柳百新

柳百新

柳百新,材料科學家,中國科學院院士。提出離子束混合在二元金屬系統中形成非晶態合金的經驗規則和熱力學模型,並用第一性原理計算論證了亞穩合金相的穩定性。提出金屬多層膜中非晶化反應的判據,並用分子動力學方法揭示其原子運動機製。闡明了離子註入形成金屬氮化物的規律。發展出強流金屬離子註入製備金屬矽化物的新技術。

有一個哥哥柳百成,是中國工程院院士,材料科學家 。

  • 中文名稱
    柳百新
  • 國籍
    中國
  • 出生地
    上海
  • 出生日期
    1935年6月10日
  • 職業
    科學家
  • 畢業院校
    清華大學
  • 主要成就
    材料科學家,中國科學院院士
  • 代表作品
    1989年應邀為德國“固態物理”期刊撰寫了綜述性論文

個人簡介

​柳百新, 材料科學與工程系教授, 中國科學院院士。1935年出生于上海市。 1961年畢業于清華大學工程物理系。1981-1982 曾在美國加州理工學院訪問研究。現任清華大學材料科學與工程系教授,博士生導師,清華大學校務委員會和校學術委員會委員,美國物理學會理事,國際波姆物理學會(載能粒子與固體相互作用)科學委員,國際期刊Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B的顧問編委會委員。

長期在離子束與固體相互作用及材料改性,計算材料科學,薄膜和核材料領域從事基礎研究和研究生培養的工作。提出二元金屬系統中離子束混合形成非晶態合金的經驗規則,建立相應的熱力學模型,並提出從原子互作用多體勢計算系統的非晶形成能力。率先用離子束輻照研究固體薄膜中的分形生長並發現許多新的現象。在氮離子註入材料改性研究中,闡明了金屬氮化物的形成規律。首先用強流金屬離子註入發展出合成金屬矽化物的新技術。首先在互不固溶的系統中觀察到固態非晶化反應,並提出相應的熱力學和動力學判據。用第一性原理計算合金相的穩定性及磁性,發展出第一性原理計算輔助構建多體勢的方法,並在具有不同結構組合和熱力學特徵的二元金屬系統中成功地構建了原子互作用多體勢。套用建立的多體勢,通過分子動力學模擬闡明了介面穩定性,晶態-晶態相變,及固態非晶化反應的原子尺度機製。

在科學引文索引(SCI)收錄的國際期刊上發表論文370多篇,包括發表在Advances in Physics, Materials Science and Engineering: Reports 等期刊上的5篇綜述性論文,發表的論文被廣泛引用。以第一獲獎人獲國家自然科學二等獎和三等獎,國家教委和北京市科技進步一等獎三項,中國物理學會葉企孫(凝聚態)物理獎,以及北京市教學成果一等獎。此外,還曾獲得北京市優秀教師稱號和全國優秀留學回國人員榮譽證書。

人物履歷

1935年6月10日 出生于上海市。

1955-1961年 在清華大學工程物理系學習,畢業後留校工作至今。

1961年- 任清華大學副教授、教授。

1981-1982年 美國加州理工學院訪問學者。1984年- 當選為國際玻姆物理學會科學委員。

1988-1989年 任中國高等科學技術中心特別成員。

1992-1995年 任國家自然科學基金委學科評審組成員。

1993年- 任國際期刊《Nuclear Materials》顧問編委會委員。

1994年- 任清華大學校務委員會委員。

1998年 當選為美國物理學會理事(Fellow)。

1999年- 任國家自然科學獎、科技進步獎和發明獎學科評審組成員。

2001年 當選為中國科學院院士。

2002年- 任北京市學位委員會"材料科學與工程"學科評審組成員。

2002年- 任國家自然科學基金委學科評審組成員。

學術兼職

美國物理學會理事(Fellow);

1998年,當選為美國物理學會理事;

國際期刊J. Nuclear Materials顧問編委會委員;

國際玻姆物理學會(Bohmische Physical Society)科學會員;

人物經歷

人物概述

柳百新,1935年6月10日出生于上海市,原籍江蘇省武進縣。出生時他的父親柳蔭(培慶)是一個造詣很高的雕刻師,在印刷行業中雕刻印製鈔票、證券等用的銅版。母親戎悅禮是一個普通和善良的婦女,親自操持家務。柳百新有兩個哥哥、一個姐姐和一個弟弟。他父母在年輕時由于經濟條件所限,隻受過初等教育,但他們從生活經驗中深感學習文化和技術的重要性,因此下決心要把孩子們送到最好的學校去求學。每當遇到經濟困難時,他們緊縮其他開支或借債也要為孩子們交上學費。柳百新6歲時被送到上海市中西女中第二附小上學,四年級開始時因病而休學了兩年。這個國小從三年級就開始教英文,註意發揮學生的學習主動性,從不在學生的成績單中排名次,時過半個世紀,柳百新還記得這個國小的學習氣氛和"不排名次"的特點。1947 年,由于搬家而轉入協進女中附小繼續學習。從那時起,柳百新一直是班上的第一名,直到高中畢業。

柳百新少年時曾經歷過日本帝國主義對中國的侵略和國家經濟落後、人民生活貧困的年代。因此,他懷著國家能夠強盛起來的願望迎來1949年的解放。這一年,他國小畢業了,並下決心長大後為國家建設出力。家庭中,父親對工作的精益求精和十分節儉的作風,母親不遺餘力地輔助父親的事業、悉心養育子女的深厚親情都對柳百新以後的為人有深刻的影響。在小弟弟尚未出生前,全家6口人隻住石庫門房子中的兩間半正房,但他的父母卻為孩子們購置了商務印書館出版的500本"國小生文庫"。從文庫中柳百新讀到了"孔融讓梨"等故事,他還特別愛讀"三國演義"。每逢年終,他母親還要帶孩子們到書店去選購一批圖書。因此,柳百新從小就養成了愛讀書的習慣。大哥柳小培和大嫂陳淑卿解放前就參加革命,中華人民共和國成立後在北京外國語大學工作,他們全心全意為人民服務的精神為柳百新樹立了榜樣;姐姐柳百敏對少年時體弱的柳百新總是倍加照顧,她畢業于上海外語學院,但從事的是她愛好的體育、教練和體育科研工作;二哥柳百成比柳百新大兩歲,他們從小一起生活並長大,上的是同一個國小、中學和大學,現在都是清華大學的教授,哥哥是中國工程院院士,弟弟是中國科學院院士。柳百新的伯父柳溥慶是一位知名的印刷技術專家,生前任中國人民銀行總行的總工程師。他20世紀20年代去法國勤工儉學,1926年入黨。1939-1941 年間和柳百新的父親等人在上海為新四軍秘密印製解放區使用的鈔票,印製中用的銅版是柳百新的父親精心設計和雕刻的。柳百新的姑姑柳靜和姑夫吳朗西于20世紀30年代在上海創辦文化生活出版社,出版進步的作品和名著,如魯迅的作品,巴金的《家》、《春》、《秋》等。父親一輩人為了民族富強、國家興旺而奮發圖強的精神深深地印在柳百新的思想深處。

中學時代

1949-1955年,柳百新就讀于上海市聖芳濟中學(後改名為時代中學)。6年的中學生活使他在3個方面大受裨益。一是系統和高水準的英語教學,老師的純正發音,要求學生朗讀課文等,使柳百新在中學期間打下了扎實的英語基礎;二是比較靈活的教學方法,有些老師有大學或國外留學的學歷,教學中帶有啓發性;三是非常重視體育,每天課後,幾乎所有的學生都參加體育鍛練。50年代中,這個中學的排球隊曾戰勝包括成人隊在內的所有對手而獲得上海市冠軍,成為體育界的一段佳話。柳百新在中學期間,以刻苦認真的學習取得優異成績,有一年考試共11門課,他得了7個100分。在校期間,他積極參加體育活動,曾以1.55米的成績獲得過跳高亞軍。因此,中學的6年也使他的體魄強健起來,並鍛煉了他的毅力和意志。後來,他在清華大學學習期間,曾是校羽毛球隊的隊員。

考入清華

1955年,柳百新考入清華大學,被分配在工程物理系學習。大學期間,他特別註意自學能力的培養。1957年,在學習"分析力學"時,柳百新發現由于課程銜接中沒有學過"一階偏微分方程"的基礎知識,因此聽課時有較大的困難。他到圖書館找到了一本數學書,自學了兩個月才真正體會到"分析力學"在處理多粒子問題中的"美妙"之處。柳百新認為外語是一個重要的工具,需要刻苦學習、反復練習才能達到"熟能生巧"的境界。三年級學習"光學"時,他就直接看俄文參考書。後來,他認為上課時聽老師的講解,課後再看俄文參考書,學會新的物理內容。因此,他找了一本內容不熟悉的俄文科學論文,用了一個多月時間,通過俄文理解了物理內容。

教學工作

1961年畢業後,柳百新被留在工程物理系工作,第一項任務是開"固體物理"課。他備課認真,寫出詳細的教案,講課效果很好。1963年,柳百新和同學了6年的倪蕙苓組織了自己的家。倪蕙苓是天津市人,1955年進入清華大學工程物理系(核物理專業)學習,畢業後在中國科學院原子能研究所(後改為高能物理研究所)工作。她主持研製的亮度監測器,為1988年正負電子對撞機上正負電子的首次對撞成功提供了第一時間的直接證據。在將近半個世紀的歲月裏,他們始終相互幫助,相互照顧,共同前進。

"文化大革命"期間,柳百新于1969年被派到江西鯉魚洲農場去接受"再教育"。同年底被調回清華大學從事核能研究。1978年,柳百新回到工程物理系做教學和研究工作。

訪問研究

1980年初,他靠著扎實的材料科學和英語的基礎通過了選拔出國進修的3門考試,于1981年初由國家教委公派去美國加州理工學院做訪問研究。1981-1982年,柳百新在美國加州理工學院做了大量研究工作,發表了9篇第一作者和8篇合作作者的論文。80年代初,在"離子束材料改性"領域中提出了一種新的離子束混合實驗方法,柳百新的第一份工作就是用這種方法研究非晶態合金的形成。經過調研,他提出了科學上的假設,並用系統的實驗作了論證,由此提出了"結構差異規則"。1982年,應邀在法國舉行的第三屆"離子束材料改性"國際會議上作報告,受到與會者的高度重視,一位法國教授把他報告的每一張膠片都拍了照。此外,加州理工學院活躍的學術氛圍及學者們對基礎研究的熱情和"樂在其中"的精神狀態給柳百新留下了深刻的印象。

學術成果

長期在載能離子束與材料的作用及改性、薄膜材料和核材料等領域從事研究工作。以金屬多層膜離子束混合為實驗手段研究亞穩合金相的形成與相變,提出二元金屬系統中非晶態合金形成的經驗模型,建立相應的熱力學模型,提出從原子互作用勢計算玻璃形成能力,並從第一性原理計算亞穩合金相的穩定性。提出用離子束輻照研究非晶態合金相變臨界現象的思想,發現固體薄膜中分形生長的新現象。在氮離子註入研究中,闡明了金屬氮化物形成的熱力學和生長動力學規律,發展出強流金屬離子註入在矽表面合成金屬矽化物的新技術。用實驗論證了生成熱為正的系統中,多層膜中的介面能有可能驅動固態非晶化反應,提出相應的理論判據,並用分子動力學模擬揭示了介面反應的原子運動機製。

研究領域

研究方向

離子束與固體的作用及材料改性、計算材料科學、薄膜材料、核材料等。

科研項目

(部分項目名稱)

1.國家重點基礎研究發展規劃(973)課題:

載能離子束製備新材料的基礎研究。

2.國家自然科學基金重點項目:

金屬合金系中介面、亞穩相及相關性能的實驗研究和物理多尺度理論計算。

教學情況:培養了22名博士和6名碩士。

1995年,畢業的張政軍博士獲得全國首屆百篇優秀博士論文獎;

1998年,畢業的陳益鋼博士名列1997年度SCI論文數全國第二名;

3名博士生獲得國家傑出青年基金;

7名博士生獲得德國洪堡博士後獎學金;

學術獎勵

獲獎年份

獲獎年份

所獲獎項

1993年

國家自然科學二等獎

1999年國家自然科學三等獎

1997年

北京市科技進步(自然科學類)一等獎

1993年

中國物理學會葉企孫(凝聚態)物理獎

1990年

國家教委科技進步(甲類)一等獎

1986年

國家教委科技進步(甲類)一等獎

1997年

北京市教學成果一等獎(項目名稱:培養國際一流水準博士生的研究與實踐)

1995年

北京市優秀教師稱號

1997年

全國優秀留學回國人員榮譽證書

詳細情況

1982年底柳百新按時回國,並積極準備開展研究工作。

1986年,他獲得了第一份國家自然科學基金,使他能啓動思考了一段時間的基礎研究。後來,他連續獲得過2項重點和8項面上基金。隨著工作的發展,他還獲得過"863"和"973"項目的科研經費、國際原子能機構的資助、與美國通用汽車公司和美國聯合技術公司合作的科研經費。他的研究領域包括載能離子束與固體的作用及材料改性、計算材料科學、薄膜材料和核材料等。

20年來,發表學術論文330多篇,其中國際會議論文48篇;SCI收錄論文290篇。1991年他名列SCI收錄個人發表論文數全國第一名。發表的論文迄今已被引用2000多次。他曾訪問過14個國家以及香港和台灣地區,在國際會議上報告40次,其中邀請報告20次,並應邀在著名的大學和研究所做學術報告40多場次。柳百新的研究成果受到國內外同行的高度重視。

1984年,他當選為玻姆物理學會(Bohmische Physical Society)(專業為粒子-固體相互作用)的科學委員;

1988-1989年應邀擔任中國高等科學技術中心特別成員。1993年起應聘擔任國際期刊《J.Nuclear Materials》的顧問編委會委員;1998年當選為美國物理學會(American Physical Society)理事(Fellow);

1999-2000 年應聘擔任國家重點基礎研究發展規劃的項目咨詢顧問組成員。

1999年以來,還應聘擔任國家自然科學獎、科技進步獎和發明獎以,及國家自然科學基金委學科評審組的專家等。柳百新曾以第一完成人獲1986年和1990年度教委科技進步獎一等獎,1993 年度國家自然科學獎二等獎,1997年度北京市科技進步獎一等獎和1999年度國家自然科學獎三等獎。他個人還獲得中國物理學會授予的葉企孫(凝聚態)物理獎。

2001年,柳百新當選為中國科學院院士。

教學情況

培養了27名博士和6名碩士。1995年畢業的張政軍博士獲得全國首屆百篇優秀博士論文獎;1998年畢業的陳益鋼博士名列1997年度SCI論文數全國第二名;3名博士獲得國家傑出青年基金;7名博士獲得德國洪堡博士後獎學金;等。柳百新因培養研究生的工作獲1997年北京市教學成果一等獎[項目名稱: 培養國際一流水準博士生的研究與實踐],1995年北京市優秀教師稱號和1997年全國優秀留學回國人員榮譽證書。

研究梯隊:賴文生副教授;李正操副教授;李家好博士後;博士生10名; 實驗室工作人員等。

研究成果

闡明離子註入下金屬氮(碳)化物的形成規律

氮(碳)離子註入在金屬表面層中有可能形成相應的氮化物(碳化物)而改善材料的摩擦學性能。柳百新帶領幾名學生對20 多種金屬作了系統的研究,獲得多種新的合金相,揭示了新相與母相結構匹配的重要性,由此提出結構適應性原則,並用快速切變機製解釋了實驗中觀察到的有關相變。研究結果綜合闡明了金屬氮化物(碳化物)形成中熱力學和生長動力學諸因素各自的作用和主次關系。1989年應邀為德國"固態物理"期刊撰寫了綜述性論文。這項工作也是"863"材料表面最佳化專題中的課題,結題時受到專家組的表彰。

以上關于非晶、分形和氮(碳)化物的3項研究成果一起獲得1993年度國家自然科學獎二等獎,獲獎項目名稱為:載能離子束與金屬作用下合金相的形成與分形生長現象的研究。

提出離子束混合形成亞穩合金相的熱力學模型

柳百新領導的研究組以A.R.Miedema模型為理論架構對亞穩合金相進行熱力學計算。首次考慮了多層膜中曾被忽略的介面能的作用,並將介面能加在多層膜的初始能態上。計算結果表明:對于生成熱△Hf>0的系統,介面能隨介面份額(定義為介面層中的原子數與多層膜中的總原子數之比)的增加而增加,因此使多層膜的初始能態升高而與非晶相呈凸形的自由能曲線相交割,從而把合金成分劃分為3個區域:中央區域中非晶相的自由能仍高于多層膜,而另外兩側的成分區域中多層膜的初始能態都已超過了非晶相。進一步提高多層膜中的介面份額使初始能態提高,也有可能在非晶相自由能最高的等原子比附近獲得非晶態合金。這些預言都用離子束混合實驗在多個二元金屬系統中得到證實,論證了對于△Hf>0的系統,介面能是非晶態合金形成的熱力學驅動力;而對于△Hf<0的系統,介面能的影響是較小的,負的△Hf本身是非晶化相變的驅動力。由此建立了適用于△Hf<0和△Hf>0(實驗中研究的系統的最大生成熱為+65kJ/mol)的二元金屬系統中多層膜離子束混合形成非晶態合金的熱力學模型。

離子束混合還獲得眾多的亞穩晶態合金。經常觀察到的是A3B和AB3型亞穩晶相(A和B代表A-B二元金屬系統的兩個組元金屬)。柳百新領導的研究組提出了改進的熱力學演算法,計算出這兩種亞穩晶相的自由能曲線,由此構造了更為完善的Gibbs自由能圖。對于計算得到的自由能圖,首次提出用穩態退火的實驗來檢驗其合理性的思想。結果表明:退火中有關合金相隨升溫而出現的次序與自由能圖所預言的相符,由此肯定了構造的自由能圖(至少在架構上)是合理的。

對于上述兩類亞穩晶相,提出bcc-hcp-fcc(體心立方-密堆六角-面心立方)兩步驟相變的生長動力學機製,揭示了從bcc 為基的合金中先後生長出hcp和fcc相的原子運動模型,並推導出hcp和fcc相的點陣常數,與實驗中用衍射分析測定的值符合得很好。近年裏,柳百新指導的博士生從第一性原理計算肯定了二元金屬系統中存在相應的兩種亞穩物質狀態,對應于實驗中獲得的上述兩種亞穩晶相,從固態電子結構的層次闡明了A3B和AB3型亞穩晶相的穩定性。

這項研究成果使經驗規律上升到熱力學和生長動力學的理論模型,對亞穩合金相的形成及相變理論的發展作出了有意義的貢獻。闡明了介面能是△Hf>0的系統中合金化和非晶化的主要驅動力,由此可以通過多層膜的設計而製備出成分可調的新型亞穩合金。本領域奠基人之一、美國工程院院士J.W.Mayer給于很高的評價,稱之為"multilayer technique"。1998年,由Mayer和其他4位美國學者聯合提名,柳百新因為"對離子束混合形成非晶態合金的理解所作出的傑出貢獻"而當選為美國物理學會理事(Fellow)。

提出固態反應非晶化的熱力學和原子運動模型

1983年以來,文獻中一直認為多層膜中固態反應非晶化的必要條件是系統的生成熱很負和原子尺寸差很大。柳百新領導的研究組首先用系統的實驗論證了固態反應非晶化也可以在生成熱為正的系統中發生,論證了多層膜中的介面能是非晶化相變的驅動力。關于Cu-Ta多層膜的實驗結果發表于1995年底,而國外用Cu-Ta雙層膜觀察到同樣相變的工作發表于1999年。柳百新等人又進一步定義了熱力學和動力學因子,對研究過的28個系統作了定量的計算,由此提出固態反應非晶化的理論判據,與迄今發表的實驗結果相符合。

對Ni-Mo,Ni-Nb,Ni-Ta,Ni-Ti等系統,套用已建立的原子相互作用多體勢,通過分子動力學方法在原子運動的層次研究了固態反應的動力學:觀察到穿越介面的原子遷移、揭示了非晶化受擴散或介面控製的規律、揭示了介面織構可能在非晶化中起形核或生長位壘的作用、並觀察到兩種金屬晶體無序化的先後次序。根據模擬和實驗結果,柳百新等人首次闡明了晶態-非晶態相變的物理本質是晶格中固溶原子超過臨界固溶度時的塌陷。由此推理:當兩組元金屬的固溶度有差異時,在其他條件相同的情況下,非晶層向固溶度小的金屬方向生長得應該較快,所作預言與實驗觀察結果相符。

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