NaCl結(jié)構(gòu)離子晶體中1-2〈110〉{110}位錯(cuò)性質(zhì)研究.pdf

1、晶體材料中存在大量的位錯(cuò)缺陷，這些位錯(cuò)缺陷對(duì)晶體的性質(zhì)特別是力學(xué)性質(zhì)具有非常重要的影響。位錯(cuò)缺陷的關(guān)鍵問(wèn)題是確定位錯(cuò)芯結(jié)構(gòu)問(wèn)題。經(jīng)典的Peierls-Nabarro(P-N)模型雖然能定量地給出位錯(cuò)的芯寬度和Peierls應(yīng)力。P-N模型建立在連續(xù)介質(zhì)近似下，忽略了晶格離散效應(yīng)對(duì)位錯(cuò)性質(zhì)的影響。此外，經(jīng)典的P-N選用正弦力律來(lái)表示失配面之間的非線性相互作用。然而，正弦力律對(duì)實(shí)際晶體過(guò)于粗糙。隨著力律和廣義層錯(cuò)能關(guān)系的揭示，經(jīng)典的P-N模

2、型的理論結(jié)果獲得了很大的改善。但是，晶格離散效應(yīng)的研究仍缺乏進(jìn)展。近年來(lái)，基于點(diǎn)陣靜力學(xué)的全離散位錯(cuò)晶格理論已基本建立起來(lái)，并且已經(jīng)給出了用于討論位錯(cuò)芯結(jié)構(gòu)的普適位錯(cuò)方程(修正的P-N方程)。本文的主要任務(wù)是基于修正的P-N方程結(jié)合第一性原理方法獲得的廣義層錯(cuò)能研究NaCl結(jié)構(gòu)離子晶體中1/2<110>{110}位錯(cuò)的性質(zhì)，具體包括：
　　 (1)NaCl結(jié)構(gòu)堿金屬鹵化物中1/2<110>{110}位錯(cuò)1/2<110>{110}

3、是NaCl結(jié)構(gòu)堿金屬鹵化物(LiF，NaF，KF，LiCl，NaCl，KCl)中最容易滑動(dòng)的系統(tǒng)。大量的數(shù)值模擬研究了堿金屬鹵化物中該滑移系統(tǒng)的Peierls應(yīng)力，但數(shù)值結(jié)果均大于實(shí)驗(yàn)值(約一個(gè)數(shù)量級(jí))。比如，NaCl的模擬結(jié)果約是實(shí)驗(yàn)值的6～18倍。主要原因在于數(shù)值模擬所采用的模型勢(shì)存在一定的偏差。因此，使用修正的P-N模型研究NaCl結(jié)構(gòu)堿金屬鹵化物中1/2<110>{110}位錯(cuò)的性質(zhì)是有必要的。本文首先通過(guò)第一性原理方法給出廣義

4、層錯(cuò)能和彈性常數(shù)。結(jié)果表明堿金屬鹵化物是各向異性的晶體。因此，在研究NaCl結(jié)構(gòu)堿金屬鹵化物中位錯(cuò)芯結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮了彈性各向異性的影響。通過(guò)Foreman方法求解修正的P-N方程，獲得位錯(cuò)的芯結(jié)構(gòu)及Peierls應(yīng)力。獲得的NaCl和KCI晶體中1/2<110>{110}刃位錯(cuò)的Peierls應(yīng)力分別為0.46×10-3μ和1.19×10-3μ，與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。
　　 (2)壓強(qiáng)對(duì)MgO和CaO中1/2<110>{110}位

5、錯(cuò)的影響本文進(jìn)一步討論了壓強(qiáng)效應(yīng)對(duì)位錯(cuò)性質(zhì)的影響，考慮到堿金屬鹵化物的結(jié)構(gòu)相變壓強(qiáng)差別大且相對(duì)較小(KCl相變壓強(qiáng)僅為2.2GPa，NaCl的相變壓強(qiáng)為29.0GPa)，不利于探討和比較壓強(qiáng)效應(yīng)。因此，本文以相變壓強(qiáng)較大的離子晶體氧化物MgO和CaO中1/2<110>{110)位錯(cuò)為研究對(duì)象。首先通過(guò)第一性原理方法計(jì)算出MgO和CaO在不同壓強(qiáng)下的廣義層錯(cuò)能和彈性常數(shù)，并使用修正的P-N模型研究了MgO和CaO中1/2<110>{110

6、}位錯(cuò)的芯結(jié)構(gòu)和Peierls應(yīng)力。我們計(jì)算得到MgO在0GPa壓強(qiáng)下1/2<110>{110}刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的Peierls應(yīng)力分別為40MPa和70MPa，與實(shí)驗(yàn)值吻合。在同種晶體中，不穩(wěn)定層錯(cuò)能和Peierls應(yīng)力隨著壓強(qiáng)的增大而增大，芯寬度隨壓強(qiáng)增大而減小。不同壓強(qiáng)下，MgO和CaO晶體中刃位錯(cuò)的Peierls應(yīng)力總是大于螺位錯(cuò)和混合位錯(cuò)，這與實(shí)驗(yàn)上所觀察到刃位錯(cuò)是決定NaCl結(jié)構(gòu)晶體中彈性行為的主要因素相符合。但是CaO在壓強(qiáng)