AlN-TiN體系的修正嵌入原子相互作用勢(shì)函數(shù)的研究.pdf

1、超硬納米多層膜具有優(yōu)良力學(xué)性能和可設(shè)計(jì)性，是最富前景的刀具涂層材料之一，倍受關(guān)注。但目前我們對(duì)超硬納米多層膜致硬機(jī)理尚不清楚，這嚴(yán)重約束了這一領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，所以，將此作為研究課題不但具有重要的科學(xué)價(jià)值，同時(shí)也具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　從理論上研究涂層材料的性質(zhì)的有效手段之一是分子動(dòng)力學(xué)模擬，而進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬的重要前提就是要知道原子間的相互作用勢(shì)。目前應(yīng)用最廣泛的是基于密度泛函理論發(fā)展起來的嵌入原子勢(shì)（EAM），它在金屬

2、及合金體系性質(zhì)模擬上取得了巨大的成功，但對(duì)于化合物，尤其是共價(jià)化合物存在較大的局限性。因此，Baskes等人提出了修正的嵌入原子勢(shì)（MEAM），使EAM勢(shì)的應(yīng)用得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展。到目前為止，大多數(shù)單元體系的MEAM勢(shì)都已被確定，但化合物的MEAM勢(shì)卻只有少數(shù)被研究過。本文將AlN/TiN多層膜（一種可能的超硬納米多層膜）為研究對(duì)象，確定這個(gè)體系中的原子間的MEAM勢(shì)，為進(jìn)一步的分子動(dòng)力學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。
　　在AlN單層膜內(nèi)部，涉

3、及Al-Al、N-N、Al-N原子間的相互作用；在TiN單層膜內(nèi)部，涉及Ti-Ti、N-N、Ti-N原子間的相互作用；在AlN與TiN兩層的界面處，除了前面列出的幾種相互作用勢(shì)外，還涉及Al-Ti原子之間的相互作用，其中Al-Al、N-N、Ti-Ti原子間的MEAM勢(shì)已經(jīng)被確定的，Ti-N的MEAM勢(shì)也已被研究過，因此，本文的研究重點(diǎn)是確定Al-N和Al-Ti之間的MEAM勢(shì)。基本的思路是：將二元體系的彈性常數(shù)的實(shí)驗(yàn)值（或第一性原理計(jì)算

4、值）作為確定MEAM勢(shì)參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化各個(gè)勢(shì)參數(shù)（共17個(gè)，其中有5個(gè)是已知的輸入?yún)?shù)，待定的是12個(gè)），然后用優(yōu)化了的勢(shì)參數(shù)計(jì)算體系的其他的物理性質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證。最后在得到的各相關(guān)二元體系的MEAM勢(shì)基礎(chǔ)上，得出三元體系的MEAM勢(shì)。
　　主要的研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　　1)作為對(duì)研究方法的驗(yàn)證，本文對(duì)于TiN體系的MEAM勢(shì)也進(jìn)行了研究。將NaCl結(jié)構(gòu)的TiN（B1-TiN）的彈性常數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化得到了適用于TiN

5、體系的12個(gè)待定勢(shì)參數(shù)。采用優(yōu)化了的勢(shì)參數(shù)，計(jì)算了CSCl結(jié)構(gòu)的TiN（B2-TiN）的彈性常數(shù)，除C12差別稍大外，得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值和第一性原理計(jì)算結(jié)果符合較好；
　　2)將B1-AlN的彈性常數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化得到了適用于AlN體系的12個(gè)待定勢(shì)參數(shù)。采用優(yōu)化了的勢(shì)參數(shù)，計(jì)算了閃鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN(B3-AlN)的彈性常數(shù)，除了C44差別比較大外，其它彈性系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值和第一性原理計(jì)算結(jié)果符合較好；
　　3)將B2-Al