研究有设计物性的新材料，对已有材料的物性用物理理论去计算……自然是好事。”从那以后，我国863材料领域便设立了“材料微观结构设计与性能预测”研究专题，熊家炯、顾秉林、朱嘉麟分别作为专题和课题负责人开展工作。在此基础上，顾秉林等还进一步积极和沈阳金属所合作，推动了973项目“材料计算设计与性能预测基础问题”的立项和实施。据不完全统计，十多年来，他们在材料设计方面发表为SCI收录的论文200多篇，被引用800余次，获国家教育部（教委）科技进步二等奖四次（1989，1991，1995，1999年），获国家科委和863专家委员会表彰四次，获国家专利一项。最近，由于顾秉林、朱嘉麟等在材料微观结构设计，特别是在低维结构的量子特性与计算设计、在揭示某些功能材料的组分、结构和性能之间内在联系方面做了创新性的工作，获国家自然科学二等奖（2000年），居国际先进水平。他们多次组织国际会议、应邀出国讲学、在国际会议上做大会特邀报告、为国际重要杂志撰写专题综述文章、担任编委等。国内外同行对顾秉林以往的工作又进一步给与了较高评价。顾秉林等有特色的工作是：
1．新型多元半导体合金的设计，与实验符合甚好
多元半导体合金是一类重要的新型光电子材料，他们发现这类材料在制备过程中，随组分变化会发生几种不同的结构相变，相应的能隙等电子性质会出现反常（Phys.Rev. B35（1987）9135）。他们系统地研究了全部三元半导体合金材料随组分变化的能带情况（phys.Rev.B45（1992）4071），并进一步研究了四元半导体合金的性质。
上述研究有助于寻找特定能隙的光电子材料。如设计的（GaAs）1－XGe2X，能隙可调幅度较大。 Rufinus等认为“这在以GaAs为衬底，波长在0．9至1.7μm 的光电子器件的能带工程中，成为非常有希望的材料”。Davidovich等认为：“在最新的热力学模型中，GNF（G指顾秉林）获得了与（GaSb）1- XGe2x的实验符合最好的结果”。
顾秉林等（Phys.Rev.Lett.79（1997）3922）还在三元合会非平衡态到平衡态的演化过程的研究中预言了新现象：即可能通过淬火在三元合金平衡无序相图内得到亚稳有序相，并阐明了产生这一现象的原因是由于多组元合会中多重特征弛豫时间所引起的。审稿人认为“该文在揭开这一现象的神秘面纱上迈进了一大步，必将激励这一领域实验工作的展开。
2、复合钙钛矿型弛豫铁电体介电特性的计算机模拟研究，指导了制备工艺实践
复合钙钛矿型弛豫铁电体是一类特殊的介电材料，对其介电机理的研究成为认识和应用该材料料的关键。顾秉林等提出原子位形几率波理论（J.Appl.Phys.70(1990)4224），从原子尺度研究这类材料有序、无序等微结构对介电性能的影响，首次从理论上遇见了几种稳定的有序结构形式，定量地给出了判断弛豫铁电体是否有序的公式（J.Am.Ceram.Soc.74(1991)2846），并成功地指导了实验验研究。他们还提出了（Appl.Phys.Lett.69(1996)2353）这类材料中的结构因素，如有序微区尺寸的大小及分布对介电性能的影响规律，这对改进制备工艺、提高材料的性能起了指导作用。
Jang等撰文指出：“到目前为止，他们（指顾秉林等）的文章是首篇涉及B位离子有序化的理论文章”，“他们的计算公式完满地解释了A(B'B')O3型的复合钙钛矿结构有序一无序相变的几个重要特性”。
3、量子点、团簇与团簇组装材料的微观设计，在国际上受到高度重视
清华大学物理系的学者们在国际上率先开展量子点、量子阱及团簇等低维结构的量子特性及计算设计研究。开创性地提出了“分区级数解法”，首次得到了关于低维结构的三个精确解和一个解析解，发现了量子点中单个杂质可以控制其能谱及光学性质等重要的量子特性，揭示了其中势形状和杂质位置与光电性质的依赖关系（Phys．Rev.B4l（1990）6001）。 Jaskolski在撰写受限多电子系统的综述性文章中，整段整段地引用了他们的工作，总体有一页多的篇幅。
他们深入研究了纳米尺度的团簇结构与电子性质，提出了一些新概念、新机理，作出了一些预言，其中有的己被实验所证实：例如，他们预见了钴团簇比体样品有更大的磁性增强（Phys. Rev. B47（1993）13611）；之后，Klabunde等从吸附在衬底上的钴团簇的磁性测量实验，Osuna等从自由钴团簇的磁性测量实验，Respaud等从X－ray磁环计对超薄钴层的直接探测实验等，分别证实了他们的预见；又如，他们预见了二十面体的Si是不稳定的（J．Phys.：CondensMatter 5（1993）5255）最近，Ho等在Nature392(1998)582撰文，明确排除了二十面体Si团簇的存在，其中引用了他们的文章，进一步佐证了他们的观点；再如，顾秉林等（Phys.Rev.B50（1994）5552）预见了金属原子不在C60壳层的中心位置。 Clougherty等根据他们的这一研究成果，提出了新的内修饰制。
顾秉林等提出C60组装固体的性质依赖于其分子指向的理论（Phys.Rev. B49(1994) 16202），为探索新型纳米团簇组装固体材料的物理特征提供了依据。理论被Goldoni等用来解释他们的实验结果，他们在论文中说：“ 三重激发能E0 随温度而减少，而且在Ts处有了跳变，这一现象应来自顾秉林等人提出的指向的影响。根据他们的文章，C60带结构对分子的指向是敏感的，这种影响增强了带宽度，减少了带隙，因而造成可观察到的能量移动。”
上述材料设计工作，在国内外同行中受到高度重视。清华大学物理系的学者们与美国、日本、丹麦等有关实验小组建立了密切的合作关系，以促进材料设计与实验的结合。在国家科委“科学研究成果公报”上介绍他们的工作时说：“该项研究达到了国际先进水平，并富有开创性，对实际应用具有指导意义”。最近由他们主编的新书《材料设计》即将正式出版。
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