柳百新院士论文集

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内容简介: 《柳百新院士论文集》是为庆祝材料科学家柳百新院士八十华诞而集结的文集。《柳百新院士论文集》主要分为六篇:第一篇柳百新传略;第二篇柳百新研究组发表的500 篇SCI 论文目录(1982—2015 年);第三篇35 篇代表性论文;第四篇培养的研究生名单;第五篇主要获奖项目;第六篇同学、同事和学生的回忆文章。


目录: 序言
第一篇 柳百新传略 1
第二篇 柳百新研究组发表的500篇SCI论文目录(1982—2015年) 13
第三篇 35篇代表性论文 57
1. Structural Difference Rule for Amorphous Alloy Formation by Ion Mixing 59
2. Ion Mixing and Metallic Alloy Phase Formation 62
3. Different Behaviours of Amorphization Induced by Ion Mixing 86
4. Observations of Fractal Patterns Induced in Thin Solid Films by Ion Irradiation 95
5. Linear Correlation of Fractal Dimension versus Atomic Magneton in Magnetic-Particle Aggregation 99
6. Thermodynamics and Growth Kinetical Consideration of Metal-Nitride Formation by Nitrogen Implantation 104
7. Void Swelling Induced by 1 MeV Electron Irradiation in Ti- and Nb-Modified 316 Stainless Steels 116
8. Disclination Loops in Ni-Mo Amorphous Alloy Films Induced by Ion Irradiation 122
9. C54-TiSi2 Formed by Direct High Current Ti-Ion Implantation 135
10. Anomalous Alloying Behavior Induced by Ion Irradiation in a System with a Large Positive Heat of Mixing 138
11. Spontaneous Vitrification in the Au-Ta System with a Small Size Difference 152
12. Formation and Theoretical Modeling of Non-Equilibrium Alloy Phases by Ion Mixing 155
13. Influence of Interfacial Texture and Asymmetric Growth in Diffusion-Limited Amorphization in Ni-Zr Multilayers upon Medium-Temperature Annealing 186
14. Interface-Driven Alloying and Metallic Glass Formation in Nano-Multilayers in an Immiscible Y-Nb System 197
15. Glass-Forming Ability Determined by the Atomic Interaction Potential for the Ni-Mo System 206
16. Metastable Rhombohedral Fe Phase Formed in Fe/Sb Multilayers and Its Magnetic Properties 210
17. Prediction of Solid-State Amorphization in Binary Metal Systems 217
18. Irradiation Induced Amorphization in Metallic Multilayers and Calculation of Glass-Forming Ability from Atomistic Potential in the Binary Metal Systems 221
19. Stability of a Nonequilibrium Phase in an Immiscible Ag-Ni System Studied by Ab initio Calculations and Ion-Beam-Mixing Experiment 269
20. Solid-State Crystal-to-Amorphous Transition in Metal-Metal Multilayers and Its Thermodynamic and Atomistic Modelling 273
21. Metastable Phase Formation in an Immiscible Cu-Ta System Studied by Ion-Beam Mixing,Ab initio Calculation, and Molecular Dynamics Simulation 336
22. Correlation of Magnetic Moment versus Spacing Distance of Metastable fcc Structured Iron 345
23. Crystallographic and Lattice Point Correlations of a New hcp-to-fco Martensitic Transformation Observed in the Ni-Hf System 348
24. Atomistic Modeling of Crystal-to-Amorphous Transition and Associated Kinetics in the Ni-Nb System by Molecular Dynamics Simulations 354
25. Formation of Amorphous Alloys by Ion Beam Mixing and Its Multiscale Theoretical Modeling in the Equilibrium Immiscible Sc-W System 363
26. Icositetrahedral and Icosahedral Atomic Configurations Observed in the Nb-Ag Metallic Glasses Synthesized by Ion Beam Mixing 370
27. Nonequilibrium Solid Phases Studied by Thermodynamic Calculation, Molecular Dynamics Simulation, Ab initio Calculation and Ion-Beam Manipulation in an Immiscible Au-Co System at Equilibrium 373
28. Atomistic Mechanism of Interfacial Reaction and Asymmetric Growth Kinetics in an Immiscible Cu-Ru System at Equilibrium 385
29. Molecular Statics Calculation of the Formation Enthalpy for Ternary Metal Systems Based on the Long-Range Empirical Interatomic Potentials 395
30. Interatomic Potentials of the Binary Transition Metal Systems and Some Applications in Materials Physics 398
31. Atomistic Theory for Predicting the Binary Metallic Glass Formation 400
32. Interatomic Potential to Calculate the Driving Force, Optimized Composition, and Atomic Structure of the Cu-Hf-Al Metallic Glasses 428
33. First-Principles Molecular Dynamics Simulations to Study the Crystal-to-Amorphous Transition in the Mg-Zn System 431
34. Atomic Modeling to Design Favored Compositions for the Ternary Ni-Nb-Zr Metallic Glass Formation 436
35. Structural Skeleton of Preferentially Interpenetrated Clusters and Correlation with Shear Localization in Mg-Cu-Ni Ternary Metallic Glasses 447
第四篇 培养的研究生名单 459
第五篇 主要获奖项目 463
第六篇 同学、同事和学生的回忆文章 469
散落的珍珠 (邓 柯) 471
回忆童年的友情 (曹旭沧) 476
我的挚友柳百新 (张乃光) 478
金秋忆旧 (赵汉钧) 481
忆柳百新 (何宇忠,何宇信) 485
良师益友,莫逆于心 (李冠兴) 487
亦师亦友亦兄长,风雨同舟一甲子 (邱学良) 489
柳百新院士八十寿诞感言 (周克崧) 491
How did the “structural difference rule” help shape my career (Yang-Tse Cheng) 493
来自约翰 霍普金斯的贺信 (马 恩) 495
栉风沐雨80载 (王 曦) 498
出成果 育人才 展人生 (朱慧珑) 499
A tribute to the contributions of Professor Baixin Liu (Julio A.Alonso) 504
学贯中西,儒雅人生 (魏炳波) 507
睿智勤奋的良师益友 (潘 峰) 510
在柳先生组里读研究生的那些日子 (张政军) 513
学高为师,身正为范 (陈益钢) 516
师恩伴我前行 (赖文生) 519
越来越高大的身影 (蓝爱东) 528
和柳百新先生的师生缘 (杨 涛) 531
回忆与柳先生在清华园的时光 (高坤元) 533
我的老师柳先生 (杨国伟) 535
贺恩师柳百新先生八十大寿 (刘剑波) 537
先生言传身教,促我学术成长 (李正操) 539
难忘师恩情 (龚浩然) 541
五载师生情,一世不了缘 (孔令体) 542
师恩无私深似海 (张瑞丰) 544
兹兹师恩,悠悠情深 (李家好) 547
师恩绵长 (郭海波) 549
我心目中的柳先生 (孔 毅) 551
记师从柳百新先生的那些年 (何 翔) 553
跟随授业恩师“闻道”十载的珍贵点滴 (邰凯平) 557
回忆和柳先生共同的日子 (梁苏会) 559
柳先生与我的三层关系 (王同乐) 561
日记里的柳先生 (崔苑苑) 564
问道五载,受用一生 (李 楠) 566
先生之风,山高水长 (罗诗瑶) 568
师恩如山 (李 洋) 571
春风化雨,德艺双馨 (王 琦) 573


书摘: 第一篇 柳百新传略
柳 百 新
柳百新(1935— ),材料科学家,中国科学院院士。提出离子束混合在二元金属系统中形成非晶态合金的经验规则和热力学模型,并用第一性原理计算论证了亚稳合金相的稳定性。提出金属多层膜中非晶化反应的判据,并用分子动力学方法揭示其原子运动机制。阐明了离子注入形成金属氮化物的规律。发展出强流金属离子注入制备金属硅化物的新技术。
柳百新,1935年6月10日出生于上海市,原籍江苏省武进县。出生时他的父亲柳荫(培庆)是一个造诣很高的雕刻师,在印刷行业中雕刻印制钞票、证券等用的铜版。母亲戎悦礼是一个普通和善良的妇女,亲自操持家务。柳百新有两个哥哥、一个姐姐和一个弟弟。他父母在年轻时由于经济条件所限,只受过初等教育,但他们从生活经验中深感学习文化和技术的重要性,因此下决心要把孩子们送到最好的学校去求学。每当遇到经济困难时,他们紧缩其他开支或借债也要为孩子们交上学费。柳百新6岁时被送到上海市中西女中第二附小上学,四年级开始时因病而休学了两年。这个小学从三年级就开始教英文,注意发挥学生的学习主动性,从不在学生的成绩单中排名次,时过半个世纪,柳百新还记得这个小学的学习气氛和“不排名次”的特点。1947年,由于搬家而转入协进女中附小继续学习。从那时起,柳百新一直是班上的第一名,直到高中毕业。
柳百新少年时曾经历过日本帝国主义对中国的侵略和国家经济落后、人民生活贫困的年代。因此,他怀着国家能够强盛起来的愿望迎来1949年的解放。这一年,他小学毕业了,并下决心长大后为国家建设出力。家庭中,父亲对工作的精益求精和十分节俭的作风,母亲不遗余力地辅助父亲的事业、悉心养育子女的深厚亲情都对柳百新以后的为人有深刻的影响。在小弟弟尚未出生前,全家6口人只住石库门房子中的两间半正房。但他的父母却为孩子们购置了商务印书馆出版的500本“小学生文库”。从文库中,柳百新读到了“孔融让梨”等故事,他还特别爱读“三国演义”。每逢年终,他母亲还要带孩子们到书店去选购一批图书。因此,柳百新从小就养成了爱读书的习惯。大哥柳小培和大嫂陈淑卿解放前就参加革命,中华人民共和国成立后在北京外国语大学工作,他们全心全意为人民服务的精神为柳百新树立了榜样;姐姐柳百敏对少年时体弱的柳百新总是倍加照顾,她毕业于上海外语学院,但从事的是她爱好的体育、教练和体育科研工作;二哥柳百成比柳百新大两岁,他们从小一起生活并长大,上的是同一个小学、中学和大学,现在都是清华大学的教授,哥哥是中国工程院院士,弟弟是中国科学院院士。柳百新的伯父柳溥庆是一位知名的印刷技术专家,生前任中国人民银行总行的总工程师。他20世纪20年代去法国勤工俭学,1926年入党。1939—1941年间和柳百新的父亲等人在上海为新四军秘密印制解放区使用的钞票,印制中用的铜版是柳百新的父亲精心设计和雕刻的。柳百新的姑姑柳静和姑夫吴朗西于20世纪30年代在上海创办文化生活出版社,出版进步的作品和名著,如鲁迅的作品、巴金的《家》《春》《秋》等。父亲一辈人为了民族富强、国家兴旺而奋发图强的精神深深地印在柳百新的思想深处。
1949—1955年,柳百新就读于上海市圣芳济中学(后改名为时代中学)。6年的中学生活使他在3个方面大受裨益。一是系统和高水平的英语教学,老师的纯正发音,要求学生朗读课文等,使柳百新在中学期间打下了扎实的英语基础;二是比较灵活的教学方法,有些老师有大学或国外留学的学历,教学中带有启发性;三是非常重视体育,每天课后,几乎所有的学生都参加体育锻练。50年代中,这个中学的排球队曾战胜包括成人队在内的所有对手而获得上海市冠军,成为体育界的一段佳话。柳百新在中学期间,以刻苦认真的学习取得优异成绩,有一年考试共11门课,他得了7个100分。在校期间,他积极参加体育活动,曾以1.55米的成绩获得过跳高亚军。因此,中学的6年也使他的体魄强健起来,并锻炼了他的毅力和意志。后来,他在清华大学学习期间,曾是校羽毛球队的队员。
1955年,柳百新考入清华大学,被分配在工程物理系学习。大学期间,他特别注意自学能力的培养。1957年,在学习“分析力学”时,柳百新发现由于课程衔接中没有学过“一阶偏微分方程”的基础知识,因此听课时有较大困难。他到图书馆找到了一本数学书,自学了两个月才真正体会到“分析力学”在处理多粒子问题中的“美妙”之处。柳百新认为外语是一个重要的工具,需要刻苦学习、反复练习才能达到“熟能生巧”的境界。三年级学习“光学”时,他就直接看俄文参考书。后来,他认为上课时听老师的讲解,课后再看俄文参考书,学会新的物理内容。因此,他找了一本内容不熟悉的俄文科学论文,用了一个多月时间,通过俄文理解了物理内容。
1961年毕业后,柳百新被留在工程物理系工作,第一项任务是开“固体物理”课。他备课认真,写出详细的教案,讲课效果很好。1963年,柳百新和同学了6年的倪蕙苓组织了自己的家。倪蕙苓是天津市人,1955年进入清华大学工程物理系(核物理专业)学习,毕业后在中国科学院原子能研究所(后改为高能物理研究所)工作。她主持研制的亮度监测器,为1988年正负电子对撞机上正负电子的首次对撞成功提供了第一时间的直接证据。在将近半个世纪的岁月里,他们始终相互帮助,相互照顾,共同前进。
“文化大革命”期间,柳百新于1969年被派到江西鲤鱼洲农场去接受“再教育” 。同年底被调回清华大学从事核能研究。1978年,柳百新回到工程物理系做教学和研究工作。1980年初,他靠着扎实的材料科学和英语的基础通过了选拔出国进修的3门考试,于1981年初由国家教委公派去美国加州理工学院做访问研究。
1981—1982年,柳百新在美国加州理工学院做了大量研究工作,发表了9篇第一作者和8篇合作作者的论文。80年代初,在“离子束材料改性”领域中提出了一种新的离子束混合实验方法,柳百新的第一份工作就是用这种方法研究非晶态合金的形成。经过调研,他提出了科学上的假设,并用系统的实验作了论证,由此提出了“结构差异规则”。1982年,应邀在法国举行的第三届“离子束材料改性”国际会议上作报告,受到与会者的高度重视,一位法国教授把他报告的每一张胶片都拍了照。此外,加州理工学院活跃的学术氛围和学者们对基础研究的热情和“乐在其中”的精神状态给柳百新留下了深刻的印象。
1982年底柳百新按时回国,并积极准备开展研究工作。1986年,他获得了第一份国家自然科学基金,使他能启动思考了一段时间的基础研究。后来,他连续获得过2项重点和8项面上基金。随着工作的发展,他还获得过863和973项目的科研经费、国际原子能机构的资助、与美国通用汽车公司和美国联合技术公司合作的科研经费。他的研究领域包括载能离子束与固体的作用及材料改性、计算材料科学、薄膜材料和核材料等。20年来,发表学术论文330多篇,其中国际会议论文48篇;SCI收录论文290篇。1991年他名列SCI收录个人发表论文数全国第一名。发表的论文迄今已被引用2000多次。他曾访问过14个国家以及香港和台湾地区,在国际会议上报告40次,其中邀请报告20次,并应邀在著名的大学和研究所做学术报告40多场次。柳百新的研究成果受到国内外同行的高度重视。1984年,他当选为玻姆物理学会(Bohmische Physical Society) (专业为粒子-固体相互作用)的科学委员;1988—1989年应邀担任中国高等科学技术中心特别成员。1993年起应聘担任国际期刊J. Nuclear Materials的顾问编委会委员;1998年当选为美国物理学会(American Physical Society)理事(Fellow);1999—2000年应聘担任国家重点基础研究发展规划的项目咨询顾问组成员。1999年以来,还应聘担任国家自然科学奖、科技进步奖和发明奖,以及国家自然科学基金委学科评审组的专家等。柳百新曾以第一完成人获1986年和1990年度教委科技进步奖一等奖,1993年度国家自然科学奖二等奖,1997年度北京市科技进步奖一等奖和1999年度国家自然科学奖三等奖。他个人还获得中国物理学会授予的叶企孙(凝聚态)物理奖。2001年,柳百新当选为中国科学院院士。
“离子束材料改性”是一个多学科交叉的新兴领域。离子束是从加速器引出的,具有较高的能量(102~103千电子伏),因此被称为载能离子束。将载能的离子束作用于材料,可以对材料进行表面改性和制备出新材料,它是20世纪下半叶发展出来的一种非平衡材料制备新技术。离子束与材料(固体)相互作用的物理过程具有远离平衡态、合金元素的动力掺入和离子束参数可精确调控等特点。在过去的20年里,柳百新充分发挥离子束与固体作用的特点,选择了材料科学和相关学科中的前沿课题,做了大量研究工作,并着重于揭示材料微观结构的形成与演化规律,以及结构与性能的关系。研究的内容不断扩展和深化,从系统的实验研究,归纳出经验规律,上升到热力学模型,并进而提出原子尺度的模型,乃至固体电子结构层次的物理诠释。许多成果为离子束制备新型材料和表面改性提供理论基础。有些成果则提出新的原理或技术路线,有些成果还揭示了新的物质状态,具有重要的理论意义。
提出离子束混合制备二元非晶态合金的经验模型
非晶态合金(或金属玻璃)是P. Duwez于1959年用液态熔体淬火获得的。从而开拓出一大类新型材料,也揭示了一种新的物质状态——非晶态固体。40年来,非晶态合金的研究与应用一直是材料科学领域中的一个重要方向。这里面一个重要的科学问题是要阐明其形成规律,并预言在什么系统中、在什么成分范围内有可能制备出非晶态合金。
多层膜离子束混合是1980年提出来的一种新的实验方法。实验中,先在基体上交替沉积两种元素,然后用载能离子束进行辐照,使两种元素混合而形成化合物或合金。最初,离子束混合被应用于研究金属硅化物的形成。1982年,柳百新设计了系统的多层膜离子束混合实验来考察二元金属系统中组元的结构、尺寸和电负性对非晶态合金形成的影响。实验结果论证了结构是决定性的因素,由此提出了离子束混合形成非晶态合金的第一个判据——结构差异规则。该规则预言:在具有不同晶体结构的二元合金系统中,合金成分选在两相区中间,在适当的实验条件下(基体温升不能过高、离子束流调节合适等),有可能获得非晶态合金。论文发表在《应用物理快讯》上,迄今已被引用130次。他又进一步用实验论证了离子束混合也能在中间化合物的成分附近获得非晶态合金。换句话说,离子束混合实验揭示了:有利于形成非晶态合金的成分可以覆盖平衡相图中两相区的总宽度。
稍后,J. A. Alonso用A. R. Miedema理论计算的生成热(DHf)来表征二元金属系统的特性,并提出生成热判据:DHf>+10 kJ/mol的系统中,离子束混合不能形成非晶态合金。柳百新带领几名学生又做了系统的离子束混合实验,首次论证了DHf>+10 kJ/mol的系统中获得非晶态合金的可能性,同时指出正的DHf会限制有利于非晶态合金形成的成分范围。综合分析之后,提出了用二元金属系统中两相区总宽度和生成热两个参数来预言非晶态合金的形成及其成分范围的经验模型,与实验结果符合得很好。1986年,应邀在第五届“离子束材料改性” 国际会议上作邀请报告。会议主席、美国Sandia 国家实验室的T. S. Picraux博士评价为“近年里中国学者在离子束材料改性领域中提出的最好的工作”。Alonso后来发表的论文中基本上同意柳百新提出的观点。1990年P. M. Ossi在提出用其他参数预言玻璃形成能力的论文中明确地写道:柳百新等人提出的经验模型是“最成功的”。这项成果曾参与获得1986年度国家教委科技进步奖一等奖。
首创用离子束方法研究固体薄膜中的分形生长现象
20世纪80年代中期,分形的研究在国际学术界形成了高潮,如1985年向《物理评论快讯》投稿的1/3和分形有关,但大多数是理论研究结果。柳百新在离子束混合研究非晶态合金形成的基础上,用离子束辐照研究非晶态合金晶化过程,带领几名学生进行实验研究,首次在非晶态-晶态相变临界点附近观察到从非晶态基体中析

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