二維原子團簇和缺陷團簇的躍遷及擴散行為研究.pdf

1、本文以幾種典型的BCC 結(jié)構(gòu)金屬、合金和螢石結(jié)構(gòu)氧化物UO2 作為研究對象，選取能夠合理描述原子間相互作用的勢函數(shù)模型，對晶體中點缺陷團簇和金屬表面原子團簇的躍遷和擴散行為展開了系統(tǒng)的研究，并得到與實驗一致的結(jié)果。
　　 在Fe-Cr 合金體系中，研究Cr-V 原子空位對的最小能量路徑，發(fā)現(xiàn)Cr 原子的長程躍遷是通過空位輔助機制完成的。單個Cr 替位原子躍遷至近鄰空位位置所需能量為0.56eV，但單獨依靠這一機制無法完成Cr 原

2、子的長程躍遷，除非體系中有過飽和濃度的空位分布。Cr-V 原子空位團簇的遷移過程是通過自空位輔助躍遷機制，即Fe 原子和Cr 原子相繼躍遷至最近鄰空位來完成，它可以導致Cr 原子的長程躍遷，其躍遷能量勢壘范圍為0.64-0.89eV。NEB 研究結(jié)果表明在α-Fe 體系中，混合型Cr-Fe 啞鈴狀填隙原子對很容易發(fā)生躍遷，所需能量為0.17eV，低于Fe-Fe 啞鈴狀填隙原子對躍遷所需能量。其中，Cr-Fe 填隙原子對的原地旋轉(zhuǎn)和Cr

3、原子的最近鄰躍遷是完成一次凈躍遷過程的主要躍遷機制。對Cr 空位團簇的結(jié)合能計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，團簇的結(jié)合能強烈依賴于缺陷團簇的尺寸和缺陷團簇中Cr原子的含量。
　　 選用Yakub 勢函數(shù)描述U、O 和Xe 原子之間的相互作用，所計算的躍遷勢壘與實驗值符合得很好。在UO2 體系中，單空位的躍遷通過空位機制完成，其中單鈾空位躍遷的能量勢壘高于單氧空位躍遷所需能量。完成雙氧空位凈躍遷所需能量勢壘為0.85eV，能量勢壘的計算結(jié)果表明具有

4、雙空位結(jié)構(gòu)的缺陷團簇易于發(fā)生空位的解離。在引入裂變氣體Xe后，缺陷團簇有了更為復雜和多樣的躍遷行為。Xe 填隙原子在近鄰沒有空位存在的情況下很難發(fā)生躍遷，當?shù)谝唤徫恢靡肟瘴缓?，通過空位輔助躍遷機制使Xe 填隙原子的躍遷勢壘減少了1.50eV。計算結(jié)果還表明，U 空位捕獲Xe 原子后形成替位原子，由Xe 替位原子和U 空位組成的缺陷團簇的躍遷勢壘較高，且無法發(fā)生Xe 原子的長程躍遷。較之U 空位對Xe 原子的捕獲能力，O 空位對Xe

5、原子的捕獲能力則較弱，位于O 空位的Xe 替位原子很容易通過簡單躍遷機制直接躍遷至八面體間隙位置，并且終態(tài)結(jié)構(gòu)能量更穩(wěn)定。對于包含兩個及以上空位的缺陷團簇，能量勢壘結(jié)果同樣表明空位聚集現(xiàn)象不會發(fā)生，雙氧空位只需要很低的能量勢壘就可以發(fā)生空位的解離。在Xe填隙原子和雙氧空位組成的缺陷團簇中，最近鄰氧空位的作用使八面體間隙位置不再是Xe 原子的穩(wěn)定位置，Xe 填隙原子可以占據(jù)相鄰U 原子晶格位置，而U 原子被推擠至相鄰八面體間隙成為填隙原子

6、，這一過程所需能量勢壘為0.16eV。
　　 采用dimer 方法尋找可能躍遷過程的最小能量路徑，研究W 團簇在W 納米顆粒表面的躍遷機制、可能路徑及相應的勢壘能量。鎢團簇結(jié)合能的計算結(jié)果表明，W 團簇更趨向于在顆粒表面形成二維密排結(jié)構(gòu)。相比納米顆粒尺寸的影響，菱形十二面體界面和頂角區(qū)域?qū)F簇躍遷行為有更明顯的影響。當團簇位于邊界和頂角區(qū)域時，基體原子傾向參與擴散團簇的躍遷，并形成更大的團簇繼續(xù)遷移，或者通過與基體原子的交換導致

7、團簇的解離。三聚體團簇的躍遷能量勢壘表明整體躍遷機制比單原子的相繼躍遷更能準確描述三聚體的躍遷行為，這是因為三聚體為密排結(jié)構(gòu)，打破這樣一個密排結(jié)構(gòu)要求更高的能量勢壘。由于四聚體的高對稱性，四聚體的躍遷需要克服更高的能量勢壘，dimer 剪切過程是四聚體躍遷的主要機制。
　　 采用分子動力學結(jié)合描述原子間相互作用的分析型嵌入勢模型，對原子團簇在BCC(110) 金屬表面的自擴散動力學行為進行了系統(tǒng)的研究。淬火分子動力學得到的團簇結(jié)

8、合能表明，擴散團簇的穩(wěn)定構(gòu)型為密排小島結(jié)構(gòu)。同時，長時分子動力學模擬得到二維團簇表面擴散的相關(guān)表征量，如擴散遷移能、擴散系數(shù)及擴散前因子，其中擴散遷移能隨團簇尺寸的變化呈現(xiàn)非單調(diào)振蕩增加的趨勢。與擁有非對稱性的二維團簇結(jié)構(gòu)相比，密排封閉團簇結(jié)構(gòu)（如四聚體和七聚體）有著明顯較高的擴散遷移能。并且，采用NEB 方法著重分析了W 四聚體、五聚體、六聚體和七聚體的速率限制步驟所需克服的能量，以及完成一次四聚體和五聚體團簇凈躍遷過程的最小能量路徑