外延生长薄膜中失配位错形成条件的分子动力学模拟研究

运用分子动力学方法对负失配条件下的外延铝簿膜中失配位错的形成进行了模拟研究.所采 用的原子间相互作用势为嵌入原子法(EAM)多体势.模拟结果显示：在500K下长时间静态弛豫 ，表面和内部结构完整的外延膜在9—80原子层厚度范围内(约为其热力学临界厚度的3—40 倍)均不形成失配位错，而在薄膜表面预置一个单原子层厚、三个原子直径大小的凸台或凹 坑时，失配位错则能够在15个原子层厚的外延膜上迅速形成：在动态沉积生长条件下，表面 自然形成凹凸，初始厚度为9个原子层厚的外延膜在沉积生长中迅速形成失配位错.在三种条 件下，所形成的位错均为伯格斯矢量与失配方向平行的全刃位错.分析发现：在压应力作用 下，表面微凸台诱发了其侧薄膜内部原子的挤出，造成位错形核；而表面微凹坑则直接因压 应力作用形成了一个表面半位错环核. 关键词： 外延薄膜 失配位错 分子动力学 铝     

纳米单晶铜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了拉伸状态下纳米单晶铜中孔洞的力学行为。通过与无孔纳米单晶铜块体弹性性能的比较，可知小孔使纳米单晶铜的弹性模量显下降。弹性阶段，有孔单晶铜中无位错产生；超过其弹性极限后，位错线从四周向有孔单晶铜内部发射，位错滑移为其主要变形机制。     

Si材料中60°位错的分子动力学研究

本文使用Stillinger-Weber势函数和周期性边界条件,通过在原子尺度上的分子动力学计算研究了60°位错的位错心能量和运动情况.首先提出了相对简单的建立位错偶极子的新方法.在此基础上,借助于最近得到的对周期性映像作用的评估理论,由不同大小的3维计算模型得到的位错心能量的平均值为0.43 eV,这一结果不同于先前文献中的报导.另一方面,为研究位错运动在较大温度和压力范围下的表现,提出了相应解决方法来避免位错心在高温模拟环境时测量的不精确性.模拟结果显示位错速度相对于温度的变化曲线表现为波动形式.而且,位错的速度随模拟温度的升高而降低,这一结果与声子拖拽模型相吻合.     

纳米单晶铜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了拉伸状态下纳米单晶铜中孔洞的力学行为.通过与无孔纳米单晶铜块体弹性性能的比较,可知小孔使纳米单晶铜的弹性模量显著下降.弹性阶段,有孔单晶铜中无位错产生;超过其弹性极限后,位错线从四周向有孔单晶铜内部发射,位错滑移为其主要变形机制.     

镁中位错和非晶作用机制的分子动力学模拟

镁合金作为最轻的金属结构材料,被誉为21世纪的“绿色工程材料”,具有广阔的应用前景.晶体-非晶双相纳米镁材料更是表现了优异力学性能,但是晶体中位错与非晶相的相互作用机制尚不明确.本文采用分子动力学模拟方法研究了剪切载荷作用下纳米晶镁中刃位错与非晶相的相互作用机制.研究结果表明,纳米晶镁中非晶相与位错的相互作用机制表现出一定的尺寸依赖性.相较于非晶相尺寸较小的样品,较大的非晶相尺寸会导致较大的二次应力强化现象.非晶相和位错的作用机制主要归结为非晶相对位错的钉扎作用.对于非晶相尺寸较小的样品,非晶相对位错的钉扎作用有限,钉扎时间较短,其相互作用主要是位错绕过非晶相的机制;而对于非晶相尺寸较大的样品,非晶相对位错的钉扎作用较大,钉扎时间较长,其相互作用主要是非晶相引发的位错的交滑移机制.本文的研究结果对于设计和制备高性能的镁及其合金材料具有一定的参考价值和指导意义.     

纳米通道滑移流动的分子动力学模拟研究

本文采用非平衡分子动力学方法对平板纳米通道滑移流动进行了非平衡分子动力学模拟,获得了不同壁面势能和不同温度时流体的速度分布及密度分布。研究结果表明滑移速度在很大程度上决定于流体温度和壁面吸引力作用强度的大小。由于不同壁面吸引力时流体的密度分布受温度的影响规律不同,使得不同壁面吸引力时流体的滑移速度受温度影响规律也不一致。而且,流体结构受壁面流速的影响要受到壁面势能的制约。     

铝纳米颗粒的热物性及相变行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了纳米金属铝在粒径为0.8-3.2 nm 时的熔点、密度和声子热导率的变化, 研究了粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、比热和声子热导率随温度的变化. 采用原子嵌入势较好地模拟了纳米金属铝的热物性及相变行为, 根据能量-温度曲线和比热容-温度曲线对铝纳米颗粒的相变温度进行了研究, 并利用表面能理论、尺寸效应理论对铝纳米颗粒熔点的变化进行了分析. 随着纳米粒径的不断增大, 铝纳米颗粒的熔点呈递增状态, 当粒径在2.2-3.2 nm时, 熔点的增幅减缓, 但仍处于递增趋势. 随着纳米粒径的增大, 铝纳米颗粒的密度呈单调递减, 热导率则呈线性单调递增, 且热导率的变化情况符合声子理论. 随着温度的升高, 粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、热导率均减小. 该模拟从微观原子角度对纳米材料的热物性进行了研究, 对设计基于铝纳米颗粒的相变材料具有指导意义.     

聚乙烯/银纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究

通过分子动力学模拟对聚乙烯/银纳米颗粒复合物的结构、极化率和红外光谱、热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和银颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明: 聚乙烯/银纳米颗粒复合物为各向同性的无定形结构, 温度升高可提高银纳米颗粒的分散均匀性; 银纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 并在银颗粒和聚乙烯基体的界面形成电极化层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加; 与聚乙烯体系相比, 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的极化率高很多, 且随温度的升高和银颗粒尺寸的减小而增大; 银颗粒尺寸直接影响界面电偶极矩的强度和振动频率, 红外光谱峰强度和峰位随颗粒尺寸发生变化; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物具有比聚乙烯体系更高的等容热容和与聚乙烯体系相反的负值热压力系数, 热容随颗粒尺寸的变化较小, 但随温度的升高而明显减小, 具有显著的温度效应; 热压力系数随温度的变化较小, 但随颗粒尺寸的增加而减小, 具有明显的尺度效应, 温度稳定性更好; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚乙烯体系更高的杨氏模量和泊松比, 并且都随温度的升高和银颗粒尺寸的增大而减小, 加入银纳米颗粒可有效改善聚乙烯的力学性质. 关键词： 分子动力学模拟 聚合物纳米复合物 纳米颗粒     

分形结构纳米复合材料热导率的分子动力学模拟研究

提出了一基于Sierpinski分形结构的Si/Ge纳米复合材料结构,以调控纳米复合材料的热导率.采用非平衡分子动力学方法模拟研究了分形结构Si/Ge纳米复合材料的导热性能,给出了硅原子百分比、轴向长度以及截面尺寸对分形结构纳米复合材料热导率的影响规律,并与传统矩形结构进行了对比.研究结果表明,分形结构纳米复合材料增强了Si/Ge界面散射作用,使得热导率低于传统矩形结构,这为提高材料的热电效率提供了有效途径.Si原子百分比、截面尺寸、轴向长度皆对分形结构纳米复合材料热导率存在着重要影响.纳米复合材料热导率随着Si原子百分比的增加呈先减小后增加的趋势,随轴向长度的增加则呈单调增大趋势.     

纳米多晶金属样本构建的分子动力学模拟研究

研究了分子动力学模拟中纳米多晶金属样本的构建过程.首先采用Voronoi几何方法生成初始的纳米多晶铝和铜样本,然后用快速冷凝(或共轭梯度)法得到样本的局域最低能态,最后在恒温零应力周围环境下(常温常压NPT系综)退火得到最低能态样本.使用样本的残余内应力来衡量纳米多晶样本是否与实验制备的一致.通过监测这两步弛豫过程中晶界结构的变化形态、体系平均内应力和能量下降过程及具体的局域分布和不同弛豫条件下最终样本的弹性常数,发现样本的能量和残余内应力都接近实验制备的纳米多晶金属.对Voronoi几何法生成的晶界而言     

面心立方晶体外延膜沉积生长中失配位错的结构与形成过程

用分子动力学方法对5%负失配条件下面心立方晶体铝薄膜的原子沉积外延生长进行了三维模拟.铝原子间的相互作用采用嵌入原子法(EAM)多体势计算.模拟结果再现了失配位错的形成现象.分析表明，失配位错在形成之初即呈现为Shockley扩展位错，即由两个伯格斯矢量为〈211〉/6的部分位错和其间的堆垛层错组成，两个部分位错的间距、即层错宽度为1.8 nm,与理论计算结果一致；外延晶体薄膜沉积生长中，位错对会发生滑移，但其间距保持稳定.进一步观察发现，该扩展位错产生于一种类似于“局部熔融-重结晶”的表层局部无序紊乱- 关键词： 失配位错 外延生长 薄膜 分子动力学 铝     

An investigation of misfit dislocations in Al on (001) GaAs grown by chemical beam epitaxy

We report a transmission electron microscope study of the morphology and interfacial structure of Aluminium grown on (001) GaAs by chemical beam epitaxy (CBE). The Al grows in islands for all thicknesses deposited, and exhibits four distinct orientation relationships with respect to the substrate. One of these orientation relationships becomes dominant as growth progresses, with (011)_Al parallel to (001)_GaAs. Misfit dislocations can be seen in the interface between this orientation and the substrate with Burgers vector 1/4(110)_GaAs, and a crystallographic analysis shows that these dislocations are associated with interfacial steps of height 1/2[001]_GaAs. In (001)Al on (001)GaAs, the existence of these dislocations has in the past been regarded as evidence for the existence of a rigid-body shift of the Al in the interfacial plane. Using cross-sectional high-resolution TEM, it is shown that this shift is not present in the (011) orientation. The similarity in the microstructure and crystallography of the (001) and (011) orientations leads us to suggest that there is also no shift in (001) Al on (001)GaAs. This is in conflict with previous investigations of this system using a wide variety of techniques.     

初始压入位置对Ni基单晶合金纳米压痕影响研究

针对Ni基单晶合金建立初始压入γ 相的γ /γ' 模型和初始压入γ'相的γ'/γ 模型, 采用分子动力学方法模拟金刚石压头压入两种模型的纳米压痕过程, 计算两种模型[001]晶向硬度. 采用中心对称参数分析两种模型(001)相界面错配位错对纳米压痕过程的影响. 结果显示: 弛豫后, 两种模型(001)相界面错配位错形式不同, 其中γ'/γ 模型(001)相界面错配位错以面角位错形式存在; 压入深度在0.930 nm 之前, 两种模型(001)相界面错配位错变化不大, 压入载荷-压入深度及硬度-压入深度曲线较符合; 压入深度在0.930 nm之后, γ'/γ 模型(001)相界面错配位错长大很多, 导致相同压入深度时γ'/γ 模型比γ /γ'模型压入载荷和硬度计算结果小; 压入深度在2.055 nm之后, γ /γ'模型(001)相界面错配位错对γ 相中位错进入γ'相有阻碍作用, 但仍有部分位错越过(001) 相界面进入γ' 相中, γ'/γ 模型(001)相界面处面角位错对γ' 相中位错进入γ 相有更明显的阻碍作用, 几乎无位错越过(001) 相界面进入γ 相中, 面角位错的强化作用更明显, 所以γ'/γ 模型比γ /γ'模型压入载荷上升速度快.     

镍基单晶高温合金相界面错配位错网络的演化

运用分子动力学方法,研究了镍基单晶高温合金γ/γ′相界面错配位错网络的特征.通过对界面位错的形成、位错的反应、位错网络的演化等现象的分析发现,在温度场影响下,位错网络将由弛豫初期的十四面体演化成最终的正六面体. 关键词： 镍基单晶高温合金 相界面错配位错 位错网络演化 分子动力学     

Dipole of edge misfit dislocations and critical radius conditions for buried strained cylindrical inhomogeneity

A theoretical model is proposed for elastic stress relaxation of a buried strained cylindrical inhomogeneity, which assumes the edge misfit dislocation dipole formation in the soft matrix at some distance from the interface. The critical radius of the inhomogeneity for the formation of the edge misfit dislocation dipole is given and the influence of various parameters on the critical radius is evaluated. The result indicates that the critical radius decreases with increasing misfit strain and core radius of the misfit dislocation. It is also found that, compared to the edge misfit dislocation dipole formation in the interface, the critical radius of the inhomogeneity decreases when the location of an edge misfit dislocation dipole formation is in the soft matrix at some distance from the interface.     

AlSb/GaAs(001)失配位错的高分辨电子显微学研究

用200kV六硼化镧光源的高分辨透射电子显微镜观察了AlSb/GaAs(001)外延薄膜的失配位错,结合解卷处理方法把[110]高分辨电子显微像转换为试样的结构投影图,其分辨率接近电子显微镜的信息极限.根据赝弱相位物体近似像衬理论,通过分析AlSb薄膜完整区解卷像的衬度随试样厚度的变化,确定了哑铃原子对中Al和Sb原子的位置.在此基础上构建出失配位错的结构模型,再结合模拟像与实验像的匹配,确定了AlAs型界面以及Lomer和60°两类失配全位错的核心结构.     

Nano-structuration of CoO film by misfit dislocations

We have studied the nano-patterning of CoO film induced by misfit dislocation network at the interface with the Ag(0 0 1) substrate. Grazing incidence diffraction (GIXD), X-ray photoemission spectroscopy (XPS) and low energy electron diffraction (LEED) have been used to characterize chemistry and structure of the CoO layers. The XPS spectrum of the Co 2p core level permitted to establish the stoichiometric growth of CoO. The structure of the CoO film together with the absorption sites of cobalt and oxygen atoms was determined, thanks to GIXD measurements. Moreover we have followed the evolution of the in-plane lattice constant of the CoO as a function of the film thickness. It turns out that the CoO film growth starts with the same in-plane lattice constant of the Ag(0 0 1) substrate up to 3-4 ML; afterwards the in-plane parameter of CoO steadily increases before reaching a stable value of 2.98 Å at 23 ML. During the relaxation process, at about 8 ML of film thickness, we observe the formation of a buried misfit dislocation network. These dislocations, that have a period of 9.2 nm for a film thickness of 23 ML, induce mosaicity in the CoO film which then appears as a regular distribution of tilted domains.     

镍基单晶高温合金界面位错网在剪切载荷作用下的演化

运用分子动力学方法,研究了镍基单晶高温合金γ/γ' 相界面错配位错网在剪切载荷作用下的演化特征.结果表明:(100),(110) 和 (111) 三种相界面形成的位错网在载荷作用下有不同形式和不同程度的损伤,其变形和损伤随温度的增加而增加.在相同的剪切载荷和温度作用下,(100) 相界面形成的正方形位错网最稳定. 关键词： 镍基单晶高温合金 界面位错网 分子动力学     

Effect of H impurity on misfit dislocation in Ni-based single-crystal superalloy: molecular dynamic simulations

The effect of H impurity on the misfit dislocation in Ni-based single-crystal superalloy is investigated using the molecular dynamic simulation. It includes the site preferences of H impurity in single crystals Ni and Ni₃Al, the interaction between H impurity and the misfit dislocation and the effect of H impurity on the moving misfit dislocation. The calculated energies and simulation results show that the misfit dislocation attracts H impurity which is located at the γ/γ' interface and Ni₃Al and H impurity on the glide plane can obstruct the glide of misfit dislocation, which is beneficial to improving the mechanical properties of Ni based superalloys.