Pt(111)表面低能溅射现象的分子动力学模拟

利用嵌入原子方法的原子间相互作用势,通过分子动力学模拟,详细研究了贵金属原子在Pt (111)表面的低能溅射现象.模拟结果显示：对于垂直入射情况,入射原子的质量对Pt (11 1)表面的溅射阈值影响不大.当入射原子的能量小于溅射阈值时,入射原子基本以沉积为主 ;当入射原子的能量大于溅射阈值时,溅射产额随入射原子能量的增加而线性增大;当入射 原子能量达到200 eV时,各种入射原子的溅射产额都达到或接近1,此时入射原子主要起溅 射作用.溅射原子发射的角分布概率和溅射花样与高能溅射相类似.研究表明：与基于二体碰 撞近似的线性级联溅射理论不同,当入射原子能量大于溅射阈值时,低能入射原子的溅射产 额正比于入射原子的约化能量和入射原子与基体原子的质量比.通过对低能入射原子的钉扎 能力分析,提出了支配低能溅射的入射原子反射物理机理. 关键词：分子动力学模拟、低能溅射     

表面粗糙度对面向等离子体钨材料溅射的影响

依据钨材料表面溅射的实验现象,建立钨材料表面粗糙模型,模拟了高能H⁺、He⁺粒子辐照下的钨材料表面的溅射行为过程,并与基于离子输运的双群模型计算得到的结果作了比较。结果表明,随着钨材料表面粗糙程度的增加,溅射率降低;对一定的粗糙表面,相同能量的不同入射粒子,质量越大粒子溅射率越高,这些结果为分析聚变装置中心等离子体杂质水平和评价偏滤器寿命等提供了一定的理论支撑。     

Ni原子倾斜轰击Pt(111)表面低能溅射现象的分子动力学模拟

采用嵌入原子方法的原子间相互作用势,通过分子动力学模拟详细研究了以不同角度入射的低能Ni原子与Pt (111)基体表面相互作用过程中的低能溅射行为.结果表明:随着入射角度从0°增加到80°,溅射产额Y_s和入射原子钉扎系数S的变化均可以根据入射角θ近似地分为以下三个区域:当θ ≤ 20°时,Y_s和S几乎保持不变,其值与垂直入射时接近,溅射原子的发射角分布和能量分布也与垂直入射时的情关键词：分子动力学模拟入射角低能溅射     

EAST边缘等离子体中钨表面电弧诱导实验研究

在EAST装置中利用材料与等离子体测试平台MAPES对不同表面性质和结构的钨样品进行了边缘等离子体条件下的起弧诱导实验研究。结果显示只有纳米丝结构的钨表面成功产生了电弧,表明了钨表面的纳米丝结构更有利于电弧的触发,甚至在装置远离刮削层区域的地方也能诱导电弧触发。在纳米丝钨表面起弧过程中会产生两种不同的电弧,其中较强电弧能产生熔坑,并溅射出液滴,是等离子体中尘埃及杂质的重要来源。弧坑直径约为3μm,深度约为0.7μm,在电弧熔坑中心区域形成了一些小孔和纳米结构,其周围的熔化液滴也存在类似的结构。     

表面黏附导致的接触行为转变

应用大规模分子动力学方法, 模拟了具有不同原子级粗糙形貌的两种刚性球形探头与弹性平面基体的黏附接触行为. 研究了载荷与真实接触面积、接触界面排斥力与真实接触面积, 以及黏附力与真实接触面积之间的关系. 分子模拟得到的载荷与真实接触面积的关系, 与连续力学接触理论预测很好地定性一致. 无论是原子级光滑探头还是粗糙探头, 黏附接触下的排斥力与真实接触面积的关系, 都与无黏附接触时的规律相一致, 即黏附力对接触行为的影响作用, 可以等效为附加在真实外载荷基础上的虚拟载荷, 将对黏附接触行为的分析转变为无黏附接触分析. 两种探头的黏附力随真实接触面积都呈幂函数形式的增长, 但是, 原子级光滑探头的幂指数大于1, 而原子级粗糙探头的幂指数小于1.关键词：接触行为表面黏附分子动力学模拟     

金属Zn液态结构变化的研究

利用ＴＢ模型给出的原子间相互作用势详细计算了不同温度下Ｚｎ的双体分布函数ｇ（ｒ）,结果发现随着温度的不断降低,液态金属Ｚｎ的ｇ（ｒ）第一峰变得高而尖,第二峰由弱变强,说明了液态金属Ｚｎ的有序度随温度降低而不断增强;利用键对分析技术统计了液态金属Ｚｎ在不同温度下的键取向序参数、键对数。键取向序参数及键对数随温度的变化,进一步证明了低温液态的有序度高于高温液态,从而充分说明液态金属在不同温度下有不同的结构形式,而不像人们想象得那样杂乱无章。     

辐照损伤对钨晶格热导率影响的分子动力学研究

钨是最具应用前景的面向等离子体候选材料,但核聚变堆内强烈的辐照环境会使钨的近表面区域产生辐照损伤,进而影响其关键的导热性能.本文构建了包含辐照损伤相关缺陷的晶体钨模型,并采用非平衡分子动力学的方法定量研究了这些缺陷对钨导热性能的影响.结果表明,随中子辐射能量的增加,晶体内部留下的Frenkel缺陷数目增多进而导致钨的晶格热导率降低;间隙原子比空位更易于向晶界偏聚,且钨中的间隙钨原子与空位相比,使晶格热导率下降程度更大.纳米级氦气泡导致晶格热导率的显著降低,气孔率为2.1%时晶格热导率降至完美晶体的约25%.这些不同的缺陷造成不同程度的周围晶格扭曲,增加了声子散射几率,是导致晶格热导率下降的根源.     

溅射原子角分布与靶点表面形貌的关联研究

27keV的Ar⁺离子垂直轰击处于不同温度的Cd靶,用捕获膜技术和Rutherford背散射谱仪(RBS)测定溅射原子角分布,并对所有样品的靶点形貌进行扫描电子显微镜(SEM)观察。结果发现,所有的角分布都呈over-cosine形状,但是在极角为0°处实验值与cosine值的偏离△,是不同的,在靶温度为150℃时的偏离△_T小于在室温时的偏离△_R,亦即△_T<△_R,提出一个简单的模型对这种溅射角分布关键词：     

单轴应力场下钨中氦扩散行为的分子动力学模拟研究

本文采用分子动力学方法研究了沿<100>及<111>晶向的单轴应变对钨中单个氦原子扩散的影响。结果表明,应变会使得金属钨材料发生相变,且引起相变的临界应变随温度升高而减小。相变起始的应变在达到抗拉强度的应变附近。计算结果表明,拉应变使得单个氦原子在钨中的扩散系数发生骤降,在不同应变下扩散系数变化平缓。沿<100>晶向氦扩散系数随应变的增大而线性减小,而<111>晶向则出现了震荡变化趋势。研究结果表明,沿<100>晶向应变达到+0.15%时阿纽列斯方程不再适用,而沿<111>晶向应变大+5%阿纽列斯方程仍然适用;沿<111>晶向随应变增加氦扩散激活能减小,说明应变使得单个氦原子在钨中迁移性增强。     

Interaction of plasma facing materials for fusion devices with low energy hydrogen and helium particles

Abstract

Radiation damage formed in metal specimens exposed to long pulse tokamak plasmas of TRIAM-1M was examined by transmission electron microscopy. By comparing these results with those of low energy hydrogen ion irradiation it was concluded that the charge exchange energetic neutrals of hydrogen emitted from the core plasma caused remarkable displacement damage. The flux of the neutrals in the energy range of 0.5–3 keV which were responsible for displacement damage, was estimated to be about 1.5–3 × 10¹⁸ H/m²/s. These energetic neutrals cause not only material degradation at the sub-surface region but also change bulk properties of plasma facing components in a plasma confinement device. Effect of helium plasma was also discussed with emphasis on very strong effects on damage accumulation. Damage by He is a serious issue of plasma facing materials.     

钠原子团簇相变的多极形变特征

运用距离相关紧密结合的分子动力学模型,通过无量纲的形变参数S1对简单金属原子团簇Na4、Na8、Na14和Na20相变时的多极形变特征进行了分析,发现S1可以用作表征团簇形变的灵敏探针.     

Na(n)(5<=n<=10)小团簇相变

采用紧密结合的分子动力学模型,对Na(n)(5<=n<=10)小团簇的键长涨落、势能、热容量等熔化性质在50K到1500K温区进行了模拟研究,结果表明：它们发生两次相变,一种在230K到300K的温度范围内,依次有块体玻璃态转变;一种在550K到870K温度段,依次经历了熔化相变.同时也得到随着团簇体系的减小,势能由下向上排列的曲线,即体系的势能由低变高.     

Surface diffusion of Si,Ge and C adatoms on Si （001） substrate studied the molecular dynamics simulation

Depositions of Si, Ge and C atoms onto a preliminary Si (001) substrate at different temperatures are investigated by using the molecular dynamics method. The mechanism of atomic self-assembling occurring locally on the flat terraces between steps is suggested. Diffusion and arrangement patterns of adatoms at different temperatures are observed. At 900 K, the deposited atoms are more likely to form dimers in the perpendicular [110] direction due to the more favourable movement along the perpendicular [110] direction. C adatoms are more likely to break or reconstruct the dimers on the substrate surface and have larger diffusion distances than Ge and Si adatoms. Exchange between C adatoms and substrate atoms are obvious and the epitaxial thickness is small. Total potential energies of adatoms and substrate atoms involved in the simulation cell are computed. When a newly arrived adatom reaches the stable position, the potential energy of the system will decrease and the curves turns into a ladder-like shape. It is found that C adatoms can lead to more reduction of the system energy and the potential energy of the system will increase as temperature increases.     

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     

C36团簇自组装的分子动力学研究

提出了利用C36团簇在气相条件下自组装制备新纳米团簇的设想,并利用分子动力学方法模 拟了包括真实氦气氛作用的碳团簇生长过程,发现环境气体温度是影响最后所生成的团簇结 构的关键因素：C36团簇在1000?K到2000?K的温度范围内,自组装形成保持C36线径特征的 蚕茧状新纳米团簇;在高于2000?K的温度下,最后形成的团簇趋于球状.关键词：分子动力学模拟纳米碳团簇     

载能氢原子与石墨(001)面碰撞过程中的能量传递行为的分子动力学研究

本文采用分子动力学方法研究了单一载能氢原子与石墨碰撞时氢原子被石墨反射、 吸附和石墨被氢原子穿透的发生系数以及碰撞中的能量传递机理. 研究发现: 与单层石墨相比, 多层石墨之间的长程相互作用增加了氢原子发生反射的能量范围, 尤其当入射能量大于20.0 eV时, 对反射过程的影响很明显; 当氢原子的入射能量大于25.0 eV时, 有一定的概率穿透四层石墨; 当氢原子入射能量高于28.0 eV时, 载能氢原子的能量传递给第二层石墨烯的比传递给第一层石墨烯的多. 这些结果对理解聚变反应中, 碳基材料的化学腐蚀及氚滞留有重要意义.     

低能氢粒子沿不同角度轰击钨(001)表面的反射概率及入射深度分布的分子动力学研究

采用分子动力学方法对低能(0.5–50.0 eV)氢粒子 与钨表面的相互作用进行了模拟研究.研究发现, 当氢粒子垂直入射, 能量为0.5–20.0 eV时, 粒子滞留在钨内部的概率急速增加, 在整个模拟能量区间内, 发生反射过程的概率逐渐减少, 但反射过程始终占主导. 改变粒子的入射角度, 在某些能量范围内滞留概率虽有所增加, 但氢原子被反射现象仍然占主导. 通过进一步观察低能氢粒子在钨块内的入射深度和能量变化, 计算出其在钨块中的能量沉积分布. 这些结果对理解聚变反应中 钨材料的选用优势以及氢或氢同位素滞留有重大意义. 此外, 在所研究的能量范围内, 分子动力学方法的模拟结果与以二体理论为基础的TRIM程序的模拟结果之间有明显差异, 说明传统的二体碰撞理论不能很好地描述低能碰撞问题.关键词：面向等离子体材料分子动力学方法钨氢     

Atomistic simulation of fcc-bcc phase transition in single crystal Al under uniform compression

By molecular dynamics simulations employing an embedded atom model potential,we investigate the fcc-to-bcc phase transition in single crystal Al,caused by uniform compression.Results show that the fcc structure is unstable when the pressure is over 250 GPa,in reasonable agreement with the calculated value through the density functional theory.The morphology evolution of the structural transition and the corresponding transition mechanism are analysed in detail.The bcc (011) planes are transited from the fcc (11) plane and the (11) plane.We suggest that the transition mechanism consists mainly of compression,shear,slid and rotation of the lattice.In addition,our radial distribution function analysis explicitly indicates the phase transition of Al from fcc phase to bcc structure.