Mg-Al合金熔体中固液界面结构的分子动力学研究

本文采用分子动力学研究了Mg-3%Al合金熔体中固液界面结构及界面附近原子的扩散行为.计算结果表明,该二元合金的固液界面为粗糙界面.垂直于界面方向的数密度分布,表现出复杂波动的特征,这种波动一直延伸到液体中.在界面附近的区域,扩散系数的三个不同方向的分量表现出了明显的各向异性,并且这种各向异性一直持续到液相当中.对界面二维结构的分析表明,界面附近液相原子的二维排列呈现出从长程有序逐渐过渡到短程有序的变化.     

Mg-Al合金熔体中固液界面结构的分子动力学研究

本文采用分子动力学研究了Mg-3%Al合金熔体中固液界面结构及界面附近原子的扩散行为.计算结果表明,该二元合金的固液界面为粗糙界面.垂直于界面方向的数密度分布,表现出复杂波动的特征,这种波动一直延伸到液体中.在界面附近的区域,扩散系数的三个不同方向的分量表现出了明显的各向异性,并且这种各向异性一直持续到液相当中.对界面二维结构的分析表明,界面附近液相原子的二维排列呈现出从长程有序逐渐过渡到短程有序的变化.     

模型二元有序合金固液界面结构的分子动力学研究

采用分子动力学方法,研究了模型二元有序合金体系的平衡界面结构和界面处原子的扩散行为.计算结果表明,该二元有序合金的固液界面属于光滑界面.由于固体中同时存在结构和化学有序,从而导致界面处的原子结构与单质以及异质固液界面的结构明显不同.在界面法向方向上,粒子数密度呈复杂的波动行为,并延伸到液体中约30 (A).对界面层的二维结构分析表明,固液转变层部分原子形成了二维固体团簇.从固体到液体,扩散系数从零逐渐增加到一个饱和值.在界面处附近,平行于界面方向的扩散系数明显比垂直于界面方向的大.     

BCC枝晶生长原子堆垛过程的晶体相场研究

通过在自由能泛函中引入各向异性参数得到了一个基于高斯内核的改进晶体相场模型, 并采用该模型研究了体心立方结构(BCC)枝晶生长的原子堆垛过程. 结果表明, 在BCC由正十二面体平衡形貌演化为枝晶组织过程中, 形核位置经历了由面心({110}面)到尖端(<100>取向)的转移, 进而发生界面失稳形成枝晶组织; 枝晶生长过程中, 新的固相原子首先在枝晶尖端附近形核, 并快速向尖端及根部生长, 枝晶尖端被新原子完全包覆后将再次诱发液相原子附着形核及生长; 随初始液相密度的增加, 固-液界面移动速率增加, 速率系数的各向异性也增强.     

二维三组元声子晶体中的半狄拉克点及奇异特性

设计了一种二维三组元声子晶体结构, 利用偶然简并的方法在布里渊区中心实现了半狄拉克点, 探究了随着组元几何参数的改变半狄拉克点的演变过程. 利用有限元方法研究发现在半狄拉克点频率附近沿着ΓX 方向声子晶体表现出与零折射率材料相似的行为, 许多奇异特性如单向透射等均可以观察到. 另外还发现在半狄拉克点频率附近声子晶体是各向异性的, 沿着不同方向声波的传播现象是不同的, 这种特性是狄拉克点及类狄拉克点所不具备的. 这种各向异性的声波传播特性有许多重要的应用, 如单方向完美透射和单方向波前整形等.     

界面能各向异性对定向凝固枝晶生长的影响

采用元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固枝晶生长的影响. 模拟结果显示当晶体的择优生长方向与热流方向一致时, 随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由弱界面能各向异性时的海藻晶转变为强界面能各向异性时的树枝晶. 同时, 界面能各向异性强度会影响稳态枝晶尖端状态的选择, 界面能各向异性越强, 定向凝固稳态枝晶尖端半径越小, 尖端界面前沿的液相浓度和过冷度越小. 稳态枝晶生长的尖端状态选择参数与界面能各向异性强度也存在标度律的指数关系, 而枝晶一次间距则受界面能各向异性强度影响较弱. 当晶体的择优生长方向与热流方向呈-40°夹角时随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由海藻晶逐渐转变为退化枝晶, 后又逐渐转变为倾斜枝晶. 关键词： 元胞自动机 枝晶 界面能各向异性     

钆含量对Fe-B-Nb-Gd非晶合金磁学性能和氧化机制的影响规律

研究了Gd含量对(Fe₇₃B₂₂Nb₅)_100-xGd_x(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)合金非晶形成能力、热稳定性和磁学性能的影响规律,并对比分析了非晶氧化机制.通过添加Gd元素,合金的原子尺寸差超过13%,构型熵增大了30%,提升了合金的非晶形成能力.随着Gd含量的增大,过冷液相区范围达到73 K,热稳定性得到明显增强.Gd元素导致合金局部各向异性受到限制,准位错偶极子型缺陷密度降低.这有效减少了阻碍磁畴壁旋转的钉扎位点,提高合金软磁性能.此外,Gd元素使得非晶在氧化过程中对温度的变化更为敏感,达到最大氧化速率的温度降低了15 K,但是并未恶化其抗氧化性能.Gd原子受结合能影响向表层迁移,形成的富Gd氧化物填充了表层缺陷,占据了大量顶部空间,合金表面附近的结构更加致密.这种结构减少了氧原子通过微观组织界面进行扩散的通道,有助于增强抗氧化性能.     

c轴垂直取向FePt薄膜的磁和磁光性能研究

采用直流磁控溅射的方法在氧化镁(100)单晶基板上生长了一系列c轴垂直取向的FePt薄膜,通过改变沉积时的基板温度,薄膜从Fe,Pt原子无序排列的面心立方结构逐渐变化到有序排列的L10相面心四方结构.在此基础上,系统研究了FePt薄膜的化学有序度对磁和磁光性能的影响.随着有序度的增加,FePt薄膜的磁晶各向异性能,以及沿垂直方向的矫顽力、剩磁比均增加,在基板温度高于530℃时制备的薄膜中的磁晶各向异性能超过1J/cm3.同时,还观察到有序FePt合金薄膜的磁光克尔光谱(克尔转角的大小和极值所对应的跃迁光子能量)随化学有序度的显著变化.     

表界面调控米级二维单晶原子制造

随着芯片尺寸不断缩小,短沟道效应、热效应日趋显著.开发全新的量子材料体系以实现高性能芯片器件应用已成为当前科技发展的迫切需求.二维材料作为一类重要的量子材料,其天然具备原子层厚度和平面结构,能够有效克服短沟道效应并兼容当代微纳加工工艺,非常有望应用于新一代高性能器件方向.与硅基芯片发展类似,二维材料芯片级器件应用必须基于高质量、大尺寸的二维单晶材料制造.然而,由于二维材料的表界面特性,现有体单晶制备技术不能完全适用于单原子层结构的二维单晶制造.因此,亟需发展新的制备策略以实现大尺寸、高质量的二维单晶原子制造.有鉴于此,本文重点综述表界面调控二维单晶大尺寸制备技术发展现状,总结梳理了米级二维单晶原子制造过程中的3个关键调控方向,即单畴生长调控、单晶衬底制备和多畴取向控制.最后,系统展望了大尺寸二维单晶在未来规模化芯片器件方向的潜在应用前景.     

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%.     

Anisotropy of the solid–liquid interface properties of the Ni–Zr B33 phase from molecular dynamics simulation

Solid–liquid interface (SLI) properties of the Ni–Zr B33 phase were determined from molecular dynamics simulations. In order to perform these measurements, a new semi-empirical potential for Ni–Zr alloy was developed that well reproduces the material properties required to model SLIs in the Ni_50.0Zr_50.0 alloy. In particular, the developed potential is shown to provide that the solid phase emerging from the liquid Ni_50.0Zr_50.0 alloy is B33 (apart from a small fraction of point defects), in agreement with the experimental phase diagram. The SLI properties obtained using the developed potential exhibit an extraordinary degree of anisotropy. It is observed that anisotropies in both the interfacial free energy and mobility are an order of magnitude larger than those measured to date in any other metallic compound. Moreover, the [0 1 0] interface is shown to play a significant role in the observed anisotropy. Our data suggest that the [0 1 0] interface simultaneously corresponds to the lowest mobility, the lowest free energy and the highest stiffness of all inclinations in B33 Ni–Zr. This finding can be understood by taking into account a rather complicated crystal structure in this crystallographic direction.     

Cu-Ni合金结构的分子动力学模拟

采用EAM作用势对Cu Ni合金的结构特性进行了MD模拟研究 .通过FZ结构因子可发现 ,Cu含量的变化对结构因子的波动影响很小 ,键取向序参数和键对也表现出相似的变化规律 ,这表明液态Cu Ni合金对成份变化不敏感 ,体系中的化学序较弱 .将Cu70 Ni3 0 合金熔体的FZ结构因子与Waseda的实验结果进行对比 ,发现二者吻合得较好 ,表明EAM势可以很好地描绘Cu Ni合金的结构特性 .在快速冷却过程中 ,除了Cu2 0 Ni80 合金外 ,其他合金成份的双体分布函数的第二峰都发生了劈裂 ,标志着体系最终形成了非晶结构 ,而Cu2 0 Ni80 合金的双体分布函数却表现出晶体峰的特征 .通过对键取向序参数、键型指数以及铜镍原子的有效扩散系数的分析表明 ,在快速冷却过程中 ,Cu2 0 Ni80 合金最终形成了hcp晶体结构     

Iron oxidation, interfacial expansion, and buckling at the Fe/NiO(001) interface

In order to provide a structural basis for a physical understanding of exchange bias in metal/magnetic-oxide interfaces, we have determined the structure of the Fe/NiO(001) interface by means of x-ray absorption spectroscopy and ab initio density functional theory calculations. A Fe-Ni alloyed phase on top of an interfacial FeO planar layer is formed. The FeO layer exhibits a 7% expanded interlayer distance and a 0.3 A buckling; its presence is predicted to increase the spin magnetic moment of the interface Fe atoms by 0.6 mu(B), compared to the ideally abrupt interface.     

过冷Fe85Ni15熔体的结构及动力学研究

基于嵌入原子势(EAM),采用分子动力学(MD)模拟的方法探讨了过冷液态Fe85Ni15合金的微观结构及动力学性质.对B-T结构因子(SF)与相对长度(Correlation length)的分析发现：Fe85Ni15熔体具有相分离的趋势,但不十分明显.配位数(CN)及F-Z结构因子的计算结果证实了体系的短程序对应着二十面体结构.均方位移(MSD)的计算结果表明：Fe85Ni15合金属于脆性液体.将获得的扩散激活能与其它合金系进行对比发现扩散激活能并不能反映熔体的玻璃形成能力,熔体中的二十面体结构不利于非晶的形成.     

Surface nanocrystallization of an ionic liquid

Surface crystallization at the vapor-liquid interface of the ionic liquid (1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate) is observed in synchrotron x-ray diffraction studies. Sharp Bragg reflections emerge in grazing-angle x-ray diffraction patterns 37?°C above the bulk melting temperature, indicating the presence of a long-range ordered phase at the surface in coexistence with the bulk parent liquid. The unique structure of the vapor-liquid interface where butyl chains attached to the cations are expelled to the vapor side facilitates interionic electrostatic interactions that lead to the crystallization. Our results demonstrate the complexity of ionic-liquid structure with their tendency to spontaneously phase separate into nanodomains with finite correlation lengths in coexistence with the liquid phase. By virtue of interfacial boundary conditions, these nanodomains grow laterally to form quasi-two-dimensional crystals.     

切向流动对偏晶合金定向生长机理的影响

研究了静态和切向流动作用下对二氯苯-丁二腈(DCB-SCN)偏晶合金的定向凝固过程.实验结果表明,静态条件下,DCB以小平面相方式生长,随着抽拉速度的提高,DCB-SCN偏晶凝固组织形貌发生液/固两相完全分离组织-规则纤维状共生组织-不规则弥散组织转变.施加切向流动作用后,DCB生长晶面出现胞状扰动,并且偏晶共生纤维间距随流速的增高而变大,但对于同一流速,仍然满足λV^0.5=常数.同时,切向流动能够细化弥散偏晶组织中第二相颗粒尺寸,这主要缘于流动引发的固液界面形态变化能     

Influence of local nonequilibrium on the rapid solidification of binary alloys

A local-nonequilibrium model of the diffusion of a solute during the rapid solidification of a binary alloy is considered. The model has two characteristic parameters: the diffusion velocity through the interface V _Di and the diffusion velocity in the bulk of the liquid phase V _D. The influence of local nonequilibrium on the separation of an impurity, the stability of the interface, and the dependence of the temperature of the interface on the velocity of the solidification front is investigated. A comparison with experiment is made. Zh. Tekh. Fiz. 68, 45–52 (March 1998)     

A diffuse interface Lox/hydrogen transcritical flame model

We present a diffuse-interface all-pressure flame model that transitions smoothly between subcritical and supercritical conditions. The model involves a non-equilibrium liquid/gas diffuse interface of van der Waals/Korteweg type embedded into a non-ideal multicomponent reactive fluid. The multicomponent transport fluxes are evaluated in their thermodynamic form in order to avoid singularities at thermodynamic mechanical stability limits. The model also takes into account condensing liquid water in order to avoid thermodynamic chemical instabilities. The resulting equations are used to investigate the interface between cold dense and hot light oxygen as well as the structure of diffusion flames between cold dense oxygen and gaseous-like hydrogen at all pressures, either subcritical or supercritical.