液相基底表面具有排斥相互作用的非平衡原子团簇系统及其连续薄膜透声特性研究

摘要

本文研究了高真空条件下银原子及其团簇在带电硅油基底表面的凝聚及扩散行为,并在此实验基础上对原子及其团簇的凝聚和扩散机制进行了Monte Carlo模拟研究。首次在无格点基底表面建立了存在排斥相互作用的原子团簇非平衡系统模型,并利用该模型对实验得到的主要结论进行了研究,模拟结果与实验事实相符。另一方面,我们还利用该模型对现有实验条件下难以观察到的物理现象作了预言,并对预言结果进行了理论分析。我们认为,本文中所建立的具有排斥相互作用的非平衡系统模型及其相应程序经适当调整后还可应用于诸如环境污染控制等其它非平衡系统。
　　 另外,本文还首次就穿孔板正面衬贴薄膜(包括有机薄膜及其与液相基底上生长的纳米级金属薄膜复合形成的金属-有机薄膜)、孔末端带毛刺及孔形为圆台的穿孔板结构的吸声特性进行了初步研究。首次发现纳米级金属薄膜具有优越的透声性能,它与有机薄膜形成的复合膜衬贴在穿孔板正面时可起到防尘、防潮、防腐蚀、防紫外线照射下材料老化等作用；孔末端带毛刺可明显改善微穿孔板吸声结构的低频吸声性能；对孔径在1mm上的穿孔板吸声结构,孔形为圆台且半径小的圆台面面向声源时,其吸声性能明显优于圆柱形孔,但对穿孔孔径在1mm以下的微穿孔吸声结构,穿圆柱形孔时的平均吸声系数却比穿圆台形孔时略高。这些新发现在噪声控制领域具有一定理论研究和应用价值。
　　 本论文各章节内容安排如下:
　　 第一章:对固体基底表面金属薄膜成核、生长理论及实验研究现状作了综述,介绍了固体基底上薄膜的成核和生长过程,分析了影响团簇形貌的因素及团簇的扩散机制。对团簇与团簇、团簇与基底之间的相互作用及薄膜生长模型等作了较为系统的介绍和评述。介绍了液体基底表面金属薄膜研究的最新进展。
　　 第二章:对带电硅油基底表面沉积银原子的凝聚和扩散过程进行了实验研究。结果表明:沉积银原子首先形成平均直径约为1.2μm的银原子团簇,然后这些团簇逐渐向液体基底边缘扩散,团簇间的相对距离随扩散时间t逐渐增大,而团簇数密度,n却处处随时间t减小,并呈n=H0e-Oft的指数规律衰减,其中Of为衰减时间常数；在硅油基底中心区域,银原子团簇之间的相对速度V与它们的相对距离L满足线性关系vfit=HL,其中vfit是相对速度V的拟合值,H为线性拟合斜率。实验和理论分析均表明H≈Of,,其值均为2×10-4s-1数量级。由于受光学显微镜分辨率极限的限制,实验中无法观察到直径小于0.5μm的团簇的凝聚及扩散过程。理论分析表明,沉积银原子开始不带电,而是先成核凝聚成团簇,只有当团簇达到一临界半径后,团簇才开始带电,带电团簇在电场力作用下向液体基底边缘扩散并在边缘积聚。
　　 第三章:在无格点基底表面建立了存在排斥相互作用的原子团簇凝聚及扩散的模拟模型,并对沉积在均匀带电硅油基底表面的银原子凝聚及扩散过程进行了模拟研究。研究表明:当沉积原子凝聚成稳定的原子团簇后,由于团簇带同种电荷,团簇之间存在库仑排斥作用,因此团簇数密度随时间呈指数形式衰减,衰减时间常数为Of；两团簇相互离散的相对平均速率V与它们之间的相对距离L在统计意义上成正比,即V=HL。停止沉积后初期,H≈Of,,然后随着扩散时间的增加,H和Of逐渐趋于零；在扩散早期,基底边缘聚集的银原子团簇平均直径相对较小,但随着扩散时间的增加,基底上团簇平均直径快速增加,在t≥2500 s后,向边缘扩散的团簇直径基本趋同,平均变化值不超过0.1μm。模拟中增大基底粘滞系数时,摩擦力增大,H逐渐减小,且摩擦力与H基本满足线性关系,其斜率为-0.10±0.01。模拟中我们认为原子团簇大于临界半径r1后,团簇才开始带电,且r1与沉积原子吸收电子的亲和能大小密切相关,模拟发现H与Of均随r1增加而缓慢增大,斜率分别为1.2±0.3和1.6±0.6。上述模拟结果与实验事实基本一致。本章所建立的具有排斥相互作用的原子团簇非平衡系统模型,对研究利用可控的原子团簇之间以及团簇与基底之间的相互作用,特别是利用带电原子团簇与电磁场的相互作用制备稳定的、具有纳米尺度的微观系统具有重要意义,该模型及其相应程序经适当调整后还可应用于诸如环境污染控制等其它非平衡系统。
　　 第四章:本章首次对穿孔板正面衬贴薄膜(包括有机薄膜及其与液相基底上生长的纳米级金属薄膜复合形成的金属-有机薄膜)、孔末端带毛刺及孔形为圆台的穿孔板结构吸声性能进行了初步研究。结果表明:对垂直入射的100～2000Hz声波,在微穿孔板正面衬贴0.1 mm有机薄膜前后,各频率上的吸声系数变化值最大不超过0.1；在0.1mm有机薄膜上再衬贴纳米级金属薄膜前后,其吸声系数变化值最大不超过0.03,且当入射声波频率为100Hz～1000Hz时,随着衬贴在有机膜上的纳米级金属薄膜厚度的增加,其吸声系数也有所增加。孔末端不论是否带毛刺,不同穿孔率的微穿孔吸声结构具有不同的共振吸声峰,随着穿孔率的减小,吸声峰向低频移动,且在相同穿孔率下,腔深大的吸声峰所在频率较低；对同一微穿孔吸声结构,孔末端带毛刺时其共振吸声频率略低于不带毛刺时的共振吸声频率；当入射声波频率小于孔末端带毛刺的微穿孔结构共振吸声频率时,孔末端带毛刺时的吸声系数大于不带毛刺时的吸声系数,反之,前者的吸声系数小于后者的吸声系数。对孔径在1 mm以上的穿孔板吸声结构,孔形为圆台且半径小的圆台面面向声源时,其吸声性能明显优于圆柱形孔,但对穿孔孔径在1mm以下的微穿孔吸声结构,穿圆柱形孔时的平均吸声系数却比穿圆台形孔时略高。理论分析表明,该实验结果与已有的穿孔板、微穿孔板理论基本相符。