晶體表面重構的計算機模擬及機理分析.pdf

1、表面是材料的物理性質、化學性質發(fā)生空間突變的二維區(qū)域。材料的許多重要物理過程和化學過程首先發(fā)生在表面，同時材料的很多破損和失效也首先起源于表面。因此，表面是材料與外部環(huán)境直接發(fā)生聯(lián)系的窗口，從研究材料表面的各種物理化學過程入手最終可以達到改變材料性能的目的，而研究晶體表面的原子結構是表面科學的中心內容。各種現(xiàn)代實驗技術以及理論或半經驗理論已被廣泛應用于觀察和模擬表面重構，但是對于各種晶體的各種表面重構現(xiàn)象的發(fā)生機制并沒有最終定論。本文應

2、用改進型嵌入原子法(MEAM)，結合計算機模擬了面心立方七個過渡族金屬(110)、(211)、(311)表面和金剛石立方結構三種晶體的(001)表面的可能結構，從能量最小化原理，表面形貌以及原子的價電子結構討論分析了重構發(fā)生的機理。 (1)計算了面心立方七個過渡族金屬Au、Pt、Ag、Pd、Rh、Cu和Ni的(110)面理想(1×1)，失錯排(1×2)和失錯列(2×1)三種可能結構的表面能面密度。從能量最小化原理分析得出，失錯列

3、(2×1)重構不能夠在所有過渡族金屬的(110)表面形成，而失錯排(1×2)重構能夠在Au和Pt的(110)表面自然形成，卻不能在Ag、Pd、Rh、Cu和Ni的(110)表面自然形成。與原形EAM所預言的結論相比，這一結論更好的與實驗結果相符，因為EAM預言Ag和Pd的(110)表面也能自然形成失錯排(1×2)重構。除了從能量最小化原理分析以外，還從表面形貌和原子的價電子結構進一步的分析了在過渡族金屬(110)表面上形成失錯排(1×2)

4、重構和失錯列(2×1)重構的相對可能性。 (2)計算了面心立方七個過渡族金屬Au、Pt、Ag、Pd、Rh、Cu和Ni的(211)和(311)表面上理想(1×1)和失錯排(1×2)兩種結構的表面能面密度之差，以確定在(211)和(311)表面是否也存在失錯排(1×2)重構現(xiàn)象，并將面心立方過渡族金屬(110)、(211)和(311)表面失錯排(1×2)重構進行比較分析。結果表明失錯排(1×2)重構在所有的過渡族金屬的(211)表面

5、不能夠自然形成，失錯排(1×2)重構僅能夠發(fā)生在Pt(311)表面，這一點與實驗結果和第一原理的計算結果一致。同時還發(fā)現(xiàn)失錯排(1×2)重構在過渡族金屬的(110)，(211)和(311)三個表面自然形成的可能性是隨5d金屬Au和Pt，4d金屬Ag、Pd和Rh，3d金屬Cu和Ni的順序呈遞減趨勢。從它們的價電子結構和表面形貌做了解釋。 (3)計算了金剛石立方結構C、Si和Ge三種晶體的(001)表面理想(1×1)，二聚(2×1)

6、和三聚(3×1)結構的表面能面密度。從能量最小化原理分析發(fā)現(xiàn)，二聚(2×1)和三聚(3×1)兩種重構都能夠自然形成，且二聚鍵和三聚鍵在形成的過程中沒有任何能量障礙。但是，二聚(2×1)重構對應的表面能面密度最小，則表明二聚(2×1)重構最容易形成且最穩(wěn)定。這一結論與實驗結果和其它的理論結果一致。確定的Si(001)表面的二聚鍵長2.43A處于實驗值2.20A～2047A之內，確定的Ge(001)表面的二聚鍵長2.5A與X-射線衍射實驗測