金屬表面動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的原子模擬研究.pdf

1、本文以幾種典型金屬的表面作為研究對(duì)象，運(yùn)用分析型嵌入原子模型，對(duì)簡(jiǎn)諧近似下表面原子的振動(dòng)、熱力學(xué)性質(zhì)，表面非諧效應(yīng)及吸附原子在表面的自擴(kuò)散行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。得到了與實(shí)驗(yàn)相一致的結(jié)果，并對(duì)一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了解釋。 本文首先簡(jiǎn)要地介紹了表面的一些基本概念和一般性質(zhì)，及用到的理論與方法，包括分析型嵌入原子模型，表面晶格動(dòng)力學(xué)方法，分子動(dòng)力學(xué)方法，然后說明了用上述理論計(jì)算表面各物理量的方法。 利用分析型嵌入原子模型與表面晶格

2、動(dòng)力學(xué)理論，第三章研究了FCC 與HCP 金屬表面在簡(jiǎn)諧近似下的振動(dòng)，及表面熱力學(xué)性質(zhì)。計(jì)算的Ag(110) 表面聲子譜頻率和振動(dòng)極化方向在全部區(qū)間內(nèi)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好。以Mg(0001) 面為例，計(jì)算了HCP 元素的表面聲子譜與熱力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了表面原子熱力學(xué)性質(zhì)與體原子的不同點(diǎn)。以Cu(100) 面的鄰位面為例，研究了臺(tái)階面的表面聲子譜與臺(tái)階寬度的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)隨著臺(tái)階寬度的增加，表面弛豫滲透到更深的原子層，表面模增加以致難以分辨

3、。 利用分子動(dòng)力學(xué)方法，第四章研究了幾種典型金屬的表面非諧效應(yīng)。計(jì)算了表面原子間距、表面聲子頻率與線寬度、表面原子振動(dòng)振幅及表面有序化參數(shù)與溫度的關(guān)系。從Ag 低指數(shù)面的計(jì)算結(jié)果得到了表面非諧效應(yīng)與表面取向的關(guān)系。研究了BCC 結(jié)構(gòu)Fe 的非諧效應(yīng)。從計(jì)算的幾個(gè)物理量分析， (111) 面的熱穩(wěn)定性最差， (100) 面次之， (110) 面的非諧效應(yīng)最弱。三個(gè)面在遠(yuǎn)低于體熔點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)了表面完全無序。比較了同為密排面的HCP(00

4、01) 與FCC(111) 面的熱穩(wěn)定性。計(jì)算了Ni(977) 面的非諧效應(yīng)，得到了與實(shí)驗(yàn)相符的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)直到1700K( 僅比體熔點(diǎn)低50K )， Ni(977) 面仍保持有序，不出現(xiàn)表面熔化。以Al(100) 的鄰位面為研究對(duì)象，研究了臺(tái)階寬度與非諧效應(yīng)的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果顯示表面熱穩(wěn)定性隨臺(tái)階寬度的增加而增加。 利用分子動(dòng)力學(xué)方法，計(jì)算了吸附原子與小團(tuán)簇在FCC 與HCP 表面的靜態(tài)自擴(kuò)散激活能。通過跟蹤間隙原子位置，計(jì)算了吸

5、附原子與小團(tuán)簇的擴(kuò)散系數(shù)，然后根據(jù)Arrhenius 關(guān)系得到擴(kuò)散前因子與遷移能。模擬結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)或第一原理結(jié)果相符。對(duì)Cu 小團(tuán)簇在(111) 面的自擴(kuò)散行為研究發(fā)現(xiàn)，一般隨著團(tuán)簇內(nèi)的原子增加，擴(kuò)散遷移能增加，但Cu3 的激活能比Cu4 的大，密排的Cu7 團(tuán)簇的擴(kuò)散前因子僅比單個(gè)原子的大30倍。對(duì)Pt 團(tuán)簇在(111) 面的研究發(fā)現(xiàn)， Pt 的小團(tuán)簇可以通過交換機(jī)制在密排的(111) 面進(jìn)行擴(kuò)散，使得密排小團(tuán)簇的擴(kuò)散前因子比單個(gè)