Fe基体中包含Cu团簇的Fe-Cu二元体系在升温过程中结构变化的原子尺度计算

采用基于嵌入原子方法的分子动力学方法模拟了具有体心立方晶格结构的Fe基体中包含小尺寸Cu纳米粒子的Fe-Cu二元体系在升温过程中的原子堆积结构变化.进行了Cu原子均方位移、Cu原子对分布函数和原子的径向密度分布函数的计算,并对纯Cu原子区、Fe-Cu界面区和纯Fe基体区的分区域原子堆积结构进行了分析.结果表明,Fe基体内Cu团簇的尺寸及其在Fe基体内所能占据区域的大小,对不同温度下的Cu团簇内原子堆积结构及Fe基体的原子堆积结构具有影响.升温过程中不同尺寸受基体约束Cu团簇对Fe基体结构改变的影响表现出很大差异.对于Fe_(bulk)-Cu_(135)体系,基体的应变临近Fe-Cu界面区,同时在团簇中间的基体区域出现大量空位缺陷和应变集中区;对于Fe_(bulk)-Cu_(141)体系,随温度升高,基体中出现的应变区域表现为小尺寸、数量多向大尺寸、小数量的变化.     

Ti纳米粒子熔化与凝结的原子尺度模拟

本文采用基于嵌入原子势的分子动力学方法模拟研究了不同尺寸Ti纳米粒子在熔化与凝结过程中的原子堆积结构变化.温度变化过程中对Ti纳米粒子中原子平均能量、对分布函数、键对和比热容的计算结果表明,粒子尺寸和温度变化方式对粒子的结构转变具有重要影响.小尺寸Ti粒子更易于形成二十面体构型.随着Ti纳米粒子粒径的增大,室温下粒子趋于保持初始密排六方的堆积结构.升温过程中,大粒径的纳米粒子内出现HCP向BCC的部分结构转变,导致HCP和BCC结构共存现象.大粒径粒子的熔化与体相材料相似,具有一个熔化温度.熔融粒子降温时,纳米粒子内部原子发生熔融态→BCC→HCP堆积结构的转变,且凝结温度较熔化温度滞后.该原子尺度的模拟提供了可用经典理论估算Ti粒子熔化所需能量的临界尺寸.     

基于粒子群算法的Pt-Pd合金纳米粒子的稳定结构研究

Pt-Pd合金纳米粒子相对于Pt及Pd单晶纳米粒子均具有更好的催化活性和选择性, 研究它的稳定结构对进一步了解催化性能具有重要意义. 本文采用粒子群算法和量子修正Sutton-Chen多体势对不同尺寸、 不同组成比例的二十四面体Pt-Pd合金纳米粒子的结构稳定性进行研究. 结果表明: Pt-Pd合金纳米粒子中Pt原子趋向于分布在纳米粒子内层, 而Pd原子趋向于分布在纳米粒子外层, 且Pt, Pd原子的分布越对称有序, 其能量越低, 结构越稳定; 随着Pt原子比例的增加, 三种不同尺寸的合金纳米粒子的Warren-Cowley化学短程有序值都逐渐升高, 即纳米粒子更趋向于偏聚分布状态; 在相同比例下, 小尺寸纳米粒子的偏聚程度比大尺 寸纳米粒子的大. 关键词： 合金纳米粒子 粒子群算法 稳态结构     

深过冷液态Ni2 TiAl合金热物理性质的分子动力学模拟

采用嵌入原子法对深过冷条件下Ni2TiAl合金的焓和密度进行了分子动力学模拟,模拟获得了比热和密度在1200K至2000K范围内的温度依赖关系.结果表明过冷条件下Ni2TiAl合金的比热、密度和温度之间存在着线性关系,它们都随着温度的降低而降低.比热的大小与依据Neumann-Kopp法则估算的结果相近,同时模拟过程中的尺度效应经验证可以忽略.     

TiAl/Ti3Al体系剪切变形的分子动力学研究

利用分子动力学方法研究了正化学比的TiAl/Ti3Al双相体系中剪切变形诱发位错形核以及相关结构转变的动态过程以及切变力场对最终结构的影响.研究发现,在TiAl/Ti3Al双相体系中剪切变形诱发黏滞-滑移式的滑移行为;界面在其中起到了传递能量、均衡协变的作用,界面两侧的异相结构保留了单相形变特征.六角密堆积(HCP)-Ti3Al部分各原子层较长时间内呈整体剪切协变,其后形变分化为应力集中诱发层错区和初始完整结构回复区;而面心立方(FCC)-TiAl部分因刚性较大仅存在微协变,其后局部受力区直接诱发相邻原子层间相对滑移,发生FCC向HCP结构转变.变形结构方面,HCP-Ti3Al部分在剪切力较大区域形成连续且稳定的FCC堆垛,近界面区FCC薄层与HCP相交替并存;而FCC-TiAl部分内禀层错和孪晶共存,当力场增大时形成亚稳HCP结构.     

Al表面的"类液"结构及其自扩散通道

应用分子动力学方法,采用嵌入势模型在熔点下和熔点上对Al(001),(110)和(111)表面的原子结构和自扩散现象进行研究.发现这些表面的第一层原子在低于熔点时,Al(110)面在700±10 K,Al(001)面在 860±10 K,Al(111)面在 930±10 K呈现明显自扩散且最终转变为"类液"结构,而其余各层仍保留有序状态.对这种"类液"结构进行均方位移、结构有序参数、径向分布函数和z向粒子密度分析,发现其结构和扩散行为与熔化的Al表面不同,并能在一定温度区间稳定存在.在"类液 关键词： 表面结构 分子动力学 自扩散     

纳米粒子与单晶硅表面碰撞的反弹机理研究

应用分子动力学方法模拟了纳米粒子与单晶硅(001)表面碰撞、反弹飞离的现象，分析了粒子的反弹行为、基体弹性形变和塑性形变的原子构型特征，以及碰撞过程的能量转化.碰撞后单晶硅表面形成半球形的小坑，小坑周围的基体原子呈非晶态.碰撞过程中与颗粒相邻的基体原子立即非晶化，在非晶层外面基体以可恢复的(111)［110］滑移结构存储弹性形变能.在射入过程，基体发生压缩弹性形变；颗粒反弹时基体势能振荡下降,交替形成压缩形变构型和拉伸形变构型.射入过程中存贮的压缩弹性形变能的释放为颗粒提供了反弹、飞离的能量. 关键词： 碰撞 纳米粒子 单晶硅表面 分子动力学模拟     

TiAl合金薄膜在冷却过程中结构变化的原子尺度计算研究

采用基于嵌入原子势模型的分子动力学方法模拟了熔融TiAl合金薄膜分别在急冷降温和连续降温两个冷却过程中微观结构的变化.通过应用原子平均能量、对分布函数和键对分析技术等对薄膜内原子局域结构进行的分析. 研究表明,在降温过程中,薄膜内局域结构出现分阶段变化的特点.在急冷降温过程中,薄膜结构的变化可以分为3个阶段,而在连续降温过程中,薄膜内局域结构的变化分为2个阶段. 关键词： 分子动力学 TiAl合金 薄膜 计算机模拟     

有序合金中的原子扩散与格点停留时间

到目前为止,有序合金扩散理论尚存在两个重要的问题有待突破.一是如何正确理解原子的热扩散运动与合金中原子有序排列之间的矛盾;二是能否将扩散系数以外的其它理论参量与原子跳跃迁移的相关实验测量联系起来.为了解决这些问题,作者建议使用原子在不同格点的停留时间差异来表达合金的有序度参量.当原子在反结构晶格位置的平均停留时间很短时,原子完全可能以最近邻跳跃的方式在有序合金中迁移而不破坏原子的长程有序排列.以B2-NiGa有序合金为例,根据Ni原子格点停留时间的赝弹性中子散射实验测定,作者计算了1403 K温度时B2-NiCa合金的有序度为78.9%.     

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.     

金属元素掺杂对TiAl合金力学性能的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了金属元素X (X分别表示V, Nb, Ta, Cr, Mo和W)掺杂对TiAl合金性能的影响. 研究发现, 掺杂可以有效减小合金的各向异性, 增强Ti-Al 原子间的相互作用, 同时增强金属键性, 减弱共价键性, 有利于塑性变形. 在相同的压力下, 不同的掺杂浓度和掺杂元素对体积的影响不同. 通过计算不同掺杂体系的弹性常数、体弹模量和剪切模量可知: 当掺杂浓度为6.25%时, 相对于V, Nb和Ta, Cr, Mo和W掺杂能较好地改善TiAl金属间化合物的韧性; 当掺杂浓度为12.5%时, 相对其他掺杂元素Mo的韧化作用最强. 从Mo掺杂后TiAl体系的分波态密度和电荷密度图, 发现Mo和Ti 原子发生强烈的s-s, p-p, d-d电子相互作用, 有效地束缚了合金中Ti和Al原子的迁移, 有助于提高合金的稳定性和强度.     

Ab-initio calculations of electronic structure and optical properties of TiAl alloy

The electronic structures and optical properties of TiAl intermetallic alloy system are studied by the first-principle orthogonalized linear combination of atomic orbitals method. Results on the band structure, total and partial density of states, localization index, effective atomic charges, and optical conductivity are presented and discussed in detail. Total density of states spectra reveal that (near the Fermi level) the majority of the contribution is from Ti-3d states. The effective charge calculations show an average charge transfer of 0.52 electrons from Ti to Al in primitive cell calculations of TiAl alloy. On the other hand, calculations using supercell approach reveal an average charge transfer of 0.48 electrons from Ti to Al. The localization index calculations, of primitive cell as well as of supercell, show the presence of relatively localized states even above the Fermi level for this alloy. The calculated optical conductivity spectra of TiAl alloy are rich in structures, showing the highest peak at 5.73 eV for supercell calculations. Calculations of the imaginary part of the linear dielectric function show a prominent peak at 5.71 eV and a plateau in the range 1.1-3.5 eV.     

Multiscale structural changes of atomic order in severely deformed industrial aluminum

The regularities of multiscale structural changes in the atomic order of the aluminum alloy AD-1 after a severe cold plastic deformation by conventional rolling in smooth rolls or in rolls with relief recesses favorable for shear deformation have been investigated. It has been found that there are four types of structural fractions that differ in scale and perfection of atomic order: crystallographic planes with a long-range order; nanoscale fragments of the planes (D = 100–300 Å) with an incipient long-range order; smaller groups of atoms (D = 20–30 Å) of amorphized structure; and the least ordered structural fraction of intercluster medium, keeping only a short-range atomic order (2–3 interatomic distances, 10 Å). The presence of diffuse halo bands in the region of intense Debye lines indicates phase transitions of the order → disorder type with the formation of one to three groups of amorphous clusters with the dominance, in the nanometer scale, of the atomic order characteristic of the family of planes (111), (220), and (311) of crystalline aluminum. We have found a dynamic phase transition with the changing crystallographic order of aluminum, with the matrix structure of a face-centered cubic (FCC) lattice, in the form of nanosized local groups of atoms, that is, the deformation clusters of aluminum with a simple cubic K6 lattice. In the case of conventional rolling, the development of large clusters 50–500 Å in size is observed; however, in the use of rolls with relief recesses, the difference in the sizes of the clusters is one half as much: 50–250 Å. Based on the analysis of the integrated intensity of incoherent X-ray scattering by the samples, we have elucidated the nature of the lowest measured density for the sample subjected to conventional rolling, which consists in the volume concentration of disorderly arranged atoms, the highest of the compared structures, which indicates the formation therein of the greatest amount of fluctuation “voids.”     

低温下Cu13团簇负载于Cu(001)表面上结构变化的分子动力学研究

应用分子动力学方法研究温度为10和50 K时具有二十面体结构的Cu13团簇以不同接触条件与Cu(001)表面结合后的结构变化,原子间的相互作用势采用Johnson的嵌入原子方法模型.通过基于原子密度分布函数的分析表明,负载团簇与表面的结合能主要受团簇与载体相接触的最低层原子数及这些原子所具有的不同几何构型影响,同时更高层的原子呈现出不同的几何结构.温度为10 K时,负载团簇的初始位置对团簇几何结构和结合能影响较大.     

AuCu249合金团簇热稳定性的原子尺度计算研究

采用基于嵌入原子法的NVT正则系综分子动力学方法,在原子尺度上计算了包含249个原子的金属间化合物AuCu₂₄₉合金团簇由固态转变为熔体的结构演化过程. 根据对分布函数、原子密度分布函数和主要原子键对数目随温度的变化,发现在温度从低温升到高温的过程中,合金团簇内伴随着原子的连续位置交换,团簇呈现由外及里的分阶段结构转变. 同时还发现在团簇内原子堆积结构转变过程中,Au原子出现由团簇内层向外层运动的趋势,而Cu原子则有由外层向内层运动的趋势. 关键词： 合金团簇 分子动力学 计算机模拟 相变     

低温下Cu13团簇负载于Cu(001)表面上结构变化的分子动力学研究

应用分子动力学方法研究温度为10和50 K时具有二十面体结构的Cu₁₃团簇以不同接触条件与Cu（001）表面结合后的结构变化,原子间的相互作用势采用Johnson的嵌入原子方法模型.通过基于原子密度分布函数的分析表明,负载团簇与表面的结合能主要受团簇与载体相接触的最低层原子数及这些原子所具有的不同几何构型影响,同时更高层的原子呈现出不同的几何结构.温度为10 K时,负载团簇的初始位置对团簇几何结构和结合能影响较大. 关键词： 分子动力学 团簇 表面 计算机模拟     

Ab initio molecular dynamics study on the local structures in Ce_(70)Al_(30) and La_(70)Al_(30) metallic glasses

Ab initio molecular dynamics simulations were performed to investigate the effect of similar elements on the shortto medium-range atomic packing features in Ce_(70)Al_(30) and La_(70)Al_(30) glass-forming alloys. 4 f electrons of Ce element in Ce_(70)Al_(30) alloy were properly treated in electronic calculations. The local atomic structures in both alloys are qualitatively similar. However, the local environments of Al atoms in Ce_(70)Al_(30) alloy show fluctuation with temperature in the cooling process, which could result from 4 f electrons of Ce elements. Surprisingly, the medium-range atomic packing features of Al atoms in both MGs are quite different, although Ce and La elements are similar. These findings are useful for understanding the enhanced glass-forming ability by similar element substitution in RE-based MGs from a medium-range structure perspective.     

Selecting the shape of supported metal nanocrystals: Pd huts, hexagons, or pyramids on SrTiO3(001)

Increasing interest in oxide supported nanoparticle science and technology is stimulating research into controlling nanocrystal shape. Pd forms nanocrystals on the surface of SrTiO3(001), and depending on the crystallographic interface of the Pd with the substrate three shapes can be created: truncated pyramids, huts, and hexagonal shaped disks. Scanning tunneling microscopy reveals that the nanocrystal shapes are determined by the substrate reconstruction and the substrate temperature during deposition. A thermodynamic model is used to show that the pyramids and huts are stable structures, and that the hexagons are trapped in a metastable state.