铝和铁表面自扩散的分子动力研究

摘要

晶体表面原子的扩散在材料相关领域的许多现象中扮演着重要角色，例如晶体生长、催化等。铝和铁是工业中广泛使用的金属材料，表面原子的迁移和扩散是影响材料性能的重要因素，也是动态条件下改变表面结构的重要起因之一，对铝和铁表面扩散过程的研究具有重要意义。实验技术的进步使人们开始可以通过实验手段直接观察表面原子的运动。然而，受制于时间分辨率、真空条件、样品制备等因素的限制，对表面原子扩散机制的研究还存在一定困难。计算机模拟在某种程度上可以克服这些困难，使人们能够直接展示原子在表面的运动轨迹。
　　随着理论方法和计算机水平的巨大进步，人们开始尝试利用计算机模拟的方法来研究原子在金属表面扩散的物理本质，所采用的方法包括第一性原理、经典的分子动力学等。但在这一领域目前还存在许多未解决的问题，包括如何建立合理的物理模型、系统地研究不同的体系并与实验结果进行对比等。因此对金属表面的原子扩散过程进行理论研究，探索合理的物理模型和模拟方法，为今后的金属表面的研究积累宝贵的数据显得尤为重要。本文即采用分子静力学和分子动力学方法模拟铝、铁表面原子的扩散过程。
　　首先，分别对Al、Fe三个低指数表面的稳定性进行了研究，分别计算了表面能、表面弛豫、空位形成能以及自吸附原子形成能，研究结果表明:随着表面原子密排程度的增加，表面能随之降低，表面弛豫程度也随之降低，点缺陷在表面的形成能升高，表面结构的稳定性增加。
　　其次，分别对点缺陷在Al、Fe表面的扩散迁移能进行了研究，计算了各种迁移机制的扩散迁移能，研究结果表明:在Al表面上以及Fe(100)和Fe(110)面上，空位和吸附原子在最外层表面以第一近邻简单跳跃机制迁移的能垒是最低的，在Fe(111)面上，点缺陷以交换机制跳跃的能垒较低。
　　最后，在不同温度下，分别对点缺陷在Al、Fe表面的扩散进行了动力学模拟，给出了点缺陷在各个表面的最优扩散机制，获得了扩散迁移能，研究结果表明:在三个Al表面以及Fe(110)面上发生频率最高的扩散机制是沿第一近邻方向的简单跳跃机制，而在Fe(100)和Fe(111)表面上点缺陷均倾向于以交换机制进行扩散;相对于空位而言，吸附原子在三个Al表面上的扩散发生温度更低，跳跃频率更高，迁移能更低;吸附原子在Al、Fe密排面上的自扩散迁移能要远低于在其他表面上的自扩散迁移能;点缺陷在Al、Fe表面的扩散过程中，原子均是倾向于沿着结构的最密排方向进行迁移。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 晶体表面

1．2．1 表面原子结构

1．2．2 表面缺陷

1．3 表面扩散

1．3．1 表面原子的扩散

1．3．2 表面扩散系数

1．4 研究现状与展望

第二章 分子动力学基础理论

2．1 分子动力学基本内容

2．1．1 分子动力学的基本假设

2．1．2 分子动力学模拟流程图

2．1．3 分子动力学初始条件

2．2 相互作用势

2．3 运动方程式及演算法

2．4 Verlet列表法

2．5 周期性边界条件

2．6 物理量的量纲转换

2．7 小结

第三章 表面结构稳定性的计算

3．1 引言

3．2 模拟方法

3．3 表面能

3．4 表面弛豫

3．5 表面点缺陷形成能

3．5．1 空位形成能

3．5．2 吸附原子形成能

3．6 小结

第四章 表面的自扩散模拟

4．1 引言

4．2 模拟方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 表面点缺陷静态迁移能

4．3．2 表面点缺陷扩散的分子动力学模拟

4．4 小结

第五章 总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文