金属高密勒指数表面能和表面结构的分子动力学研究

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金属和半导体材料的高密勒指数表面是目前表面科学研究的一个热点问题,也是值得更进一步研究的问题,目前的研究主要集中在对表面几何结构的确定,本文根据目前实验上对一些表面已有的研究结果,在理论上对一些金属的高密勒指数表面的表面能和表面结构进行了研究。采用半经验嵌入原子势(EAM)的分子动力学方法,计算了具有理想面心立方结构的金属Al、Cu、Ni的[001]晶带(范围从(100)面至(110)面)和[-110]晶带(范围从(110)面至(111)面再到(001)面)的表面能值随角度θ的变化曲线。以及理想体心立方结构的金属Fe的[001]晶带(范围从(100)面至(110面)和[-110]晶带(范围从(110)面至(112)面再到(001)面)的表面能值随角度θ的变化曲线。计算结果同已有的实验结果相符合。表面原子排列越紧密,表面能越低。作为各条曲线表面结构单元的两个低密勒指数面[001]晶带的(100)面和(110)面,[-110]晶带的(110)面和(111)面或(112)面其表面能值分别是对应曲线上的一个极小值点。在此基础上,针对面心立方金属晶体Al、Cu、Ni和体心立方金属晶体Fe分别提出了基于表面结构单元模型的[001]晶带和[-110]晶带表面能的四个经验计算公式。并进一步将新提出的四个公式归纳为一个更普遍的统一公式,与分立公式相比,统一公式所表明的物理意义更加明显清晰。公式计算结果和采用分子动力学模拟结果一致。利用此式,可以通过两个低密勒指数表面的表面能精确值,较准确地估计对应晶带上任意一个高密勒指数表面的表面能,并且可以同时确定该高密勒指数表面的结构特征。最后,我们计算了Al、Cu在不同温度下一系列高指数表面的表面能值随角度θ的变化曲线,为研究金属铝和铝合金断裂裂纹尖端的解理和扩展做了准备工作。
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