Моделирование структурных перестроек в кластерах металлов и сплавов методом молекулярной динамики

• Автор: Карькин, Илья Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 160 с. : ил.

ГЛАВА 1. Современные представления об атомных конфигурациях и особенностях структурных превращений в микрокластерах

1.1. Экспериментальные данные об особенностях структуры и

свойствах кластеров и наночастиц

1.2. Структура основного состояния микрокластеров (результаты МД моделирования) ■

1.3. Особенности структурных превращений в кластерах сплавов

„ 1.3.1. Эффекты упорядочения и сегрегации в наночастицах

бинарных сплавов

1.3.2. Краткий обзор экспериментальных данных об особенностях структурных превращений в нанокристаллических материалах

1.3.3. Мартенситные превращения в массивных Ре-№ сплавах

(МД моделирование)

1.4. Постановка задачи

ГЛАВА 2. Метод молекулярной динамики для моделирования микрокластеров
2.1. Краткое описание метода МБ.и возможностей пакета ХМБ
Г 2.1.1. Моделирование при конечных температурах
2.1.2. Выбор параметров при моделирование цикла нагрев-охлаждение
2.2. Типы потенциалов межатомного взаимодействия, используемые при расчетах в рамках метода МД
Р 2.2.1. Парные потенциалы
2.2.2. Многочастичные потенциалы для ГЦК металлов и сплавов, используемые при расчетах конфигураций микрокластеров
2.3. Тестирование метода моделирования
ГЛАВА 3. Кинетика структурных превращений в кластерах
N1, Си, А1, Аи и РЬ
3.1. Структурные превращения при нагреве и охлаждении в

кластерах ГЦК металлов
3.2. Особенности структурных превращений и образование
9 политетраэдрических конфигураций в кластерах А1
3.3. Влияние дефектов на структурное состояние кластеров N1 и А1
3.4. Роль особенностей межатомного взаимодействия в формировании структуры кластеров
Выводы
ГЛАВА 4. Структурные состояния кластеров сплава №|.хА1х
4.1. Влияние состава на структурное состояние кластеров сплава №-А1
4.2. Эффекты сегрегации и атомного упорядочения в кластерах №-А1
4.3. Особенности структурных превращений при нагреве и охлаждении
в кластерах сплава №зА1
ф 4.4. Структурные состояния кластеров сплава №-А1 и чистых металлов
Выводы
ГЛАВА 5. Структурные состоянии нанокластсров сплава Геюо-х^х, испытывающего полиморфное а <-»у превращение
5.1. Структурное превращение ОЦК - икосаэдр в кластерах с числом атомов N=55 и 147.
5.2. Размерная зависимость кинетики полиморфного а<->у превращения
5.2.1. а<г>у превращение в кластерах размером ё > 3,5 нм
5.2.2. Особенности формирования доменной структуры
в кластерах размером 3,0 < ё < 3,5 нм
5.2.3. Структурные перестройки в кластерах размером
1,5 < А < 3,0 нм
5.3. Структурные превращения в микрокластерах и наноструктурных материалах
Выводы
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

В последнее время физика конденсированного состояния все большее внимание уделяет исследованию объектов, построенных из структурных элементов нанометрового масштаба (нанокристаллов, тонких пленок, порошков, наночастиц, микрокластеров). Исследование кластеров и наночастиц имеет фундаментальное научное значение, поскольку позволяет проследить, как изменяются структурные характеристики и свойства систем от атомов и молекул до масштаба массивных кристаллов. Выяснение механизмов, определяющих необычную структуру кластеров, характеризуемую плотнейшей упаковкой атомов с икосаэдрической координацией, дает аргументы в решении такой важной проблемы физики твердого тела, как природа твердого, жидкого, аморфного и квазикристаллического состояния.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований при конечных температурах привели к концепции динамического сосуществования (ДС) фаз в малых системах, согласно которой в некоторой окрестности температуры плавления кластера (которая значительно ниже температуры плавления массивного материала) структура отдельного кластера может флуктуировать со временем между твердым и жидким состоянием. Явление ДС связано с высокой лабильностью малых систем, наличием многих локальных минимумов, разделенных относительно небольшими барьерами. Вследствие ДС кинетические факторы, такие как траектория нагрева или охлаждения, могут оказаться определяющими в формировании структуры кластеров. Исследование кинетических аспектов устойчивости структуры малых частиц позволит установить размерный предел в стремлении к миниатюризации при создании микроэлектронных и других устройств.
Изучение эволюции структуры с увеличением размера наночастиц, исследование структурных перестроек, которые наблюдаются в кластерах, позволит также прояснить процессы, происходящие в наноструктурных массивных материалах. Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что наноструктурные материалы обладают комплексом уникальных прочностных, пластических свойств, особыми магнитными характеристиками и
Таблица 2.2. Сравнение рассчитанных и экспериментальных значений физических величин для Си, Аи, Ag.
Наименование Си Эксперим Расчет Au Эксперим Расчет Ag Эксперим Расчет
а (А) 3.61 3.615 4.08 4.08 4.09 4
Ес (eV/atom) 3.54 3.54 3.93 3.93 2.85 2
B(erg/cmJ) 1.38 1.38 1.67 1.67 1.04 1
Сц (erg/cmj) 1.67 1.70 1.83 1.86 1.29 1
С12 (erg/cm3) 1.24 1.225 1.59 1.57 0.91 0
С44 (erg/cmJ) 0.76 0.758 0.45 0.42 0.57 0
Eva=‘ (eV) 1.28 1.3 1.03 0.9 0.97 1
Em' (eV) 0.72 0.71 0.71 0.83 0.83 0
У111 (erg/cm2) 1170 среднее 790 среднее 620 среднее
Y100 (erg/cm2) 1280 1790 918 1500 705 1240
yi 10 (erg/cm2) 1400 980 770
Функции Фмы-л и Фаьа1 парного взаимодействия, а также соответствующие электронные плотности и функции погружения (2.6, 2.7) были построены с использованием набора экспериментальных данных для № и А1. В табл.2.3. представлены рассчитанные и вычисленные с использованием данного потенциала значения ряда физических величин.
Парный потенциал Фыьа1 имеет вид:
Ф№-А|(а+Ьх)=А Фщ-№(с+<Зх)+(1-А) Фага^+Гх) (2.22)
где х принимает значение от 0 до 1. А, а, Ь, с, й, е, { - подгоночные параметры, которые выбирались из соответствия расчетных и экспериментальных значений для параметра решетки, энергии связи, упругих модулей, энергий антифазных границ и поверхностных энергий для упорядоченного сплава №зА1. Потенциал