晶體表面結構及能量各向異性的理論分析.pdf

1、表面問題在材料的制備及使用過程中顯得十分重要，因為種種物理化學變化都是由材料表面向材料內(nèi)部逐漸進行的，這些過程的進行都依賴于材料的表面結構與性質(zhì)。固體表面的結構和性質(zhì)在很多方面與體內(nèi)完全不同，而產(chǎn)生表面現(xiàn)象的根本原因在于材料表面質(zhì)點的排列與受力情況不同于材料內(nèi)部。內(nèi)部的任一原子處于其他原子的包圍中，周圍原子對它的作用力對稱分布，因此它處于均勻的力場中，總合力為零，即處于能量最低的狀態(tài)；而表面原子卻不同，它與氣相(或液相)接觸，氣相分子對

2、表面原子的作用力可忽略不計，因此表面原子處于不均勻的力場中，所以其能量大大升高，處于高能量狀態(tài)，高出的能量稱為表面能。 對晶體表面結構及能量的研究將為掌握材料性質(zhì)、實現(xiàn)材料改性和設計新材料提供理論基礎和指導。本文采用嵌入原子法(EAM)結合計算機模擬研究了體心立方(BCC)金屬、密排六方(HCP)金屬及B2型金屬間化合物NiAl的各種不同取向的晶面作為表面時的表面結構并計算了其表面能。研究內(nèi)容可分為以下三部分： (1)用

3、第二近鄰的改進型嵌入原子法(2NN MEAM)計算了BCC結構的過渡金屬Fe、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta的24個不同取向的晶面作為表面時的表面能。計算結果表明，對所有的BCC過渡金屬，三個低指數(shù)表面的表面能的順序是：E<,(110)>，這與實驗結果相一致。并且密排面(110)的表面能E<,(110)>在所有考慮到的表面中是最小的，所以從表面能最小化來考慮，可以推測(110)是BCC金屬薄膜中的

4、擇優(yōu)織構。這也與實驗結果相一致。其它表面的表面能隨著該表面與(110)面的夾角的增加而線性增加。因此，可以通過某個取向的表面對(110)面的偏離程度來估算其表面能的相對值。 (2)用改進型嵌入原子法(MEAM)計算了13種HCP結構的金屬Co、Dy、Er、Gd、Ho、Mg、Nd、Pr、Re、Sc、Tb、Tl、zr的三類有代表性的表面的表面能，這三類表面是分別屬于[010]，[110]和[001]晶帶的(h01)，(hh1)和(h

5、k0)晶面，在所有的這些表面中基平面(001)的表面能最小，所以從表面能最小化來考慮，在這13種HCP金屬薄膜中(001)織構應該擇優(yōu)出現(xiàn)，這與實驗結果一致。對不同取向的表面結構的研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)表面有兩種可能的截止方式，短截止表面的能量要比長截止表面的能量低的多，這表明前者比后者更穩(wěn)定。這可能就是在實驗中只觀察到了柱平面(100)的短截止表面的原因。 (3)用嵌入原子法(EAM)研究了B2型結構的有序金屬間化合物NiAl的22個

6、不同取向的晶面作為表面時的表面結構及能量。結果表明，當晶面密勒指數(shù)之和是奇數(shù)時，在平行于表面的方向上，純Ni和純Al的原子層交替排列，所以就有Ni截止和Al截止兩種可能的表面結構。對任何取向的該類表面而言，Ni截止表面的能量比Al截止表面要高的多，而且這兩種不同的截止方式之間的表面能之差隨著晶面間距的增加而線性增加。所以從表面能最小化的角度來考慮，對每一種Ni、Al交替的表面，以Al截止的表面應該是其擇優(yōu)織構，這與實驗結果一致。當晶面密