AI表面“类液”结构及自扩散的原子模拟

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。