利用遺傳算法對金屬表面納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究.pdf

1、作為納米器件中最為常見的構(gòu)造基元,表面納米團(tuán)簇在整個納米科學(xué)的研究中有著舉足輕重的地位;同時表面納米團(tuán)簇還是一系列表面現(xiàn)象和過程中的載體,比如薄膜生長,表面擴(kuò)散,結(jié)核,表面催化等等,因此也是表面科學(xué)的研究熱點。在表面納米團(tuán)簇的研究中,結(jié)構(gòu)問題是其中最為基本也是人們最為關(guān)注的問題之一。但是目前對表面納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的研究還局限于小團(tuán)簇和大團(tuán)簇這兩個尺寸的極端,而對于中等火小的團(tuán)簇----這個下一代微電子學(xué)和超高密度磁存儲所期望的尺寸,人們的研

2、究還很少涉及到。本論文即主要針對中等大小的表面納米團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)展開研究。
　　本論文首先簡要的回顧了表面納米團(tuán)簇研究的歷史,背景和研究方法,概述了近年來人們在團(tuán)簇結(jié)構(gòu)研究上的成果,提出一些有待解決的問題。這部分主要在第一章。其次,我們在第二章中介紹了本論文所使用的計算模型和方法,包括遺傳算法和原子嵌入勢的基木原理。
　　在第三章中,我們系統(tǒng)地研究了一系列fcc金屬的(111)和(110)表面團(tuán)簇的較低能量結(jié)構(gòu),考察了較低能量結(jié)

3、構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征,能量分布,和結(jié)構(gòu)的數(shù)目,并研究了它們隨著表面和團(tuán)簇尺寸的變化規(guī)律。從原予間相互作用力出發(fā),我們建立了一套新的理論模型來解釋團(tuán)簇的較低能量結(jié)構(gòu)的各種性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn),在fcc(lll)表面,團(tuán)簇的較低能量結(jié)構(gòu)主要由團(tuán)簇與基底的相互作用和團(tuán)簇原子問的最近鄰相互作用所決定,原子問的次近鄰相互作用只對同種類型結(jié)構(gòu)的能量分布有影響。如果團(tuán)簇與基底的相互作用對團(tuán)簇邊界原子的環(huán)境不敏感,那么團(tuán)簇的較低能量結(jié)構(gòu)只有一種結(jié)構(gòu)類型,即最近鄰鍵數(shù)

4、目最多的結(jié)構(gòu),而且所有的這類結(jié)構(gòu)都是團(tuán)簇的較低能量結(jié)構(gòu);反之,如果團(tuán)簇與基底的相互作用對團(tuán)簇邊界原子的環(huán)境敏感,那么團(tuán)簇的較低能量結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型會隨著團(tuán)簇尺寸的增加而發(fā)生變化:小團(tuán)簇時,較低能量結(jié)構(gòu)具有最多數(shù)目的最近鄰鍵;當(dāng)團(tuán)簇增加時,較低能量結(jié)構(gòu)中的最近鄰鍵的數(shù)目(相對于團(tuán)簇所能具有的最高數(shù)目)呈現(xiàn)越來越少的趨勢,同時團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)一直保持較為尖銳的形狀,即趨向于三角形,而且這些三角形都指向同一個方向。這種結(jié)構(gòu)類型的變化通過一種有趣的結(jié)構(gòu)

5、更替來完成。
　　在fcc(110)表面,我們發(fā)現(xiàn)團(tuán)簇的較低能量結(jié)構(gòu)對團(tuán)簇次近鄰原子間的相互作用很敏感:如果相互作用為排斥,那么團(tuán)簇只有一種最低能量結(jié)構(gòu),即一維鏈狀結(jié)構(gòu);如果相互作用為吸引,那么團(tuán)簇的較低能量結(jié)構(gòu)類型隨著團(tuán)簇尺寸的增加而發(fā)生類似于在fcc(111)表面的更替現(xiàn)象,更替的結(jié)果使得越大團(tuán)簇?fù)碛性礁叩呐艛?shù),但總體上,團(tuán)簇排數(shù)和列數(shù)的比值在團(tuán)簇尺寸的增加過程中保持不變。
　　此外,根據(jù)我們對較低能量結(jié)構(gòu)的考察,我們給

6、出了在fcc(111)和fcc(110)兩個表面的大團(tuán)簇在平衡態(tài)下的形狀,結(jié)果與實驗觀測符合得很好。同時也從原子間相互作用力的角度解釋了fcc(110)表面的自發(fā)重構(gòu)現(xiàn)象。
　　在第四章,我們研究了表面團(tuán)簇中的幻數(shù)行為,我們選取的表面為fcc(001)表面。我們發(fā)現(xiàn),在Au(001)表面,團(tuán)簇中的幻數(shù)序列能夠在團(tuán)簇增加時一直得以維持;而在Cu(001)表面,幻數(shù)序列隨著團(tuán)簇尺寸的增加而逐漸消失。通過我們所建立的理論模型我們發(fā)現(xiàn),這

7、兩種不同的幻數(shù)行為是由團(tuán)簇原子間的次近鄰相互作用所導(dǎo)致的,雖然次近鄰相互作用是一種很微弱的作用。在Cu(001)表面,次近鄰相互作用為吸引,這種吸引的作用力使得封閉的正方形(或者準(zhǔn)正方形)結(jié)構(gòu)隨著團(tuán)簇尺寸的增加而變得越來越不穩(wěn)定,而封閉的正方形結(jié)構(gòu)是幻數(shù)團(tuán)簇所具有的結(jié)構(gòu),從而幻數(shù)序列就逐漸消失,在此之后,封閉的正方形結(jié)構(gòu)最終被逐漸打破,即幻數(shù)序列不再存在。在Au(001)表面,次近鄰相互作用為排斥,封閉的止方形結(jié)構(gòu)及其具有的穩(wěn)定性能夠一