金屬液體和金屬玻璃體系結(jié)構(gòu)分析新方法的發(fā)展及結(jié)構(gòu)和動力學(xué)計算模擬研究.pdf

1、金屬液體和玻璃體系一直是凝聚態(tài)物理和材料物理中最重要的研究領(lǐng)域之一。金屬液體和玻璃體系原子排布序的認識對理論理解金屬玻璃相轉(zhuǎn)變過程和實驗制備大塊金屬玻璃具有非常重要的意義。通過計算機模擬雖然能夠得到較為可靠的原子排布構(gòu)型,但是由于金屬液體和玻璃體系中原子排列不具備長程周期性,從而導(dǎo)致準(zhǔn)確的表征體系原子排布結(jié)構(gòu)序成為當(dāng)前相關(guān)研究中的難點。
　　 目前己經(jīng)廣泛使用分析方法有Honeycutt-Anderson(HA)index方法和

2、Voronoiindex方法等。雖然它們在一定程度上能夠描述金屬液體和玻璃體系的結(jié)構(gòu)特征,但是由于其存在固有缺陷,這些方法不能有效的對局域結(jié)構(gòu)序進行準(zhǔn)確表征。目前在結(jié)構(gòu)研究中,還沒有一套能夠真正完善有效的對金屬液體和玻璃體系的短程和中程結(jié)構(gòu)序進行表征分析的方法。
　　 在上述研究背景下,本博士論文工作主要圍繞以下兩點展開:首先,我們發(fā)展了基于團簇結(jié)構(gòu)校正的新結(jié)構(gòu)分析方法,通過該方法能夠得到對金屬液體和玻璃體系局域結(jié)構(gòu)序的有效表征

3、;其次,在結(jié)構(gòu)校正方法的基礎(chǔ)上,我們對一系列金屬液體和玻璃體系的相關(guān)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特征進行了分析研究。本文共包含以下六章:
　　 第一章簡要的介紹了金屬玻璃體系實驗發(fā)展歷程,同時討論了金屬玻璃體系的形成機制以及理論研究中給出的相關(guān)原子排布結(jié)構(gòu)模型。
　　 第二章介紹了目前流行的模擬金屬液體和玻璃體系原子排布構(gòu)型的方法:分子動力學(xué)模擬和逆向蒙特卡洛模擬。同時介紹了常用的幾種結(jié)構(gòu)分析方法:對關(guān)聯(lián)函數(shù)、結(jié)構(gòu)因子、鍵角分布函數(shù)、H

4、A index方法和Voronoi index方法等。
　　 第三章主要介紹我在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)展的原子團簇結(jié)構(gòu)校正方法,闡述了我們發(fā)展該結(jié)構(gòu)分析方法的出發(fā)點和主要思想,詳細描述了怎樣通過原子團簇結(jié)構(gòu)校正方法來確定金屬液體與玻璃體系的局域原子排布結(jié)構(gòu)。團簇結(jié)構(gòu)校正方法最大的優(yōu)點在于其整個分析過程完全且僅依賴于原子團簇本身,從而保證了原子的局域排布結(jié)構(gòu)信息不被丟失。我們隨后將該方法成功的運用到對純鋁和純鋯體系以及鋯.銅和鋯.鎳合

5、金體系的研究中,分析結(jié)果顯示,該方法可以有效的對各種金屬液體和玻璃體系中的局域結(jié)構(gòu)進行分析研究,從而有助于加深我們對金屬液體/玻璃體系結(jié)構(gòu)的認識。
　　 在第四章中,我們指出,通過對原子團簇結(jié)構(gòu)校正方法進行空間尺度的延伸,我們能獲得直接描述金屬液體/玻璃體系中程結(jié)構(gòu)序的圖像。沿著該思路,我們對鋯-銅合金體系在不同溫度下的中程結(jié)構(gòu)序做了詳細的研宄。分析結(jié)果第一次清晰的指出了在鋯-銅合金玻璃體系中存在Bergman型中程結(jié)構(gòu)序。在接

6、近玻璃相轉(zhuǎn)變點時,Bergman型原子團簇在體系中大量形成并相互連接成一類骨干網(wǎng)絡(luò)狀分布。對于該Bergman型中程序的研究為金屬玻璃和準(zhǔn)晶類金屬合金之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系研究提供了重要的線索。本章的研究結(jié)果顯示,團簇自校正方法為金屬玻璃體系中程結(jié)構(gòu)序的研究提供了有力的分析手段。
　　 第五章給出了我們對一系列鋁基合金體系的原子排布結(jié)構(gòu)進行研究分析的結(jié)果。首先,我們結(jié)合第一性原理分子動力學(xué)方法和原子團簇結(jié)構(gòu)校正分析方法,對純鋁和摻雜釤原

7、子的鋁.釤合金金屬液體體系進行降溫模擬,并對該降溫過程中二十面體結(jié)構(gòu)序和面心立方結(jié)構(gòu)序的競爭行為進行了量化研究。研究結(jié)果表明,二十面體結(jié)構(gòu)序在兩個體系的金屬液相中均占據(jù)了優(yōu)勢,而面心立方結(jié)構(gòu)序在低于熔點的純鋁體系中迅速占據(jù)主導(dǎo)地位,并引發(fā)了面心立方晶化行為。與此同時,我們也深入的研究了釤原子在鋁釤合金體系中對面心立方結(jié)構(gòu)序的抑制作用。
　　 其次,我們對純鋁體系的原子動力學(xué)行為也進行了深入的分析研究,利用團簇結(jié)構(gòu)校正方法對原子局

8、域結(jié)構(gòu)序進行定量的表征。我們通過建立動力學(xué)模型,找到了純鋁液相中原子團簇結(jié)構(gòu)、動力學(xué)特征和局域能量之間的聯(lián)系。原子的局域能量,動力學(xué)弛豫時間等物理量均可以從該模型中得出。值得說明的是,這一理論模型適用于一切金屬液體的分子動力學(xué)模擬。
　　 第三,通過第一性分子動力學(xué)模擬和原子團簇結(jié)構(gòu)校正方法,我們在A190Sm10金屬液體的快速退火模擬計算中得到了A111Sm3短程排布序結(jié)構(gòu)。同時我們發(fā)現(xiàn)二十面體結(jié)構(gòu)序和面心立方結(jié)構(gòu)序在降溫過程

9、中均有較大增長。分析的結(jié)果顯示鋁中心面心立方晶相、A111Sm3晶相為A190Sm10體系在降溫過程中可能出現(xiàn)的晶體相結(jié)構(gòu)序,他們與二十面體非晶相在體系降溫過程中進行相互競爭,這一研究結(jié)果與實驗得到的結(jié)果相一致。
　　 最后,我們對A1095X5(X=Cu,Ni,Sm和Y)系列合金體系進行了第一性原子分子動力學(xué)模擬,利用多種結(jié)構(gòu)分析方法。我們對不同的摻雜原子對鋁基金屬液體體系局域結(jié)構(gòu)序的影響進行了有效的分析。結(jié)果顯示,稀土族釤原