金属熔化过程与表面吸附的计算化学研究

论文摘要

新材料的设计与制备、结构、性质表征与应用是当今材料化学研究的几个主要发展方向。目前,材料化学的研究的重心已转移到分子、原子水平,即从微观相互作用出发定量描述材料的性质和在特定条件下的行为。本文工作以此为中心,应用计算化学方法围绕相变、CO在过渡金属表面吸附和NiTi合金表面氧化等几个问题展开,取得了一些有意义的结果。 首先应用分子动力学方法,采用QSC力场,系统研究金属Al、Pb、Cu、Ag、Au、Ni、Pd、Pt等在不同升温速率下和不同缺陷情况下的熔化过程。分子动力学模拟结果表明:(1)过热金属的熔化是一个动力学过程,具有一阶相变的特征,符合均匀成核动力学模型。(2)升温速率对过热金属的熔化过程有显著影响,升温速率增大有助于降低液相成核能垒,升温速率导致的金属过热存在极限温度。(3)在相同升温速率下,随缺陷率增加,金属熔点有下降趋势。同种金属相同缺陷率情况下,熔点温度随升温速率增加熔点也表现出升高趋势,但趋势随缺陷率增大而逐渐平缓。缺陷的存在可以显著提高原子的扩散能力,从而使体系的能量增加,降低液相成核的能垒。(4)随着升温速率的增加,过热晶体的稳定性有下降趋势:高升温速率下的非平衡升温过程对晶体内部周期性结构破坏非常明显;晶体内部周期性结构的破坏将显著降低过热晶体的相变势垒,促进过热金属晶体液相成核,导致过热金属稳定性下降,熔化相变能垒降低。由于升温速率对升温过程的主导作用,升温速率对过热金属晶体的过热和熔化行为的影响就表现为升温速率越高,熔点越高。 其次,在密度泛函理论构架下,系统研究了CO在Cu(100)、Ag(100)和Au(100)表面的吸附,同时对其中的规律和产生原因进行了归纳和阐述,弥补了人们对CO在Ag(100)表面和Au(100)表面吸附理论研究上的空白。研究结果表明:(1)采用包含相对论效应的超软赝势基组可以较为准确地确定CO在Cu、Ag和Au表面的最优吸附位、吸附结构和吸附能量。(2)确定CO在Cu、Ag和Au的(100)表面的吸附是活化化学吸附,最优吸附位是顶位。(3)CO与表面的相互作用强弱顺序为Cu>Au>Ag,与实验观测结果一致。(4)CO吸附伴随着电荷的转移,吸附后CO从金属表面获得电子。(5)CO与金属表面相互作用是CO分子轨道与表面杂化轨道之间相互作用的贡献。CO分子的3σ轨道、4σ轨道和1π轨道对吸附有贡献,但是不明显。而吸附作用主要是CO分子的5σ轨道和2π轨道与金属表面轨道的贡献,并根据Folisch等人的理论对计算结果进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 计算化学方法的发展及其在材料化学研究中的应用
• 1.1 计算化学方法概述
• 1.2 计算化学的主要内容和层次划分
• 1.3 计算化学方法进展
• 1.3.1 从头计算分子轨道法
• 1.3.2 密度泛函理论方法
• 1.3.3 半经验分子轨道法
• 1.3.4 分子力学方法
• 1.3.5 分子动力学方法
• 1.4 材料研究中的几个热点问题及计算化学方法的应用
• 1.4.1 材料相变和过热
• 1.4.2 低维材料生长
• 1.4.3 表面吸附
• 1.5 本文工作思路
• 1.6 参考文献
• 2 金属晶体熔化和过热的分子动力学研究
• 2.1 熔化和过热的基本理论
• 2.1.1 熔化和过热概述
• 2.1.2 熔化和过热研究中的基本理论
• 2.1.3 材料的过热现象
• 2.1.4 熔化与过热研究中的热点问题
• 2.1.5 熔化与过热问题的研究方法
• 2.1.6 本章工作的基本思路
• 2.2 模拟方法
• 2.2.1 分子动力学方法
• 2.2.2 原子间相互作用的描述
• 2.2.3 研究对象的选择
• 2.2.4 研究对象选择的意义和背景
• 2.2.5 分析方法
• 2.3 金属在热力学平衡条件下的熔化行为
• 2.3.1 方法与模型
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.4 完美金属晶体的非平衡相变过程
• 2.4.1 方法与模型
• 2.4.2 结果与讨论
• 2.5 含有点缺陷的金属晶体的非平衡相变过程
• 2.5.1 模拟方法
• 2.5.2 结果与讨论
• 2.6 不同金属在高升温速率下过热度不同的原因
• 2.7 过热晶体的稳定性分析
• 2.7.1 模拟方法
• 2.7.2 结果与讨论
• 2.8 本章小结
• 2.9 参考文献
• 3 CO在铜、银、金表面吸附的理论研究
• 3.1 前人的工作
• 3.1.1 实验研究进展
• 3.1.2 理论研究进展
• 3.1.3 本章工作的主要目标和思路
• 3.2 理论模型和方法
• 3.2.1 理论方法
• 3.2.2 计算模型
• 3.3 Cu、Ag、Au体相和表面以及自由CO分子的电子结构计算
• 3.3.1 Cu、Ag和Au的体相电子结构
• 3.3.2 Cu（100）、Ag（100）和Au（100）表面的电子结构
• 3.3.3 CO分子的电子结构计算
• 3.4 CO在Cu（100）、Ag（100）和Au（100）表面的吸附
• 3.4.1 吸附结构和吸附能量
• 3.4.2 CO与Cu（100）、Ag（100）和Au（100）表面相互作用的本质
• 3.5 CO在Cu（100）、Ag（100）和Au（100）表面吸附的比较
• 3.5.1 吸附能量和最优吸附位
• 3.5.2 吸附结构
• 3.5.3 吸附过程中的电荷转移
• 3.6 本章小结
• 3.7 参考文献
• 2在NiTi合金（100）表面吸附、解离和扩散的理论研究'>4 O₂在NiTi合金（100）表面吸附、解离和扩散的理论研究
• 4.1 NiTi合金及其生物相容性
• 4.1.1 NiYi合金的生物相容性
• 4.1.2 NiTi合金的表面氧化与其生物相容性的关系
• 4.1.3 本章研究目标、研究内容和研究思路
• 4.2 理论模型和方法
• 4.2.1 理论方法
• 4.2.2 计算模型
• 2分子和O原子的电子结构计算'>4.3 NiTi合金、O₂分子和O原子的电子结构计算
• 4.3.1 NiTi合金的电子结构计算
• 4.3.2 NiTi合金（100）表面的电子结构
• 2分子和O原子的电子结构'>4.3.3 O₂分子和O原子的电子结构
• 2在NiTi合金（100）表面的吸附、扩散和解离'>4.4 O₂在NiTi合金（100）表面的吸附、扩散和解离
• 4.4.1 吸附结构和吸附能量
• 2在NiTi（100）表面吸附的本质'>4.4.2 O₂在NiTi（100）表面吸附的本质
• 2的扩散和解离'>4.4.3 O₂的扩散和解离
• 4.5 O原子在NiTi合金（100）表面的吸附和扩散
• 4.5.1 吸附结构和吸附能量
• 4.5.2 O原子在NiTi（100）表面吸附的本质
• 4.5.3 O原子在NiTi（100）表面的扩散
• 4.6 O原子吸附与表面氧化层生成的关系
• 4.7 本章小结与展望
• 4.8 参考文献
• 结论
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书