二维原子团簇在典型金属及合金表面的扩散动力学行为

摘要

本文应用分析型原子嵌入模型,根据平台-台阶-纽结(TLK)模型,采用分子动力学方法研究了吸附原子和二维团簇在金属及合金表面扩散动力学特性,期望为外延晶体生长提供一定的指导作用。
　　 本文首先介绍了表面的一些基本概念、TLK模型、表面科学中的实验技术、常用势函数、分析型嵌入原子模型、分子动力学方法、表面晶格的构建方法和随机行走模型等。
　　 修正了Einstein关系表达式,使之符合分子动力学的模拟时间。根据TLK模型,研究了吸附原子和团簇在Pd低指数表面上的扩散动力学特征；研究了吸附原子在台阶以及纽结处的自扩散行为。吸附原子和二聚体在Pd(001)面上扩散都是通过简单交换机制进行的,迁移能和扩散前因子由.Arrhenius关系导出,二聚体的迁移能比吸附原子略低。吸附原子在Pd(110)面的扩散各向异性,沿沟渠方向通过跃迁机制,而穿越沟渠则与渠壁原子发生交换进行扩散。二维团簇在Pd(111)面的迁移能随团簇中原子数目增加而递增,Pd7团簇的扩散前因子值比吸附原子的大2个数量级,其因为在于密排团簇在扩散过程中产生了大量的挤压、畸变等。对密排团簇,主要是通过整体滑移机制进行扩散；而对非密排团簇,则主要是通过局域扩散机制进行。在以Pd(111)面为基底的外延生长实验中,Pd7团簇在室温下能够成为薄膜的生长种子。吸附原子沿台阶方向都是通过跃迁机制进行扩散,在同一温度,扩散率比在相应的平台上都要低。吸附原子跨越低指数面的台阶时都必须克服一个附加的ES能量势垒。二聚体很难跨越Pd(001)面的密排台阶。Pd(001)面台阶处的纽结能显著降低ES势垒,使得吸附原子更容易跨越台阶。在Pd(110)和Pd(111)面的台阶处,与相应的ES势垒值相比,纽结只能略微降低ES势垒,对层间质量传输影响不大。在同质外延晶体生长实验中,以Pd(001)面为基底,能生长出致密而均匀的薄膜；以Pd(111)面为基底,在低温范围下,容易生长出底部是三角形的金字塔形貌的小山包；如果以Pd(110)为为基底,则表面会生长出狭长条形的下宽上窄的山峰形的结构。
　　 研究了HCP金属中的Re和Zr二维团簇在低指数面及相应台阶处的自扩散动力学行为。在HCP(0001)密排面,扩散迁移能也随团簇增大而增加,从六聚体到七聚体,显著增加；七聚体的扩散前因子比相应的吸附原子的大两到三个数量级；对密排团簇,主要是通过整体滑移机制进行扩散；而对非密排团簇,则主要是通过局域扩散机制进行,与二维Pd团簇在Pd(111)面的扩散机制类似。在以HCP(0001)面为基底的同质外延生长实验中,Re3在室温下能够成为薄膜生长中的晶核,然而Zr7不能成为薄膜生长中的晶核。Re吸附原子和二聚体在Re(10(1)0)面的扩散路径总是沿着沟渠方向跃迁,这与吸附原子在Pd(110)面自扩散机制不同(沿沟渠方向通过跃迁机制,穿越沟渠则是通过与渠壁原子交换),二聚体的扩散机制是两个原子同时跃迁到邻近的平衡位置,迁移能基本上是吸附原子的2倍。
　　 在Re(0001)面上,吸附原子不但沿台阶方向的扩散是通过跃迁机制,而且跨越台阶的扩散方式也采用跃迁机制。通过沿台阶方向的扩散动力学方程可知,吸附原子沿A、B型台阶方向扩散的速率随基底温度变化:当基底温度低于临界温度1670±20 K时,吸附原子沿B型台阶的扩散率快；当基底温度高于临界温度时,反而沿A型台阶的扩散率更快。吸附原子跨越台阶的ES势垒很高,而纽结只能轻微降低ES势垒,吸附原子难以跨越台阶,层间质量输运很困难。在外延生长的过程中,容易形成金字塔形的三维生长模式,与低温下以Pd(111)面为基底的同质外延生长情况类似。
　　 研究了Pt2和Pt3团簇在Pd(111)面的异质扩散动力学行为,其扩散机制与Pd2和Pd3团簇在Pd(111)面的扩散机制相同,在相同的温度下,相应的异质扩散率比同质的要低,而异质扩散的特征扩散温度都比同质的高。
　　 研究了Fe、Al吸附原子在B2-FeAl(110)和B2-FeAl(001)面的扩散动力学行为。在B2-FeAl(110)面上,Fe吸附原子的迁移能要比Al吸附原子的要低,在同一温度下,Fe吸附原子比Al吸附原子扩散得更快。在最外层是Al原子的B2-FeAl(001)面,Fe吸附原子的迁移能要比Al吸附原子的要高很多,在相同的温度下,其扩散速率也要低很多。Fe2二聚体在B2-FeAl(110)面上的迁移能比Fe吸附原子的迁移能略低源于二聚体在扩散的过程中与基底的键合更弱,打破相同的键所需要的能量更低。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 晶体的基本知识

1.2.1 晶体结构

1.2.2 晶向和晶面指数

1.2.3 与表面相关的基本概念

1.3 TLK模型

1.4 表面研究的实验分析技术简介

1.4.1 低能电子衍射

1.4.2 场离子显微镜

1.4.3 扫描隧道显微镜

1.5 表面动力学研究的理论计算方法

1.6 嵌入原子方法在材料设计中的地位

1.7 本文研究意义、目标和内容

第2章 势函数与计算方法

2.1 引言

2.2 常用势函数

2.2.1 第一性原理

2.2.2 势函数展开

2.2.3 两体势函数

2.2.4 多体势

2.2.5 密度势函数

2.3 MAEAM势

2.4 分析型嵌入原子模型对合金的处理

2.4.1 合金势的表达式

2.4.2 模型参数rc、μ和fe的确定

2.5 分子动力学方法

2.5.1 有限差分法

2.5.2 系综概述

2.6 表面构建与坐标变换

2.7 随机行走模型

2.8 本章小结

第3章 Pd吸附原子和团簇在Pd低指数面上的自扩散

3.1 引言

3.2 吸附原子和二聚体在Pd(001)面动力学扩散行为

3.2.1 模型构建与模拟方法

3.2.2 吸附原子在Pd(001)面上的扩散

3.2.3 二聚体在Pd(001)面上的扩散

3.2.4 结果讨论

3.3 吸附原子在Pd(001)面台阶处的扩散行为

3.3.1 Ehrlich-Schwoebel势垒

3.3.2 模型构建

3.3.3 吸附原子沿台阶方向的扩散动力学行为

3.3.4 吸附原子跨越台阶的扩散行为

3.3.5 吸附原子在纽结处的扩散行为

3.3.6 二聚体跨越台阶的扩散行为

3.3.7 以Pd(001)面为基底的晶体外延生长讨论

3.4 吸附原子在Pd(110)面扩散动力学行为

3.4.1 引言

3.4.2 模型构建与模拟方法

3.4.3 计算结果

3.5 吸附原子在Pd(110)面上台阶处的扩散行为

3.5.1 吸附原子在Pd(110)面台阶处的扩散行为

3.5.2 吸附原子在Pd(110)面上纽结处的扩散行为

3.6 团簇在Pd(111)面上扩散动力学行为

3.6.1 吸附原子在Pd(111)面上的扩散动力学行为

3.6.2 二维团簇在Pd(111)面上的扩散动力学行为

3.7 吸附原子在Pd(111)面台阶处的扩散行为

3.7.1 模型构建

3.7.2 吸附原子沿台阶方向的扩散动力学行为

3.7.3 吸附原子跨越Pd(111)面台阶处的扩散行为

3.8 吸附原子在高指数Pd(221)面动力学扩散行为

3.9 本章小结

第4章 吸附原子和团簇在HCP金属低指数面上的扩散研究

4.1 Re吸附原子及二维团簇在Re(0001)面上自扩散动力学行为

4.1.1 引言

4.1.2 模型构建与模拟方法

4.1.3 Re吸附原子在Re(0001)面上的扩散动力学扩散行为

4.1.4 二维团簇在Re(0001)面上的扩散动力学行为

4.2 Re吸附原子及二聚体在Re(10(1)0)面上自扩散动力学行为

4.3 吸附原子在Re(0001)面上台阶处的扩散动力学行为

4.4 Zr吸附原子及二维团簇在Zr(0001)面上自扩散动力学行为

4.5 本章小结

第5章 异质及合金表面上的扩散动力学研究

5.1 Pt团簇在Pd(111)面上的扩散动力学行为

5.2 吸附原子和二聚体在B2-FeAl低指数面的扩散动力学行为

5.2.1 引言

5.2.2 吸附原子在B2-FeAl(110)面扩散动力学行为,与在Fe(110)面的比较

5.2.3 Fe2二聚体在B2-FeAl(110)面扩散动力学行为,与在Fe(110)面的比较

5.2.4 吸附原子在B2-FeAl(001)面扩散动力学行为

5.3 本章小节

结论

参考文献

致谢

附录 A 公开发表的论文