鋁和鐵表面自擴(kuò)散的分子動(dòng)力研究.pdf

1、晶體表面原子的擴(kuò)散在材料相關(guān)領(lǐng)域的許多現(xiàn)象中扮演著重要角色，例如晶體生長、催化等。鋁和鐵是工業(yè)中廣泛使用的金屬材料，表面原子的遷移和擴(kuò)散是影響材料性能的重要因素，也是動(dòng)態(tài)條件下改變表面結(jié)構(gòu)的重要起因之一，對鋁和鐵表面擴(kuò)散過程的研究具有重要意義。實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步使人們開始可以通過實(shí)驗(yàn)手段直接觀察表面原子的運(yùn)動(dòng)。然而，受制于時(shí)間分辨率、真空條件、樣品制備等因素的限制，對表面原子擴(kuò)散機(jī)制的研究還存在一定困難。計(jì)算機(jī)模擬在某種程度上可以克服這些困

2、難，使人們能夠直接展示原子在表面的運(yùn)動(dòng)軌跡。
　　隨著理論方法和計(jì)算機(jī)水平的巨大進(jìn)步，人們開始嘗試?yán)糜?jì)算機(jī)模擬的方法來研究原子在金屬表面擴(kuò)散的物理本質(zhì)，所采用的方法包括第一性原理、經(jīng)典的分子動(dòng)力學(xué)等。但在這一領(lǐng)域目前還存在許多未解決的問題，包括如何建立合理的物理模型、系統(tǒng)地研究不同的體系并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比等。因此對金屬表面的原子擴(kuò)散過程進(jìn)行理論研究，探索合理的物理模型和模擬方法，為今后的金屬表面的研究積累寶貴的數(shù)據(jù)顯得尤為重要

3、。本文即采用分子靜力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)方法模擬鋁、鐵表面原子的擴(kuò)散過程。
　　首先，分別對Al、Fe三個(gè)低指數(shù)表面的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，分別計(jì)算了表面能、表面弛豫、空位形成能以及自吸附原子形成能，研究結(jié)果表明:隨著表面原子密排程度的增加，表面能隨之降低，表面弛豫程度也隨之降低，點(diǎn)缺陷在表面的形成能升高，表面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增加。
　　其次，分別對點(diǎn)缺陷在Al、Fe表面的擴(kuò)散遷移能進(jìn)行了研究，計(jì)算了各種遷移機(jī)制的擴(kuò)散遷移能，研究結(jié)果表明

4、:在Al表面上以及Fe(100)和Fe(110)面上，空位和吸附原子在最外層表面以第一近鄰簡單跳躍機(jī)制遷移的能壘是最低的，在Fe(111)面上，點(diǎn)缺陷以交換機(jī)制跳躍的能壘較低。
　　最后，在不同溫度下，分別對點(diǎn)缺陷在Al、Fe表面的擴(kuò)散進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬，給出了點(diǎn)缺陷在各個(gè)表面的最優(yōu)擴(kuò)散機(jī)制，獲得了擴(kuò)散遷移能，研究結(jié)果表明:在三個(gè)Al表面以及Fe(110)面上發(fā)生頻率最高的擴(kuò)散機(jī)制是沿第一近鄰方向的簡單跳躍機(jī)制，而在Fe(100)和