纳米多层薄膜外界输入原子的非线性扩散动力学研究

论文摘要

纳米多层薄膜存在大量界面,使其具有纳米尺度非均匀体系的特殊自由能形式,纳米多层薄膜中原子扩散系数与原子局部浓度紧密相关,导致纳米多层薄膜中的扩散偏离经典扩散定律,呈现特殊浓度分布和浓度演变规律的非线性扩散动力学特征。目前,纳米多层薄膜扩散的研究主要集中在实验方面,理论上主要采用经典扩散定律,没有考虑纳米多层薄膜非均匀体系的影响。本文研究了外界输入原子在纳米多层薄膜的非线性扩散动力学。基于非线性离散动力学模型,建立了满足空间平移对称性的置换型非线性扩散离散动力学模型。结果表明,其动力学控制方程中扩散原子迁移速率和扩散驱动力均为指数型函数。扩散原子迁移速率是鞍点能的指数函数,在低浓度区受温度和浓度的影响很小,趋近于常数;在高浓度区,随着温度的增加而增加,随着浓度的增加而减小。扩散驱动力是相邻原子层化学势的指数函数之差,随着相邻原子层化学势差的增大而加剧偏离传统的扩散驱动力。基于非线性离散动力学模型结合Hillert亚点阵理论,使用计算机模拟技术计算并分析了不同界面非对称能垒,不同调制周期下多层膜中间隙原子的扩散行为。结果表明随着调制周期的减小,原子在多层薄膜中的扩散逐渐增强,多层薄膜对原子的存储能力也在增加。界面能量状态强烈影响着多层薄膜的扩散行为。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米多层薄膜及其扩散现象
• 1.2 非均匀体系非线性扩散动力学连续模型
• 1.2.1 非均匀体系及其自由能
• 1.2.2 非线性扩散的连续模型
• 1.3 非均匀体系置换扩散的非线性动力学离散模型
• 1.3.1 非均匀体系扩散模型的离散化及其自由能
• 1.3.2 非线性动力学离散模型的动力学确定性方程
• 1.3.3 非线性动力学离散模型的扩散激活能
• 1.4 多层薄膜的界面特性
• 1.5 本论文的研究目的及研究内容
• 第二章 二元非均匀体系非线性扩散的动力学理论
• 2.1 满足空间平移对称性的非线性扩散动力学离散模型的确立
• 2.2 离散模型中的原子迁移速率
• 2.3 离散模型中的扩散驱动力
• 2.4 小结
• 第三章 纳米多层薄膜外界输入原子的间隙扩散
• 3.1 纳米多层薄膜外界输入原子的间隙扩散模型
• 3.2 纳米多层薄膜外界输入原子间隙扩散数值模拟及分析
• 3.3 小结
• 第四章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢