合金熔体局域结构的实验及从头算研究

摘要

X-射线衍射技术是研究高温合金熔体结构的重要方法,但它把合金熔体的三维结构投影到一维上去,只能给出总的结构因子和双体相关函数。因此,详细描述合金熔体的结构特征还需要其它的补充方法来得到偏结构参数,而其中之一就是最近二十年发展起来的从头算分子动力学理论。本文将X-射线衍射技术和从头算分子动力学模拟方法有机地结合起来,研究了工业合金Fe-Si和Fe-C的熔体结构,探讨了Fe-Si熔体的结构参数与成分的关系及其电子结构性质,给出了共晶成分的Fe-C熔体的局域结构特征。使用从头算分子动力学模拟方法并结合已有的实验结果研究了Ⅲ-Ⅴ族半导体GaSb和InSb的液态结构、动力学性质及电子结构；GaSb液态结构随温度及压强的变化规律。本文的主要内容如下： 由于实验上的困难,关于Fe-Si合金熔体结构的实验研究没有给出可靠的偏结构参数。本文研究了多个成分的Fe-Si合金熔体的结构,系统地给出了Fe-Si合金熔体的结构参数随成份的变化规律,并以此为依据将Fe-Si熔体随成分的变化划分为四个区间。第一次使用从头算方法研究了Fe-Si熔体的电子结构,结果表明Fe-Si熔体中异类原子间较强的相互作用来源于Fe(3d)与Si(3p)的轨道杂化。由Fe-Si熔体的电子结构分析可以预言：当Si含量超过70.0at.%时,Fe-Si熔体中含有Si-Si共价键。 早期关于Fe-C合金熔体结构的实验研究主要集中于考察其总结构参数,而没有给出Fe-C合金熔体局域结构的特征。本文研究了共晶成分的Fe-C合金熔体的结构。给出了共晶Fe-C合金熔体的偏结构参数,发现在Fe-C熔体中异类原子间存在较强的相互作用；C原子的第一近邻几乎全由Fe原子组成,而C原子则在较大尺寸上存在相关性。系统地研究了共晶Fe-C熔体和Fe3C晶体结构的相关性,首次给出了Fe-C熔体和Fe3C晶体结构中C周围Fe原子的局域结构具有相似性的证据。电子结构的研究表明,Fe-C熔体结构中,异类原子间较强的相互作用来源于Fe(3d)与C(2p)的轨道杂化。 实验上已经发现液态GaSb和InSb的物理性质与温度的关系不同于简单的液态金属,而现有的关于GaSb和InSb的液态结构的实验研究没有给出对这

目录

摘要

ABSTRACT

本文的主要创新点

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 液态结构的实验研究

1.2.1 实验技术

1.2.2 实验研究现状

1.3 液体结构的分子动力学模拟方法

1.4 与 Fe-Si、Fe-C 及 GaSb和 InSb熔体结构有关的研究

1.4.1 Fe-Si熔体结构的研究

1.4.2 Fe-C 熔体结构的研究

1.4.3 GaSb和 InSb熔体结构的研究

1.5 本文的主要研究内容

参考文献

第二章 实验及计算方法

2.1 实验的理论基础

2.1.1 单组元体系

2.1.2 二元体系

2.2 X-射线衍射实验简介

2.3 分子动力学方法

2.3.1 经典分子动力学方法

2.3.2 从头算分子动力学方法

2.4 本文使用的计算方法

2.5 各种物理量的提取

参考文献

第三章 Fe-Si合金熔体结构的研究

3.1 引言

3.2 研究方法

3.2.1 实验方法

3.2.2 计算方法

3.3 实验结果与分析

3.4 计算结果与分析

3.4.1 结构分析

3.4.2 电子结构

3.5 结论

参考文献

第四章 共晶 Fe-C合金熔体结构的研究

4.1 前言

4.2 实验及计算方法

4.2.1 实验方法

4.2.2 计算方法

4.3 实验结果与计算结果的比较

4.4 共晶 Fe-C合金的熔体结构

4.5 共晶 Fe-C合金熔体的动力学性质

4.6 共晶 Fe-C合金熔体的电子结构

4.7 结论

参考文献

第五章 GaSb和 InSb液态结构的研究

5.1 引言

5.2 计算方法

5.3 GaSb和 InSb的液态结构

5.4 液态 GaSb和 InSb的动力学性质

5.5 液态 GaSb和 InSb的电子结构

5.6 结论

参考文献

第六章 GaSb合金的液态结构与温度的关系

6.1 引言

6.2 计算方法

6.3 GaSb的液态结构与温度的关系

6.4 液态 GaSb的动力学性质与温度的关系

6.5 液态 GaSb的电子结构与温度的关系

6.6 讨论

6.7 结论

参考文献

第七章 GaSb合金的液态结构与压强的关系

7.1 引言

7.2 计算方法

7.3 结果与讨论

7.4 结论

参考文献

第八章 结论

致谢

附录 攻读博士学位期间发表的论文