鋁和鐵表面自擴散的分子動力研究.pdf

1、晶體表面原子的擴散在材料相關領域的許多現象中扮演著重要角色，例如晶體生長、催化等。鋁和鐵是工業(yè)中廣泛使用的金屬材料，表面原子的遷移和擴散是影響材料性能的重要因素，也是動態(tài)條件下改變表面結構的重要起因之一，對鋁和鐵表面擴散過程的研究具有重要意義。實驗技術的進步使人們開始可以通過實驗手段直接觀察表面原子的運動。然而，受制于時間分辨率、真空條件、樣品制備等因素的限制，對表面原子擴散機制的研究還存在一定困難。計算機模擬在某種程度上可以克服這些困

2、難，使人們能夠直接展示原子在表面的運動軌跡。
　　隨著理論方法和計算機水平的巨大進步，人們開始嘗試利用計算機模擬的方法來研究原子在金屬表面擴散的物理本質，所采用的方法包括第一性原理、經典的分子動力學等。但在這一領域目前還存在許多未解決的問題，包括如何建立合理的物理模型、系統(tǒng)地研究不同的體系并與實驗結果進行對比等。因此對金屬表面的原子擴散過程進行理論研究，探索合理的物理模型和模擬方法，為今后的金屬表面的研究積累寶貴的數據顯得尤為重要

3、。本文即采用分子靜力學和分子動力學方法模擬鋁、鐵表面原子的擴散過程。
　　首先，分別對Al、Fe三個低指數表面的穩(wěn)定性進行了研究，分別計算了表面能、表面弛豫、空位形成能以及自吸附原子形成能，研究結果表明:隨著表面原子密排程度的增加，表面能隨之降低，表面弛豫程度也隨之降低，點缺陷在表面的形成能升高，表面結構的穩(wěn)定性增加。
　　其次，分別對點缺陷在Al、Fe表面的擴散遷移能進行了研究，計算了各種遷移機制的擴散遷移能，研究結果表明

4、:在Al表面上以及Fe(100)和Fe(110)面上，空位和吸附原子在最外層表面以第一近鄰簡單跳躍機制遷移的能壘是最低的，在Fe(111)面上，點缺陷以交換機制跳躍的能壘較低。
　　最后，在不同溫度下，分別對點缺陷在Al、Fe表面的擴散進行了動力學模擬，給出了點缺陷在各個表面的最優(yōu)擴散機制，獲得了擴散遷移能，研究結果表明:在三個Al表面以及Fe(110)面上發(fā)生頻率最高的擴散機制是沿第一近鄰方向的簡單跳躍機制，而在Fe(100)和