Mg和Re团簇表面自扩散及Al在Mg团簇上生长的原子模拟

发布时间：2018-03-25 13:39

本文选题：嵌入原子模型　切入点：表面自扩散　出处：《湖南大学》2015年博士论文

【摘要】：本文运用分析型嵌入原子模型，对铼、镁两种典型HCP结构金属团簇的表面自扩散和铝在镁团簇上扩散和生长进行了系统的原子模拟研究。利用分析型嵌入原子模型，研究了铼、镁团簇表面的自扩散行为。以包含4061个Re原子的六角多面体结构（Re HEX4061）团簇为研究对象，研究了一个Re吸附原子在团簇表面的面内和面间自扩散，分析了这些扩散过程的机制，所计算的扩散激活能与相关实验结果吻合得较好。研究了Mg吸附原子在包含587个原子的六角多面体结构（Mg HEX587）团簇表面的自扩散。研究方法同Re团簇的表面自扩散的类似，将两种团簇的表面自扩散过程的相关结论进行了对比研究，相比Re团簇自扩散，，Mg团簇自扩散所需的扩散激活能低很多，尤其在（0001）面上，Mg吸附原子所需的扩散激活能非常低，只有约0.02eV。研究发现，Re、Mg原子在团簇表面的面间自扩散行为主要由跃迁机制支配，因此，在低温下吸附原子很难进入团簇内部。研究了Al吸附原子在Mg HEX587团簇上的异质扩散。同自扩散一样，从五条路径分别研究单个Al吸附原子的扩散行为。与Re、Mg两种原子的表面自扩散结果相比较，有很多异同。相同点在于在（0001）面上，扩散行为都很容易发生，而在（1101）面上由于低能量势阱的存在，使得扩散行为容易受阻。主要区别在于Al吸附原子在Mg HEX587团簇上的面间扩散主要通过交换机制实现。特别是Al原子通过其中一条路径进行（1101）面间扩散的时候，通过交换机制扩散，而且需要克服的ES势垒很低，只有0.049eV，因此Al吸附原子可能占据这条路径的台阶上的Mg原子的位置。研究了二聚体Al吸附原子在Mg HEX587团簇上的扩散，并与单个吸附原子的扩散进行对比。研究了Al在Mg团簇上的生长过程。研究了基体团簇的形状、大小和温度三因素对生长的影响。在相同的温度下，基体的形状对团簇的生长很重要。如150Ｋ下，初始为561个原子组成的截角八面体的团簇（CUB561），团簇的形状将演变为二十面体（ICO561）。以截边十面体（TDEC561）为基体的团簇生长情况同以Hex587团簇为基体的结论非常相似，均能得到一个比较完整的Mg核Al壳结构。团簇表现出强烈的尺寸效应，在我们所研究范围内，基体团簇越小越不稳定。当温度比较低时，随着沉积原子的不断增加、扩散，最后能得到一个比较完整的Mg核Al壳的壳层结构。而当温度升高至250K以后，Al沉积原子获得一定的能量，开始进入团簇内部，更多的Mg原子出现在表面，250K以上无法形成一个Mg核Al壳的壳层结构。另外，在以上结论的基础上，研究了150K下，Al原子在Mg HEX967团簇上生长的过程。从生长初期入手，分析该团簇的生长机理。当沉积Al原子数量不断增多至600后，大部分Al原子最终基本覆盖在Mg团簇的表面，形成了一个保持了六角多面体形状的Mg核Al壳结构，验证了我们对影响团簇生长三因素的分析。目前，许多表面扩散和生长的理论主要针对由面心立方（FCC）和体心立方（BCC）结构的团簇进行模拟研究，而几乎没有涉及到六角密排（HCP）结构的团簇。本文所运用的分析型嵌入原子模型是通过拟合体原子性质得到的，模拟本文中团簇的表面动力学性质时无需调整任何参数，并且得到的结论与相关理论和实验结果相符。本工作对丰富和发展团簇生长的理论研究，指导团簇生长的实验工作，均具有重要意义。
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【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.22;TG146.418

【参考文献】