晶體表面重構(gòu)的計算機模擬及機理分析.pdf

1、表面是材料的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生空間突變的二維區(qū)域。材料的許多重要物理過程和化學(xué)過程首先發(fā)生在表面，同時材料的很多破損和失效也首先起源于表面。因此，表面是材料與外部環(huán)境直接發(fā)生聯(lián)系的窗口，從研究材料表面的各種物理化學(xué)過程入手最終可以達到改變材料性能的目的，而研究晶體表面的原子結(jié)構(gòu)是表面科學(xué)的中心內(nèi)容。各種現(xiàn)代實驗技術(shù)以及理論或半經(jīng)驗理論已被廣泛應(yīng)用于觀察和模擬表面重構(gòu)，但是對于各種晶體的各種表面重構(gòu)現(xiàn)象的發(fā)生機制并沒有最終定論。本文應(yīng)

2、用改進型嵌入原子法(MEAM)，結(jié)合計算機模擬了面心立方七個過渡族金屬(110)、(211)、(311)表面和金剛石立方結(jié)構(gòu)三種晶體的(001)表面的可能結(jié)構(gòu)，從能量最小化原理，表面形貌以及原子的價電子結(jié)構(gòu)討論分析了重構(gòu)發(fā)生的機理。 (1)計算了面心立方七個過渡族金屬Au、Pt、Ag、Pd、Rh、Cu和Ni的(110)面理想(1×1)，失錯排(1×2)和失錯列(2×1)三種可能結(jié)構(gòu)的表面能面密度。從能量最小化原理分析得出，失錯列

3、(2×1)重構(gòu)不能夠在所有過渡族金屬的(110)表面形成，而失錯排(1×2)重構(gòu)能夠在Au和Pt的(110)表面自然形成，卻不能在Ag、Pd、Rh、Cu和Ni的(110)表面自然形成。與原形EAM所預(yù)言的結(jié)論相比，這一結(jié)論更好的與實驗結(jié)果相符，因為EAM預(yù)言Ag和Pd的(110)表面也能自然形成失錯排(1×2)重構(gòu)。除了從能量最小化原理分析以外，還從表面形貌和原子的價電子結(jié)構(gòu)進一步的分析了在過渡族金屬(110)表面上形成失錯排(1×2)

4、重構(gòu)和失錯列(2×1)重構(gòu)的相對可能性。 (2)計算了面心立方七個過渡族金屬Au、Pt、Ag、Pd、Rh、Cu和Ni的(211)和(311)表面上理想(1×1)和失錯排(1×2)兩種結(jié)構(gòu)的表面能面密度之差，以確定在(211)和(311)表面是否也存在失錯排(1×2)重構(gòu)現(xiàn)象，并將面心立方過渡族金屬(110)、(211)和(311)表面失錯排(1×2)重構(gòu)進行比較分析。結(jié)果表明失錯排(1×2)重構(gòu)在所有的過渡族金屬的(211)表面

5、不能夠自然形成，失錯排(1×2)重構(gòu)僅能夠發(fā)生在Pt(311)表面，這一點與實驗結(jié)果和第一原理的計算結(jié)果一致。同時還發(fā)現(xiàn)失錯排(1×2)重構(gòu)在過渡族金屬的(110)，(211)和(311)三個表面自然形成的可能性是隨5d金屬Au和Pt，4d金屬Ag、Pd和Rh，3d金屬Cu和Ni的順序呈遞減趨勢。從它們的價電子結(jié)構(gòu)和表面形貌做了解釋。 (3)計算了金剛石立方結(jié)構(gòu)C、Si和Ge三種晶體的(001)表面理想(1×1)，二聚(2×1)

6、和三聚(3×1)結(jié)構(gòu)的表面能面密度。從能量最小化原理分析發(fā)現(xiàn)，二聚(2×1)和三聚(3×1)兩種重構(gòu)都能夠自然形成，且二聚鍵和三聚鍵在形成的過程中沒有任何能量障礙。但是，二聚(2×1)重構(gòu)對應(yīng)的表面能面密度最小，則表明二聚(2×1)重構(gòu)最容易形成且最穩(wěn)定。這一結(jié)論與實驗結(jié)果和其它的理論結(jié)果一致。確定的Si(001)表面的二聚鍵長2.43A處于實驗值2.20A～2047A之內(nèi)，確定的Ge(001)表面的二聚鍵長2.5A與X-射線衍射實驗測