Nb掺杂γ-TiAl金属间化合物的电子结构与力学性能

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了Nb掺杂γ-TiAl金属间化合物的结构参数、能带结构、电子态密度及弹性常数.结果表明:Nb替代Ti掺杂相比Nb替代Al掺杂的形成能低,Nb在替位掺杂时更倾向于取代Ti原子形成稳定的结构,Nb替代Ti掺杂能够提高γ-TiAl金属间化合物的抵御塑性变形能力、断裂强度和延展性;与Nb替代Ti掺杂相比,Nb替代Al掺杂同样增强γ-TiAl金属间化合物的断裂强度且其增强延展性的效果更好,但抵御塑性变形的能力有所削弱.     

Nb掺杂对γ-TiAl抗氧化能力影响的第一性原理研究

添加Nb被证实是提高TiAl合金抗氧化能力最有效的途径之一,但对于其机理仍然存在一些相互矛盾的解释.运用第一性原理方法对γ-TiAl氧化过程中存在的几种重要点缺陷杂质进行了系统的研究.在确定杂质的稳定结构基础之上,研究发现：γ-TiAl中Nb掺杂的形成能随着含量的增加而升高,导致γ-TiAl相的稳定性降低,对抗氧化性能造成不利影响;而间隙O和Ti空位的形成能随Nb掺杂量的增加而显著升高,因此Nb能有效地降低氧扩散及空位缺陷的进入,从而提高γ-TiAl的抗氧化性能;Nb掺杂对降低杂质含量的作用存在明显的局域特性,是一种近程作用,因此Nb在γ-TiAl中的作用与其含量和分布有关. 关键词： γ-TiAl 高温氧化 Nb掺杂 形成能     

氧化锌纳米带中的面缺陷

面缺陷是纳米带中非常普遍和非常重要的一类缺陷.在有些情况下,面缺陷对于高表面能指数面的出现起着决定性的作用, 同时,它们可以诱导纳米带沿着特殊的方向生长.面缺陷可以是孪晶或双晶,层错和由杂质原子聚集在特定原子面所形成的间隙原子层.在本文中,利用透射电子显微术,我们将介绍氧化锌纳米带中被发现的几种面缺陷.我们确认了两种孪晶/双晶结构,它们的孪晶面分别是(0113)和(2112)面.基面层错有I1 和I2两种.在大尺寸的纳米带中,I1基面层错可以折叠到(2110)面形成棱面层错.当少量的In离子掺入氧化锌纳米带后,我们发现伴随着杂质In在基面的聚集,形成了两种倒反畴界.     

氧化锌纳米带中的面缺陷

面缺陷是纳米带中非常普遍和非常重要的一类缺陷。在有些情况下，面缺陷对于高表面能指数面的出现起着决定性的作用。同时。它们可以诱导纳米带沿着特殊的方向生长。面缺陷可以是孪晶或双晶，层错和由杂质原子聚集在特定原子面所形成的间隙原子层。在本文中。利用透射电子显微术，我们将介绍氧化锌纳米带中被发现的几种面缺陷。我们确认了两种孪晶／双晶结构，它们的孪晶面分别是（01^-13）和（^-2112）面。基面层错有I1和I2两种。在大尺寸的纳米带中，I1基面层错可以折叠到（2^110）面形成棱面层错。当少量的In离子掺入氧化锌纳米带后，我们发现伴随着杂质In在基面的聚集，形成了两种倒反畴界。     

晶体生长的缺陷机制

晶体生长是一个复杂的相变过程。自80年代以来,闵乃本及其研究组系统地研究了晶体生长的缺陷机制。在理论分析和实验观察的基础上,他们发展了晶体生长的位错机制（包括刃位错和混合位错机制）,层错机制,孪晶机制、重入角机制以及重入角生长和粗糙界面生长的协同机制。根据这些机制可以得出结论：任何可以在晶体生长表面提供台阶源的缺陷都能为晶体生长作出贡献,这些台阶源包括完全台阶和不完全台阶（亚台阶）,近年来,P.Bennema及其合作者系统地研究了在照相工业中广泛应用的卤化银和金属银的晶体生长机理,在大量实验事实和理论分析的基础上,他们认为亚台阶理论（称作闵氏理论）不仅可适用于溶液生长,也适用于气相生长的机理研究;不仅适于作理论分析,而且可用于寻求最佳生产条件的指导,亚台阶理论是晶体生长的一个普适理论,文章介绍了闵乃本及其研究组提出理论及P.Bennema研究组近年来在这方面的工作进展。     

体心立方Ta的广义面错能及在Ⅱ型裂纹尖端初始塑性研究中的应用

基于嵌入原子势考察体心立方(bcc)金属Ta的广义层错能和广义孪晶能并获得广义层错能和广义孪晶能曲线. 研究表明,bcc Ta的广义层错能曲线与面心立方金属的广义层错能曲线有明显差异,Ta的广义层错能曲线不存在明显的能量极小值,位错主要以全位错的形式发射. 不同原子厚度的广义孪晶能曲线表明4个原子层的孪晶能曲线开始出现亚稳定的能量极小值,5个原子层的孪晶能曲线出现稳定的能量极小值. 为进一步验证广义层错能和广义孪晶能曲线揭示的塑性变形机理,采用准连续介质力学多尺度方法研究Ⅱ型裂纹尖端的初始塑性变形过程. 关键词： 广义层错能 广义孪晶能 体心立方金属钽 Ⅱ型裂纹     

单晶Cu(001)薄膜塑性变形的分子动力学模拟

使用分子动力学方法,模拟研究了单晶Cu(001)薄膜在双向等轴拉伸应变下的塑性变形行为.当应变超过一定值时,样品通过产生位错、层错及孪晶而发生塑性变形.当应变相对较低时,不全位错首先在薄膜表面形核并在密排面上滑移,留下堆积层错;当应变增加时,位错在表面与内部同时成核生长,层错数量也随之增加.分析了相邻滑移面上的位错之间相互作用形成孪晶的微观过程.材料内部形成大量堆积层错及孪晶后,较大孪晶的密排面上的原子也会发生滑移,形成孪晶内部的层错结构以释放残余应力.     

Cl原子在γ-TiAl(111)表面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论,在广义梯度近似下研究了Cl在γ-TiAl(111)表面的吸附.计算结果表明:γ-TiAl(111)表面的面心立方位置(fcc)和六角密排位置(hcp)为Cl吸附的稳定位置,当覆盖度Θ小于一个单层(ML)时,Cl原子倾向于吸附在γ-TiAl(111)表面近邻为多Ti的位置.电子结构分析发现,Cl原子同表面金属原子形成较强的离子键,并且成键具有一定的方向性.当Cl原子和O原子共同在γ-TiAl(111)表面吸附时,二者都趋     

利用金属有机物化学气相沉积技术生长的a面GaN表面形貌和位错的研究

采用金属有机物化学气相淀积技术在r面蓝宝石衬底上制备了a面GaN薄膜,用熔融的KOH在400 ℃对样品分别腐蚀1.0,1.5和2.0 min.用扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射谱和阴极射线荧光对腐蚀前后的表面形貌进行分析.研究表明,400 ℃下腐蚀1.5 min后出现了长平行四边形的条纹状,这是由于无极化的a面GaN表面极性各向异性,c向与m向上N原子悬挂键密度不同,同时稳定性不同,对OH^-离子的吸附能力不同造成的,其中沿c方向易于腐蚀.同时,a面GaN腐蚀后出现了六角突起.我们认为这与穿透位错有关,而其形貌则与GaN薄膜的位错局部极性有关. 关键词： a面GaN')" href="#">a面GaN 堆垛层错 极性     

堆垛层错和温度对纳米多晶镁变形机理的影响

本文采用分子动力学模拟方法研究了在拉伸载荷下,堆垛层错和温度对纳米多晶镁力学性能的影响,在模拟中,采用嵌入原子势描述镁原子之间的相互作用．计算结果表明：在纳米晶粒中引入堆垛层错能明显增强纳米多晶镁的屈服应力,但堆垛层错对纳米多晶镁杨氏模量的影响很小;温度为300．0K时,孪晶在晶粒交界附近形成,孪晶随着拉伸应变的增加而逐渐生长．当拉伸应变达到0．087时,一种基面与X—Y面成大约35°角且内部包含堆垛层错的新晶粒成核并快速增长．也就是说,孪晶和新晶粒的形成和繁殖是含堆垛层错的纳米多晶镁在300．0K温度下的主要变形机理．模拟结果也显示,当温度为10．0K时,位错的成核和滑移是含堆垛层错的纳米多晶镁拉伸变形的主要形式．     

层错四面体对单晶铜层裂行为影响的分子动力学研究

层错四面体是一种典型的三维空位型缺陷,广泛存在于受辐照后的面心立方金属材料中,对材料的力学性能有显著的影响.目前,关于层错四面体对辐照材料层裂行为的影响还缺乏深入系统的研究.本文使用分子动力学方法模拟了含有层错四面体的单晶铜在不同冲击速度下的层裂行为,对整个冲击过程中的自由表面速度及微结构演化等进行了深入的分析.研究发现,层错四面体在冲击波作用下会发生坍塌,并进一步诱导材料产生位错、层错等缺陷.在中低速度加载下,层错四面体坍塌引起的缺陷快速向周围扩展,为孔洞提供了更宽的形核区域,促进了孔洞的异质成核,造成材料层裂强度大幅度减小.当冲击速度较高时,层错四面体坍塌导致的局部缺陷对材料的层裂强度不再有明显影响.     

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.     

多壁碳纳米管与金属表面间接触行为的分子动力学模拟

碳纳米管与金属表面间的界面接触行为对碳基电子器件的性能研究具有重要意义.本文利用分子动力学模拟方法研究了端部开口和闭口的多壁碳纳米管与金属表面间的界面接触构型和粘着强度.模拟结果表明,多壁碳纳米管在金属表面上的位置和形状变化是因为减少的范德瓦耳斯能转变成碳纳米管的内能;多壁碳纳米管与金属表面的结合能为负值,表明两者存在粘着作用;多壁碳纳米管水平地接触金属表面时的粘着强度受初始间距、接触长度和金属种类影响,即范德瓦耳斯能作用的初始间距阈值约为1 nm且最终平衡状态时的两者间距约为0.3 nm;随着两者接触长度增加,粘着强度增大,铂与碳纳米管的粘着强度比钨和铝的大;端部开口和闭口的碳纳米管与金属表面垂直接触时的粘着强度都比水平接触时的小,两端开口的碳纳米管在金属表面上发生径向压缩变形,最终形成带状结构;而两端封闭的碳纳米管在金属表面上发生轴向压缩变形;在碳纳米管场效应晶体管中,两端开口的多壁碳纳米管与单壁碳纳米管一样变形成带状结构,并且各个管壁之间以及最外层管壁与金属电极之间的间距相当,该原子尺度的间距(约0.34 nm)保证电子从金属隧穿到最外层管壁,并在内层管壁之间径向迁移.     

分子动力学研究表面缺陷对硅纳米线杨氏模量的影响

硅纳米线因受量子尺寸效应与表面效应的影响而具有奇特的力、电及其耦合特性,成为了纳米电子器件的核心构件.然而在硅纳米线的制备过程中,表面产生缺陷不可避免.因此本文采用分子动力学方法着重研究了表面缺陷浓度对不同横截面形状(正方形、六角形和三角形)的[110]晶向和[111]晶向硅纳米线杨氏模量的影响.研究结果表明,当硅纳米线仅有单一表面缺陷时,不同晶向硅纳米线的杨氏模量均随表面缺陷浓度增加而迅速单调减小.当表面缺陷浓度为10%时,杨氏模量的减小幅度在10%-20%之间,减小幅度的差异与硅纳米线的晶向以及横截面形状密切相关.当存在多个表面缺陷时,杨氏模量随着缺陷浓度的增加表现出了不同程度的波动趋势.三角形截面硅纳米线的杨氏模量波动幅度最大,正方形截面的波动较小,即表面缺陷分布的不同对正方形截面硅纳米线的杨氏模量影响较小,这表明表面缺陷的影响与其分布及硅纳米线的横截面形状密切相关.通过与实验结果对比,本文的研究结果揭示了表面缺陷是导致硅纳米线杨氏模量实验值变小的重要因素,因此在表征硅纳米线的力学性能时,需要考虑表面缺陷的影响.     

金属Cu晶化与玻璃化行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法,运用Mishin镶嵌原子模型,研究了液态Cu在不同冷却条件下的晶化与玻璃化行为.记录了系统能量、体积、径向分布函数及公共近邻的变化,并在0K分析了弛豫后系统原子内能、原子Voronoi体积及原子应力等热力学性质的分布情况.模拟结果表明,在较慢的冷却条件下,液态Cu形成晶态;在较快的冷却条件下,液态Cu形成非晶态.与晶态Cu比较,金属玻璃Cu有较高的能量和较大的体积,其内部晶格畸变导致了本征应力的存在.     

Cu固液界面能的分子动力学计算

本文使用分子动力学方法对液相Cu中不同半径晶胚的生长和熔化行为进行了研究. 随着半径的增加, 晶胚生长的临界温度升高. 临界形核过冷度和晶胚半径倒数成正比关系, 这和经典形核理论一致. 由上述关系计算得到Cu的Gibbs-Thomson系数为1.12×10^-7 K·m, Cu的固液界面能为0.146 J/m², Cu的Turnbull系数为0.416, 这些计算值均与实验值一致. 关键词： 分子动力学 经典形核理论 固液界面能     

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. 关键词： 3Al')" href="#">TiAl/Ti₃Al 分子动力学模拟 剪切变形 层错结构     

载能氢同位素原子与石墨(001)面碰撞的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了载能H同位素原子与石墨晶体碰撞的同位素效应. 碳氢系统的强共价键作用和石墨层间的弱van der Waals力分别用REBO和Ito半经验势函数来描述. 研究发现: 随着入射原子质量的增加, 上表面吸附几率和反射几率的峰值都会向高能区移动; 相比于H, ²H入射原子, ³H入射原子具有较高的吸附几率——包括上表面吸附和内部吸附; 穿透石墨晶体, ²H, ³H原子所需的能量较高; 原子质量和原子入射能量都会影响入射粒子与不同石墨层之间的能量传递过程. 这些结果对理解碳基材料的³H滞留机制有重要意义.     

单空位缺陷对载能氢原子与石墨层间碰撞的能量交换的影响的分子动力学研究

本文采用分子动力学方法研究空位缺陷对石墨层中碳氢粒子碰撞的影响.将氢原子以不同能量分别向单空位缺陷边缘的两个碳原子轰击,分析了入射氢原子的能量损失、发生吸附反应的能量范围和靶原子的能量传递过程.研究发现,单空位缺陷边缘的碳氢粒子更易发生吸附反应;在碳氢粒子正碰过程中,氢原子随入射能量变化出现了双反射区域;碳氢粒子在空位缺陷边缘吸附后,形成了高结合能的sp²结构,并出现悬挂键,其临近的碳碳键能未降低;单空位缺陷边缘的碳原子吸附氢原子能量的能力强而传递能量的能力弱.这些结果对理解聚变反应 关键词： 面向等离子体材料 分子动力学方法 单空位缺陷     

抑制剂Benzamidine与胰岛素作用机制的分子动力学和结合自由能计算研究

氢键和极性相互作用在抑制剂-蛋白结合专一性识别过程中起到重要作用. 抑制剂Benzamidine(BEN)与胰岛素trypsin相互作用机制的阐明有助于胰岛素高效抑制剂的研发.本文采用分子动力学模拟和MM-PBSA(molecular mechanics-Poisson Boltzmann surface area)从原子层次上研究BEN与胰岛素的结合模式.结果表明抑制剂BEN的脒基不仅与Asp189的羰基产生静电相互作用,而且与残基Ser190和Gly214形成氢键相互作用.基于残基能量分解的计算表明抑制剂的苯基与残基His58, Cys191, Gln192, Trp211, Gly212和Cys215形成有利于抑制剂结合的疏水性相互作用.期望当前的研究能为胰岛素有效抑制剂的研发提供重要的理论指导.