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纳米多层薄膜界面扩散的非线性动力学理论研究

曹保胜  
【摘要】:根据非均匀体系的非线性动力学离散模型推导出与局部原子浓度强相关的原子扩散系数,引入扩散非对称性系数m′和有序能V参数描述非均匀体系的扩散。采用非线性动力学离散模型计算了(V_(BB)-V_(AA))=0,-0.03eV和-0.08eV,有序能V=0,-0.025eV和-0.05eV的AB二元系纳米多层薄膜在扩散温度800K、1000K和1250K,沿面心立方晶格[111]方向和体心立方晶格[100]方向扩散时的浓度分布,通过扩散非对称性系数m′和有序能V表征(V_(BB)-V_(AA))、有序能V、扩散温度和扩散方向的变化,研究对AB二元系纳米多层薄膜界面扩散的影响。随着扩散非对称性系数m′的减小,扩散过程中纳米多层薄膜的界面由宽化逐渐向平直转变。随着有序能V的减小,扩散过程中纳米多层薄膜的界面形态不发生改变,但扩散达到平衡所需的时间逐渐减少。扩散非对称性系数m′的改变导致AB二元系纳米多层薄膜中A、B原子的扩散系数存在差异,造成界面上扩散通量不同引起了界面形态的改变,扩散非对称性系数m′越小,多层薄膜扩散过程中界面越平直。有序能V的减小使AB二元系纳米多层薄膜中A、B原子的偏聚程度增大,导致纳米多层薄膜的扩散更容易达到平衡,扩散所需的时间相应减少。根据纳米多层薄膜界面扩散与扩散非对称性系数m′和有序能V的关系,通过选择合适的二元系纳米多层薄膜和处理条件,可以控制界面扩散从而影响纳米多层薄膜的性能。 建立了非均匀体系的非线性动力学离散模型和经典扩散定律之间的关系,证明了非线性动力学离散模型能够转化为Fick第一定律、Fick第二定律和Cahn-Hilliard扩散方程。采用非线性动力学离散模型和Fick定律计算了调制周期4.8nm和48nm,调制比为1:1的Mo/V纳米多层薄膜在扩散温度1053K,沿体心立方晶格[100]方向扩散时的浓度分布。通过计算Mo/V纳米多层薄膜小角x射线衍射峰强度随扩散时间的变化,发现当调制周期为48nm时,非线性动力学离散模型和Fick定律计算的Mo/V纳米多层薄膜扩散是一致的,当调制周期减小到4.8nm时,非线性动力学离散模型与Fick定律计算的界面扩散出现了很大的差异。经典的Fick扩散定律已经不能很好地描述纳米多层薄膜的扩散,而非线性动力学离散模型则可以很好地描述这种小调制周期情况下纳米多层薄膜的扩散。


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