納米晶體合金形成能力、相戀及晶粒生長的尺寸效應.pdf

1、納米晶體中能量的不均衡分布使得納米晶體在熱力學上處于亞穩(wěn)態(tài)。具有大比表面的納米晶體中大量原子位于晶粒表面(界面),這些表面(界面)原子由于配位數(shù)不足而具有大量懸空鍵,高能態(tài)的表面(界面)原子使得納米晶體中原子活性增強,進而影響納米晶體的結合能、熔化溫度、形成焓、空位形成能、擴散激活能以及晶粒長大臨界溫度等熱力學性能。考慮這種尺寸依賴的熱力學性能的變化及表面效應,研究了納米晶體中原子熱力學行為變化導致的合金形成能力、相變及晶粒長大臨界溫度

2、的尺寸效應。
　　 納米金屬中表面原子活性的變化導致其合金形成能力的起伏,表現(xiàn)為塊體互不相溶金屬的合金形成能力增強以及塊體相溶金屬的合金形成能力減弱。對此分別采用了不同的模型和方法研究了這兩類金屬的合金形成焓隨尺寸的變化。根據(jù)表面差異模型及形成合金前后的能量變化,提出了一種計算納米合金形成焓方法,并研究了塊體互不相溶金屬Au/Pt的合金形成能力的變化。結果表明Au/Pt的合金形成焓在納米尺度由正值轉變?yōu)樨撝?提示了Au和Pt在納

3、米尺度能形成穩(wěn)定的納米合金。
　　 對于塊體互溶金屬,利用亞規(guī)則模型以及考慮納米顆粒的表面效應,研究了尺寸和成分對鈦基二元合金形成焓的影響,結果表明鈦基二元合金納米顆粒形成焓依賴于顆粒尺寸,表現(xiàn)了明顯的尺寸效應。鈦基二元合金納米顆粒形成焓隨粒徑的減小而增大,合金形成能力減弱,合金形成區(qū)減??；當減小到某一臨界尺寸時,形成焓由負值變?yōu)檎?納米顆粒失去其穩(wěn)定性而形成新的納米結構。特別在粒徑小于10納米時,鈦基合金納米顆粒隨粒徑的減小

4、出現(xiàn)成分聚集。成分聚集的方向和聚集程度取決于聚集驅動能,這種聚集驅動能依賴元素的表面能和原子半徑。
　　 根據(jù)理想熔體近似和納米晶體熔化理論,建立了計算尺寸依賴的二元合金納米顆粒熔點模型。該模型中不含有任何可調參數(shù),而且表明合金納米顆粒的熔點與尺寸和成分相關?；谶@種模型,計算了不同成分和粒徑Cu/Ni,Pb/Bi,Sn/In合金納米顆粒的熔點。當成分一定時,合金的熔點隨顆粒粒徑的減小而降低；當粒徑小于20納米時,熔點隨粒徑減小

5、急劇降低,表現(xiàn)了顯著的尺寸效應,模型計算結果與實驗結果和分子動力學模擬結果一致。該模型的有效性揭示了合金納米顆粒與純金屬納米顆粒具有相似的熔化機制,也表明了在納米尺度理想溶體近似是一種有效的近似方法。
　　 根據(jù)晶體相變壓力和結合能之間的內在聯(lián)系,提出了一種簡單的熱力學模型描述納米晶體壓致相變的尺寸效應。在納米顆粒的壓致相變中,由于結合能的減小使得顆粒中原子間的鍵強度減弱,納米晶體的穩(wěn)定性下降,從而導致相變壓力減小。根據(jù)該模型,

6、相變壓力隨尺寸的減小而降低,顯示了明顯的尺寸效應。該模型在預測GaAs納米晶體相變壓力隨尺寸變化的結果與其它方法得到的結果相符。
　　 已有的研究表明納米晶粒在一定臨界溫度時開始長大,從晶粒長大的微觀過程出發(fā),研究了主導納米晶體熱穩(wěn)定性的熱力學因素:提出該臨界溫度由納米晶體的空位形成能和擴散激活能決定并建立了預測尺寸依賴的納米晶粒長大臨界溫度的熱力學模型。依據(jù)該模型研究了釩和金納米晶體熱穩(wěn)定性,結果表明晶體在納米尺度的熱穩(wěn)定性下