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Al表面“类液”结构及自扩散的原子模拟

作　者: 陈功宝
导　师: 路文江；汤富领
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料学
关键词: 表面结构分子动力学熔化自扩散表面能
分类号: TG111.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 15次
引　用: 1次
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内容摘要

材料的表面具有体材料所不具备的特殊性质,而且表面直接和环境接触,从而影响材料的各种使用性能。因此对材料表面的研究显得尤为重要,其中表面熔化和表面扩散是研究的重点之一。为了探究纯金属表面在熔化前的特殊结构,加深对金属熔化的理解,本文以金属Al为例,应用分子动力学方法,采用嵌入势模型,首先计算了在0K下Al各面的表面弛豫和表面能,在此基础上对熔点下和熔点上Al(001),(110)和(111)表面的原子结构和自扩散现象进行了模拟研究。本文结构如下:第一章介绍了材料表面的特殊结构和基本性质,第二章介绍了采用的分子动力学方法,第三章确定了本文采用的原子嵌入势(EAM),并构建了模拟计算的Al表面模型。在第四章我们计算了Al的表面弛豫和表面能,发现Al的表面弛豫主要发生在第一原子层,而且是影响表面能的主要因素。第五章,我们对Al的三个取向面在特殊温度下进行了模拟研究,发现这些表面的第一层原子在低于熔点时:Al(110)面在700±10K,Al(001)面在860±10K,Al(111)面在930±10K,呈现明显自扩散且最终转变为“类液”结构,而其余各层仍保留有序状态。对这种“类液”结构进行均方位移、原子扩散运动轨迹、结构有序参数、径向分布函数、z向粒子密度和表面层间距分析,发现它的结构和扩散行为与熔化的Al表面不同,并能在一定温度区间稳定存在。在“类液”结构中,自扩散发生在第一层原子,且绝大多数发生在与表面平行而非垂直的方向上;一部分扩散发生在原表面的最外层内,更多的扩散发生在原表面的最外层之外。三个“类液”表面的主要扩散通道不同:Al(110)面主要在表面之上沿[001]方向、Al(001)面沿[110]和[110]扩散的几率大致相同,Al(111)面沿[110]、[101]和[011]扩散的几率大致相同。在“类液”结构中没有发现层间扩散。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
第1章绪论  11-25
  1.1 课题的研究背景、目的及意义  11-12
  1.2 材料的表面  12-14
    1.2.1 表面的基本特征  12-13
    1.2.2 理想表面和实际表面  13-14
  1.3 熔化基本理论  14-17
    1.3.1 熔化的热力学表述  14-15
    1.3.2 熔化理论基本模型  15-17
      1.3.2.1 Sutherland 和 Lindemann 熔化理论  15-16
      1.3.2.2 Born 熔化理论  16
      1.3.2.3 Granato 间隙模型  16
      1.3.2.4 Fecht 点缺陷理论  16-17
      1.3.2.5 密度泛函理论  17
  1.4 金属的表面熔化  17-18
  1.5 金属表面自扩散  18-23
    1.5.1 自扩散  18-19
    1.5.2 扩散机制  19-21
    1.5.3 影响扩散的因素  21-22
    1.5.4 自扩散模拟研究现状  22-23
  1.6 本文的研究内容  23-25
第2章分子动力学（Molecular Dynamics ,MD）模拟方法  25-34
  2.1 引言  25-26
  2.2 分子动力学模拟方法的基本原理  26-30
    2.2.1 系综  26-28
    2.2.2 基本假设与原理  28-30
      2.2.2.1 分子动力学基本假设  28
      2.2.2.2 分子动力学基本原理  28-29
      2.2.2.3 分子动力学基本算法  29-30
  2.3 分子动力学模拟的边界条件  30-31
  2.4 分子动力学模拟过程  31-32
  2.5 分子动力学在材料科学中的应用  32-33
  2.6 小结  33-34
第3章原子嵌入势（EAM）的选择和模型建立  34-42
  3.1 对势  34-35
    3.1.1 Lennard-Jones(L-J)势  34-35
    3.1.2 Morse 势  35
  3.2 准原子势和有效介质理论  35
  3.3 嵌入势（EAM）及其发展  35-37
    3.3.1 EAM 基本理论  35-36
    3.3.2 分析型 EAM（AEAM）  36-37
    3.3.3 改进型 EAM（MEAM）  37
  3.4 本文选用的势函数  37-38
  3.5 模拟模型的建立  38-40
    3.5.1 金属 Al 各取向面模型  38-40
    3.5.2 系综和边界条件  40
  3.6 结构分析参数  40-41
    3.6.1 均方位移(mean squared displacement,MSD)  40
    3.6.2 结构有序参数(structure ordering parameter,SOP)  40-41
    3.6.3 径向分布函数(radial distribution function, RDF)  41
    3.6.4 z 向粒子数密度  41
    3.6.5 层间距  41
  3.7 小结  41-42
第4章 Al 各取向面表面能和Al 晶格常数的计算  42-46
  4.1 表面弛豫和表面能  42
  4.2 模拟计算  42
  4.3 Al 各表面的表面能  42-44
  4.4 Al 晶格常数的计算  44-45
  4.5 小结  45-46
第5章 Al 表面“类液”结构的分子动力学模拟  46-58
  5.1 计算模型  46
  5.2 模拟温度的确定  46-47
    5.2.1 Al(110)面  46
    5.2.2 Al(111)面  46
    5.2.3 Al(001)面  46-47
  5.3 模拟计算  47-48
  5.4 结果分析  48-56
    5.4.1 均方位移(MSD)和各向平均运动距离分析  48-51
    5.4.2 原子的扩散轨迹  51-52
    5.4.3 结构有序参数(SOP)分析  52-53
    5.4.4 径向分布函数(RDF)分析  53-54
    5.4.5 z 向粒子密度分析  54-55
    5.4.6 表面层间距分析  55-56
  5.5 小结  56-58
结论  58-59
参考文献  59-65
致谢  65-66
附录 A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)  66

Al表面“类液”结构及自扩散的原子模拟

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