异质扩散过程中ES势垒的计算

利用分子动力学中的静态结构计算方法对Pd，Ag及Cu原子在面心立方铜的台阶表面扩散过程中的Ehrlich-Schwoebel(ES)势垒进行了模拟计算，研究了各种台阶表面情况下增原子扩散过程中的ES势垒；讨论了与衬底互溶的金属和与衬底不互溶的金属增原子扩散的ES势垒的异同，并将模拟结果与同质情况的研究结果进行了对比. 结果表明： 1)在同质和异质扩散过程中ES势垒随着台阶高度的变化关系是相似的，即随着台阶高度的增加，ES势垒逐渐增加；当台阶高度达到某一高度时ES势垒将趋于定值. 2)在跳跃机理下，与Cu互溶的金属(Pd)在Cu表面台阶上扩散的ES势垒最大，其次是Cu，最小的是与Cu不互溶的金属 (Ag)；而在交换机理下，与Cu不互溶的金属(Ag)在Cu表面台阶上扩散的ES势垒最大，其次是Cu，最小的是与Cu互溶的金属(Pd). 3)对大多数台阶的情况，交换机理支配着原子在台阶边缘的扩散行为；且表面台阶高度对交换扩散过程影响较大.     

Al原子在Ni基衬底表面的扩散及团簇的形成

Ni Al纳米颗粒具有较高的能量密度和良好的高温力学性能,铝吸附原子在不同镍基表面上的扩散行为与不同扩散机制对铝在镍基表面沉积生长的影响有待进一步阐明.本文通过采用肘弹性带和分子动力学结合嵌入原子势的方法,系统地研究了单个铝吸附原子在镍基表面的扩散行为和纳米颗粒团簇在十面体(DEC)、立方八面体(CUB)和二十面体(ICO)结构上的生长.研究结果表明:Al吸附原子在三种Ni基底上表面扩散的交换与跳跃两种机制,最低的Ehrlich-Schwoebel(ES)势垒为0.38 e V (交换CUB{111}→100})、0.52 e V (交换DEC{111}→100})和0.52 e V (跳跃ICO{111}→111}),从{111}面扩散到{100}面主要以交换机制为主,而相邻两个{111}面之间的扩散则以跳跃机制为主.沉积的铝原子首先倾向于扩散到台阶边缘和顶点附近.随着Al原子数量的增加,沉积的Al原子开始聚集.对于Ni团簇上的Al原子,在较低温度下在镍基底表面沉积Al原子,可以获得良好的Ni核/Al壳结构.对于二十面体结构基底,其对应的核壳团簇的缺陷数最小,随后为十面体结构和八面体结构.随着生长温度的增加Ni Al纳米粒子的表面逐渐开始合金化.     

NiCu双金属纳米粒子的表面偏析、结构特征与扩散

NiCu双金属核壳纳米粒子不仅由于其优异的稳定性、选择性以及磁学和催化性能而受到广泛关注,而且可以通过改变其纳米粒子的形貌、表面元素分布和粒径大小而具有可调谐性能.采用分子动力学与蒙特罗方法并结合嵌入原子势对NiCu双金属纳米粒子的表面偏析、结构特征以及Cu吸附原子在Ni基底沉积生长与表面扩散进行了研究,结果表明Cu原子在Ni基底表面具有强的偏析倾向.随着Cu原子浓度的增加,Cu原子优先占据纳米粒子的顶点、边、(100)和(111)面,最终形成完美的Ni核/Cu壳纳米粒子.在生长温度T=400 K时,形成的Ni核/Cu壳结构最稳定.进一步采用肘弹性波方法模拟计算在Ni基表面Cu吸附原子的扩散势垒,结果表明, Cu吸附原子无论是交换还是扩散,都需要克服较大的ES势垒,从而难以在Ni基底表面进行面间扩散.与Ni基底相反,在Cu基底上沉积Ni原子, Ni吸附原子很容易从(111)面迁移至(100)面,且在当前模拟温度下, Ni吸附原子无法在(100)面进行迁移,导致生长构型朝正八面体的形状发展,且其八个顶角几乎被Ni原子所占据.本文经过深入研究,从原子的角度出发,对NiCu纳米催化剂的初步设计提供了一种新的思路和方法.     

UO2 晶体中低密勒指数晶面表面能的分子动力学模拟

采用基于刚性离子势的分子动力学模拟方法初步计算了UO₂晶体中(100), (110)和(111) 3种低密勒指数晶面在300–1500 K范围内的表面能大小. 结果表明, 3种晶面的表面能大小随温度的升高而降低, 与实验结果趋势一致; 原子排列最紧密的(111)晶面具有最低的表面能, 3种晶面的表面能大小从高到低依次为(100), (110)和(111)晶面; 达到平衡状态下的表面层原子相对于体内原子层在表面的法线方向上发生了明显的压缩并且表面层原子的对称性也降低了, 表面原子的弛豫效应一直影响到了第5层. 计算研究结果将有助于深入认识UO₂燃料中裂变气体气泡的聚集长大以及燃料的辐照肿胀开裂行为. 关键词： 分子动力学 2')" href="#">UO₂ 低密勒指数晶面 表面能     

低能Pt原子与Pt(111)表面相互作用的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法详细研究了低能Pt原子与Pt(111)表面的相互作用所导致的表面吸附原子、溅射原子、表面空位的产生及分布规律,给出了表面吸附原子产额、溅射原子产额和表面空位产额随入射Pt原子能量的变化关系.模拟结果显示:溅射产额、表面吸附原子产额和表面空位产额随入射原子的能量的增加而增加,溅射原子、表面吸附原子的分布花样呈3度旋转对称性质;当入射粒子能量高于溅射阈值时,表面吸附原子主要是基体最表面原子的贡献,入射粒子直接成为表面吸附原子的概率很小.其主要原因是:当入射粒子能量高于溅射能量阈值时,入射 关键词： 分子动力学 低能粒子 表面原子产额 空位缺陷 溅射     

Ge/Pb/Si(111)生长中Ge原子沿团簇边缘扩散的三维Monte-Carlo模拟

用动态Monte-Carlo方法对Ge在单层表面活性剂Pb覆盖的Si(111)表面上沿团簇边缘扩散进行三维模拟.重点讨论Ge原子是否沿团簇边缘扩散,沿边缘扩散时的最大扩散步数及最近邻原子数对三维生长的影响,并计算薄膜表面粗糙度研究三维生长模式.模拟表明Ge沿团簇边缘扩散的行为对薄膜生长模式的影响很大,同时讨论了ES势对三维生长模式的影响.     

Au/Cu(001)异质外延岛演化的分子动力学研究

利用分子动力学弛豫方法模拟了Au/Cu(001)异质外延生长初期Au异质外延岛的形貌演化，分析了Au外延岛演化过程中的局域应力及与基体结合能随表面岛尺寸的变化. 研究结果表明：当异质外延岛小于7×7时，外延岛原子分布呈现赝Cu点阵形貌；当外延岛达到8×8后，外延岛内开始出现失配位错，失配位错数量随外延岛尺寸的增加而增加. 局域压力分析指出，外延岛上原子之间的近邻环境不同导致了所受应力的差异，而外延岛的形变则是由外延岛原子的应力分布所决定. 研究还发现，失配位错的产生导致错位原子与基体原子之间的结合强度减弱，但相对增加了非错位原子与基体原子之间的结合强度. 关键词： 异质外延 表面形貌 局域压力 分子动力学模拟     

硅晶体中点缺陷结合过程的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟研究了硅晶体中的空位和间隙原子的结合过程. 研究中采用了Stilliger-Weber三体经验势描述原子间的相互作用, 系统分别在低温300K和高温1400K进行弛豫. 计算中发现空位和间隙原子倾向于通过<111>方向结合，而<110>方向上存在着势垒. 通过势垒值的计算, 对Tang和Zawadzki势垒计算值的差异进行了解释. 关键词： 分子动力学 空位与间隙原子 扩散     

Cu 表面性质的第一性原理分析

采用第一性原理赝势平面波方法, 计算并详细分析了面心立方Cu晶体及其 (100), (110) 和 (111) 这3个低指数表面的原子结构、 表面能量及表面电子态密度. 表面能的计算结果表明, Cu (111) 表面的结构稳定性最好, Cu (100) 表面次之, Cu (110)表面的结构稳定性最差. 3个表面的表面原子弛豫量随着层数的增加而逐渐减弱. Cu (110) 表面的最表层原子相对收缩最大, Cu (100)表面次之, Cu (111) 表面的最表层原子相对收缩最小. 表面原子弛豫不仅引起表面几何结构的变化, 而且使表面层原子的电子态密度峰形相对晶体内部发生变化, 这是表面能产生的主要原因, 而Cu (110)表面相对于Cu (100)与Cu (111)表面具有高表面活性的主要原因则源于其表面层原子电子态密度在高能级处的波峰相对晶体内部显著的升高. 关键词： Cu 晶体 表面结构 表面能 态密度     

金属Al表面熔化各向异性的分子动力学模拟

采用嵌入原子势,使用分子动力学方法对金属Al不同低指数晶面的表面熔化现象分别进行了模拟.分析了熔化过程中样品结构组态的变化.模拟结果表明对于不同的自由表面,表面熔化呈现出明显的各向异性行为.Al（110）面在低于熔点的温度之下发生预熔化;（111）与（001）面都出现过热现象.与（111）面不同,（001）面发生过热现象时表面原子层为类液层,而（111）面仍然保持很好的晶格结构,即预熔化的Al（001）面在高于熔点的温度下,仍可以在很长的时间内处于相对稳定的亚稳态.由模拟得到Al的热力学熔点为950 K左右,与实验值基本符合. 关键词： 分子动力学 表面熔化 过热     

扫描隧道显微镜针尖调制的薄膜表面的原子扩散

采用原子尺度的模拟方法,探讨了在零偏压下扫描隧道显微镜(STM)针尖调制的金属表面岛上原子运动及岛边的层间质量输运. 研究结果显示STM的移动对岛上及岛边的原子扩散有重要的影响. 针尖与吸附原子的交互作用及岛和基体中强的形状变化影响了岛上吸附原子的跳跃扩散及岛边的跳下扩散和交换扩散过程. 研究发现,通过调节针尖与基体的垂直距离及针尖与吸附原子的水平距离,可以降低岛上吸附原子的跳跃扩散能垒及岛边的跳下扩散和交换扩散能垒,从而实现薄膜由三维生长模式向二维生长模式的转变. 关键词： 扫描隧道显微镜 原子运动 质量输运     

Size-dependent detachment-limited decay kinetics of two-dimensional TiN islands on TiN(111)

In situ high-temperature (T(a)=1050-1250 K) scanning tunneling microscopy was used to determine the coarsening and decay kinetics of two-dimensional TiN adatom and vacancy islands on atomically smooth TiN(111) terraces. We report the first observation of an abrupt decrease in decay rates, irrespective of T(a), of adatom islands with areas less than a critical value of 1600 A(2). However, no decay rate transition was observed for vacancy islands. We attribute the size-dependent island decay behavior, which is consistent with detachment-limited kinetics, to anisotropic attachment and detachment barriers.     

表面Cu原子间相互作用对Cu(001)表面跳跃扩散行为的影响

采用嵌入原子方法的原子间相互作用势，利用准静态分子动力学模拟研究了Cu原子在Cu(001)表面吸附所导致的基体晶格畸变以及对其附近的另一个吸附原子自扩散行为的影响.研究结果表明，吸附原子的存在可以导致多达10层的Cu基体晶格产生畸变.两个吸附原子所产生的晶格畸变应力场之间的相互作用，可以导致吸附原子运动活性的增加.通过比较同一路径上往返跳跃扩散势垒的差异发现，在原子间相互作用势的有效距离之外，两个吸附原子的扩散行为可以认为是存在晶格畸变应力场相互作用的两个独立吸附原子的扩散；在原子间相互作用势的有效距离之 关键词： 表面吸附原子 晶格畸变 表面二聚体 扩散     

Nanowedge island formation on Mo(1 1 0)

The deposition of ultrathin Fe films on the Mo(1 1 0) surface at elevated temperatures results in the formation of distinctive nanowedge islands. The model of island formation presented in this work is based on both experiment and DFT calculations of Fe adatom hopping barriers. Also, a number of classical molecular dynamics simulations were carried out to illustrate fragments of the model. The islands are formed during a transition from a nanostripe morphology at around 2 ML coverage through a Bales-Zangwill type instability. Islands nucleate when the meandering step fronts are sufficiently roughened to produce a substantial overlap between adjacent steps. The islands propagate along the substrate [0 0 1] direction due to anisotropic diffusion/capture processes along the island edges. It was found that the substrate steps limit adatom diffusion and provide heterogeneous nucleation sites, resulting in a higher density of islands on a vicinal surface. As the islands can be several layers thick at their thinnest end, we propose that adatoms entering the islands undertake a so-called “vertical climb” along the sides of the island. This is facilitated by the presence of mismatch-induced dislocations that thread to the sides of the islands and produce local maxima of compressive strain. Dislocation lines also trigger initial nucleation on the surface with 2-3 ML Fe coverage. The sides of the nanowedge islands typically form along low-index crystallographic directions but can also form along dislocation lines or the substrate miscut direction.     

Nonstochastic behavior of atomic surface diffusion on Cu(111) down to low temperatures

Atomic diffusion is usually understood as a succession of random, independent displacements of an adatom over the surface's potential energy landscape. Nevertheless, an analysis of molecular dynamics simulations of self-diffusion on Cu(111) demonstrates the existence of different types of correlations in the atomic jumps at all temperatures. Thus, the atomic displacements cannot be correctly described in terms of a random walk model. This fact has a profound impact on the determination and interpretation of diffusion coefficients and activation barriers.     

The crossover from collective motion to periphery diffusion for two-dimensional adatom-islands on Cu(111)

The diffusion of two-dimensional adatom-islands (up to 100 atoms) on Cu(111) has been studied, using the self-learning kinetic Monte Carlo method (Trushin et?al 2005 Phys. Rev. B 72 115401). A variety of multiple-?and single-atom processes are revealed in the simulations, and the size dependences of the diffusion coefficients and effective diffusion barriers are calculated for each. From the tabulated frequencies of events found in the simulation, we show a crossover from diffusion due to the collective motion of the island to a regime in which the island diffuses through periphery-dominated mass transport. This crossover occurs for island sizes between 13 and 19 atoms. For islands containing 19-100 atoms the scaling exponent is 1.5, which is in good agreement with previous work. The diffusion of islands containing 2-13 atoms can be explained primarily on the basis of a linear increase of the barrier for the collective motion with the size of the island.     

Energy barriers for interlayer diffusion in Pt/Pt(111) and Rh/Rh(111) homoepitaxy: Small islands

We performed detailed molecular statics calculations of energy barriers for various adatom movements in the vicinity of small island on (111) surfaces of Pt and Rh using Rosato-Guillope-Legrand interatomic potential. We found that for both systems the exchange processes are energetically favorable in comparison with direct jumps of an adatom. We observed that Ehrlich-Schwoebel barriers for exchange decrease significantly on small islands in comparison to single step on the surface. A comparison of both materials is presented. Presented at the VIII-th Symposium on Surface Physics, Třešt’ Castle, Czech Republic, June 28 – July 2, 1999. Financial support for this work was provided by the COST project P3.80.     

Quantum size effect on adatom surface diffusion

Using scanning tunneling microscopy, we demonstrate that the nucleation density of Fe islands on the surface of nanoscale Pb films oscillates with the film thickness, providing a direct manifestation of the quantum size effect on surface diffusion. The Fe adatom diffusion barriers were derived to be 204+/-5 and 187+/-5 meV on a 21 and 26 monolayer (ML) Pb film, respectively, by matching the kinetic Monte Carlo simulations to the experimental island densities. The effect is further illustrated by the growth of Fe islands on wedged Pb films, where the Fe island density is consistently higher on the odd-layer films than on the even-layer films in the thickness range of 11 to 15 ML.     

替位杂质对低能Pt原子与Pt(111)表面相互作用影响的分子动力学模拟

采用嵌入原子方法的原子间相互作用势，通过分子动力学方法模拟了低能Pt原子与Cu，Ag，Au，Ni，Pd替位掺杂Pt(111)表面的相互作用过程，系统研究了替位原子对表面吸附原子产额、溅射产额和空位缺陷产额的影响规律，分析了低能沉积过程中沉积原子与基体表面的相互作用机理以及替位原子的作用及其影响规律.研究结果显示：替位原子的存在不仅影响着沉积能量较低时的表面吸附原子的产额与空间分布，而且对沉积能量较高时的低能表面溅射过程和基体表面空位的形成产生重要影响.替位原子导致的表面吸附原子产额、表面原子溅射以及空位形 关键词： 分子动力学 低能粒子 替位掺杂 表面原子产额 溅射 空位     

Kinetics of facile bilayer island formation at low temperature: Ag/NiAl(110)

Facile nucleation and growth of bilayer Ag(110) islands on NiAl(110) is observed by STM for Ag deposition at temperatures as low as 127 K. Density functional theory analysis for supported Ag films determines adatom adsorption energies (which favor bilayer islands), interaction energies, and diffusion barriers. Analysis of an atomistic lattice-gas model incorporating these energies elucidates the role of strongly anisotropic interactions in enabling the upward mass transport needed for bilayer island formation.