微观世界展新葩——记北京科技大学教育部长江学者讲座教授陈龙庆

本刊记者 许素平

微观世界展新葩
——记北京科技大学教育部长江学者讲座教授陈龙庆

本刊记者 许素平

当代高新技术的飞跃发展，引起材料科学领域内的不断变革，使得各种适应高新技术发展的新材料、以及新的材料计算方法应运而生。相场方法及多尺度计算模型正是适应了这种需要，成为材料研究领域绽开的一朵新葩。而已在材料科学领域奋战了20余年的陈龙庆教授凭着敏锐的眼光及团队的奋勇拼搏已在国际相关领域占有了一席之地。

陈龙庆，1962年12月出生，1982年毕业于浙江大学材料科学与工程系，获学士学位。1983年赴美，1985年于纽约州立大学石溪分校获硕士学位，1990年于麻省理工学院材料科学与工程系获博士学位，1990至1992年在美国Rutgers大学做博士后研究。1992年到宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系任教，先后任助理教授、副教授、教授（2002）。并在该系担任过副系主任（2000-2002），主管研究生工作。

陈龙庆教授的主要研究方向是发展先进工程材料中预测微结构演化的相场方法和多尺度计算模型。他对各种相变动力学问题及材料处理过程（包括晶粒生长、共格沉淀、铁电畴的形成、晶粒粗化、薄膜中畴结构的演化、有结构缺陷存在时的相变、强弹性不均匀体系中微观组织的演化、磁畴结构及铁磁性马氏体相变等）创立了一系列新奇的相场模型及多尺度计算模型。

吹响进军国际前沿的号角

预言并控制材料中的微观结构演化常被认为是材料科学与工程学科的“圣杯”。陈龙庆教授在宾夕法尼亚州立大学的研究组被国际上广泛地赞誉为相场方法的领先者，该方法现在已成为预言材料在加工、合成及使用过程中的微观结构演化的强有力的计算工具。陈龙庆研究组建立了许多材料加工处理的相场模型并使之应用到实际中。

单相及复相材料体系中的晶粒生长

陈龙庆的研究组建立了第一个基于相场方法的晶粒生长模型。利用这一模型，陈龙庆及合作者研究了晶粒生长的动力学及晶粒生长的拓扑学等。基于计算机模拟，他们展示了晶粒生长中的相关性是关键因素并由此揭示了解析晶粒生长模型的一个长期存在的缺陷。许多其他的研究组现在正利用这一模型研究各种体系中的晶粒生长动力学。陈龙庆研究组还将他们的模型推广到了多相体系，例如，将晶粒长大及奥斯瓦尔德熟化用统一模型进行研究。利用多相晶粒生长模型，他们在国际上第一次能够对具有高熟化相百分比的两相体系中的奥斯瓦尔德熟化过程进行系统的研究。这成为了美国国家自然科学基金会资助的世界材料网项目以及计算材料设计中心的两个项目的基础。

块体单晶及薄膜中的铁电转变及畴结构

陈龙庆研究组还是单晶材料及有基底限制的薄膜中铁电畴的相场方法模拟的开创者。它们可被用来定量地预测铁电相变温度及电畴结构随基底的晶格常数及薄膜取向的依赖关系。与实验科学家合作，这些模型已被用于对分子束外延以及脉冲激光沉积提供指导，并获得了令人惊讶的性质。他们与宾夕法尼亚州立大学Schlom研究组及其他合作者的合作产生了一项新发现：基底约束可导致SrTiO3薄膜的室温铁电性，这种材料在不存在基底约束应力的情况下在室温是非铁电的。模拟发现，基底约束戏剧性地改变了体系的相图，甚至导致新相的生成。

搞清矫顽场（使净极化强度为零的外电场大小）的影响因素，是铁电学中的一个长期问题。陈龙庆研究组近期关于铁电畴转换特性的系列工作，已使在实验中观察到的矫顽场往往比以前理论所预言的要小很多这一现象的根本原因见到曙光。该研究组的理论预言还对他在加利福尼亚大学 Berkeley分校的实验合作者提供了指导，帮助他们理解了畴的稳定因素，并大大地改善了应用于存储元件的BiFeO3材料中畴的稳定性。

他们还将在铁电薄膜方面的工作拓展到了多铁体系，这涉及非常令人感兴趣的两种或两种以上铁性相转变之间的耦合，这些材料在制作新的记忆元件方面具有潜在的应用前景。

微观结构演化的多尺度模型

陈龙庆和他的合作者提出了多个多尺度计算模型，将第一性原理、CALPHAD数据库以及微观结构演化的相场模拟结合起来，构建应用于合金设计的科学与工程计算工具。例如，他们展示了三种最新水平的技术应如何结合来建立原子尺度与微观组织结构之间的桥梁：（1）第一原理计算，（2）混合空间团簇近似，（3）扩散界面相场模型。最近，他们提出了一个方法，它使人们可以直接从第一原理计算来预言共格析出相的形貌。这涉及第一原理计算、混合空间团簇及Monte-Carlo模拟。不需要任何事先假设，他们预言了Al-Cu合金中由应变导制的长程相互作用所控制的一般析出形貌。Ni-Al二元合金γ析出相的粗化动力学则由三维相场模型及CALPHAD近似来研究。这种综合性模型能够定量的预言形貌演化，平均析出物尺寸，以及尺寸分布随时间及成分的变化。这些多尺度概念是一个美国航天局和一个自然科学基金重大予研究项目的主要思想。

缺陷的微结构与相相互作用的相场模型

陈龙庆研究组提出了一个整合相与缺陷微结构的相场模型。这个模型第一次使包含任意分布的结构缺陷（如位错）成为可能。与Khachaturyan研究组在建立位错动力学相场模型方面的突破一道，它们提供了令人激动的可同时演化相和缺陷微观结构的可能性，由此可探讨化学效应对塑性的影响。这一模型还被用来模拟具有周期性分布的界面位错阵列的薄膜中的Spinodal分解过程，结果显示出，与界面位错阵列相联系的周期性应力场导致了方向性的相分离及有序的纳米级微观结构的形成。这一结果具有重要的实际应用价值，有序的纳米结构可通过控制界面位错分布而形成。

应变对固态相变的影响

1990年代，与R u g t e r s大学的Khachaturyan教授和王云志一道，陈龙庆在不同体系中使用扩散界面模型研究应变主导的微观结构演化方面做出了先驱性的工作。他提出了一个可用于预言相变后具有格子形及孪晶结构形成，并导致晶格点群对称性降低情况下的动力学模型。这一模型为以后许多有关结构转变，其中包括马氏体相变的相场模型的建立奠定了基础。他关于弹性应变效应的工作是第一个预言应变在有序金属间化合物脱溶方面所起作用的工作。他们进行了第一个系统地有关弹性应变效应对同构双相体系影响的计算机模拟。他们发现了很多种有趣的应变导致的动力学现象，其中包括选择性及各向异性生长，逆粗化过程，微粒平移运动，微粒形状转变及分裂。最近，陈龙庆教授和他在宾夕法尼亚州立大学数学专业的合作者解决了一个有关固体中形核的长期的材料科学问题，即不需任何预先假定，就可预测固态相变中临界晶核的形状。

此外，陈龙庆研究组还是最早提倡将基本应变效应用于实际应用的重要合金体系中的人之一。特别是，他们针对一些共格结构相变建立了一系列相场模型，其中包括立方-四方相脱溶反应,立方-菱方相变, 外应力条件下的相变以及六角-斜方晶系相变。这些模型其后被用来预测不同的实际应用的合金体系中的脱溶相形貌的演化。

弹性非均匀体系的微观结构演化

陈龙庆的小组在弹性非均匀体系的介观尺度模拟方面获得了突破性的进展。他们建立了一个用于模拟强弹性各向异性及强非均匀体系的高效计算模型。这是一项重要的进展，因为它第一次使人们将任意的弹性非均匀性包括到微观结构演化的相场模型之中。陈龙庆小组将此模型应用于薄膜不稳定性及微观结构演化方面以及铁电/非铁电超晶格中。这一模型在研究其它的材料加工过程中还将有很多潜在的应用。例如，他们已将这一模型推广到多晶情况，这将使人们可以预测在任意微观结构中的残余应力；应力作用下晶粒生长的演化过程以及复杂的多相微观结构的有效弹性模量。

扩散型相变的动力学

陈龙庆教授做出了重要贡献的另一相变领域是扩散控制的有序金属间化合物从无序基体中的脱溶机制和动力学，这涉及同步的有序化和团聚化过程。陈教授及其合作者成功地预言了一种有序金属间化合物的脱溶机理。他们还发现了相分离时赝有序相的可能的中间态的外观，这一预测后来在多种合金体系中被验证，它还解释了在三元及四元半导体III-VI化合物及SiGe的分子束外延薄层中的有序相可能是赝有序相。后来，他们又证明，这种赝有序相能够在无序基底中脱溶时产生。他们还展示出长程与短程相互作用之间的竞争导致一种介观相，即在二元均匀无序固溶体分解为一种平衡的有序-无序两相混合物时，有序的晶体颗粒呈周期性地析出于无序合金的基体中。最后，陈龙庆课题组还在三元合金微观结构的计算机模拟方面的作出了前沿的工作，发现了一些新现象。

构造相场模型的先进数值算法

陈教授课题组对发展解相场方程的高效数值算法做出了重要贡献。特别是，通过与数学家的合作，他们构造了一个高效而且准确的解相场方程的半隐傅立叶谱方法，包括那些具有可变系数的情况。最近，一个自适应的可移动网格傅立叶谱方法已经被提出。这些算法与传统的欧拉有限差分方法相比，无论在效率还是在精度方面都提高了几个数量级。

享受“授人以渔”的快乐

陈龙庆教授课题组的研究成就已经得到美国多项重大研究项目资助。他与国际一些优秀的实验科学家、物理学家、数学家、计算机科学家及计算材料科学家同事进行了广泛的合作，建立的许多计算模型和数值算法被其他的研究组采用或进一步开发。他发表了250多篇第一作者或合作论文，其中包含 Nature, Science, Advanced Materials,Physical Review Letters等重要杂志。他的论文被高频次引用，引用率达5500多次。

他承担着多项美国自然科学基金及其它重要基金的重大项目及面上项目。并先后于1995年获得美国海军研究局的青年研究人才奖，1999年获美国国家自然科学基金的特殊创新研究奖，2000年获宾州州立大学地球与矿物科学学院威尔逊奖，2001年获宾夕法尼亚州立大学地矿学院的杰伊克研究奖，2003年获得宾州州立大学工程学者奖章,2005年获得Guggenheim基金会授予的Guggenheim学者，2006年获得美国ASM材料研究银奖，2008年当选美国物理学会会士（APS Fellow）。

2004年，陈龙庆教授获得了中国国家自然科学基金杰出青年基金项目下的海外合作基金。现担任北京科技大学“教育部长江学者讲座教授”。

科学研究尽管辛苦，但是陈龙庆乐在其中，他经常说自己充分享受着难题被破解后的快乐。陈龙庆想得更多的是“如何带领团队在相场模型世界走得更远、更深”。