金属表面动力学性质的原子模拟研究

论文摘要

本文以几种典型金属的表面作为研究对象，运用分析型嵌入原子模型，对简谐近似下表面原子的振动、热力学性质，表面非谐效应及吸附原子在表面的自扩散行为进行了系统的研究。得到了与实验相一致的结果，并对一些实验结果进行了解释。 本文首先简要地介绍了表面的一些基本概念和一般性质，及用到的理论与方法，包括分析型嵌入原子模型，表面晶格动力学方法，分子动力学方法，然后说明了用上述理论计算表面各物理量的方法。 利用分析型嵌入原子模型与表面晶格动力学理论，第三章研究了FCC与HCP金属表面在简谐近似下的振动，及表面热力学性质。计算的Ag（110）表面声子谱频率和振动极化方向在全部区间内与实验数据符合得很好。以Mg（0001）面为例，计算了HCP元素的表面声子谱与热力学性质，发现了表面原子热力学性质与体原子的不同点。以Cu（100）面的邻位面为例，研究了台阶面的表面声子谱与台阶宽度的关系。我们发现随着台阶宽度的增加，表面弛豫渗透到更深的原子层，表面模增加以致难以分辨。 利用分子动力学方法，第四章研究了几种典型金属的表面非谐效应。计算了表面原子间距、表面声子频率与线宽度、表面原子振动振幅及表面有序化参数与温度的关系。从Ag低指数面的计算结果得到了表面非谐效应与表面取向的关系。研究了BCC结构Fe的非谐效应。从计算的几个物理量分析，（111）面的热稳定性最差，（100）面次之，（110）面的非谐效应最弱。三个面在远低于体熔点时出现了表面完全无序。比较了同为密排面的HCP（0001）与FCC（111）面的热稳定性。计算了Ni（977）面的非谐效应，得到了与实验相符的结果，发现直到1700K（仅比体熔点低50K），Ni（977）面仍保持有序，不出现表面熔化。以Al（100）的邻位面为研究对象，研究了台阶宽度与非谐效应的关系，计算结果显示表面热稳定性随台阶宽度的增加而增加。 利用分子动力学方法，计算了吸附原子与小团簇在FCC与HCP表面的静态自扩散激活能。通过跟踪间隙原子位置，计算了吸附原子与小团簇的扩散系数，然后根据Arrhenius关系得到扩散前因子与迁移能。模拟结果与已有的实验或第一原理结果相符。对Cu小团簇在（111）面的自扩散行为研究发现，一般随着团簇内的原子增加，扩散迁移能增加，但Cu3的激活能比Cu4的大，密排的Cu7团簇的扩散前因子仅比单个原子的大30倍。对Pt团簇在（111）面的研究发现，Pt的小团簇可以通过交换机制在密排的（111）面进行扩散，使得密排小团簇的扩散前因

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 晶体的基本知识
• 1.2.1 晶体结构
• 1.2.2 晶面、密勒指数
• 1.3 表面原子结构与基本概念
• 1.3.1 表面原子结构
• 1.3.2 表面几个基本概念
• 1.4 表面实验技术
• 1.4.1 衍射方法
• 1.4.2 干涉方法
• 1.4.3 散射方法
• 1.5 EAM模型在金属表面上的应用
• 1.6 本研究工作的目的和意义
• 1.7 本文研究内容
• 第2章 模型与方法
• 2.1 金属元素的分析型EAM模型
• 2.2 表面的构建方法
• 2.2.1 三维完整晶格
• 2.2.2 含自由表面的非完整晶格
• 2.3 表面晶格动力学方法
• 2.3.1 二维倒格矢
• 2.3.2 表面动力学矩阵
• 2.4 分子动力学方法
• 2.4.1 有限差分法
• 2.4.2 平衡系综的控制
• 2.5 各物理量的计算方法
• 2.5.1 表面层间距
• 2.5.2 表面声子态密度与线宽度
• l（?））'>2.5.3 层结构因子（S_l（?））
• n）'>2.5.4 二维有序参数（Q_n）
• 2.5.5 均方振动位移（MSVA）
• 2.5.6 表面热力学量
• 2.5.7 扩散系数
• 2.6 本章小结
• 第3章 简谐近似下金属表面振动研究
• 3.1 引言
• 3.2 FCC金属表面声子谱
• 3.2.1 表面弛豫的计算
• 3.2.2 弛豫与未弛豫表面声子谱计算结果比较
• 3.2.3 弛豫后的表面声子谱曲线及讨论
• 3.3 HCP金属低指数表面声子谱
• 3.4 Cu台阶表面声子谱
• 3.4.1 表面弛豫
• 3.4.2 表面声子谱
• 3.5 本章小结
• 第4章 金属表面非谐效应的研究
• 4.1 引言
• 4.2 低指数表面非谐效应的分子动力学研究
• 4.2.1 Ag低指数表面非谐效应的研究
• 4.2.2 Fe低指数表面非谐效应的研究
• 4.2.3 Be（0001）表面非谐效应的研究
• 4.2.4 Mg（0001）与Al（111）面非谐效应的比较研究
• 4.3 台阶表面非谐效应的研究
• 4.3.1 Ni（977）表面非谐效应的研究
• 4.4 Al表面非谐效应与台阶宽度的关系
• 4.4.1 表面构形
• 4.4.2 平台面的计算结果
• 4.4.3 表面弛豫
• 4.4.4 原子振动振幅的平方
• 4.4.5 表面有序
• 4.5 本章小结
• 第5章 原子在表面上的自扩散行为
• 5.1 引言
• 5.2 Cu原子在低指数表面上的自扩散行为
• 5.3 Re原子在Re（0001）面的扩散行为
• 5.4 Cu二维小团簇在（111）的自扩散行为
• 5.5 Pt团簇在（111）面的自扩散行为研究
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 致谢