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利用遗传算法对金属表面纳米团簇结构性质的研究

张鹏  
【摘要】: 作为纳米器件中最为常见的构造基元,表面纳米团簇在整个纳米科学的研究中有着举足轻重的地位;同时表面纳米团簇还是一系列表面现象和过程中的载体,比如薄膜生长,表面扩散,结核,表面催化等等,因此也是表面科学的研究热点。在表面纳米团簇的研究中,结构问题是其中最为基本也是人们最为关注的问题之一。但是目前对表面纳米团簇结构的研究还局限于小团簇和大团簇这两个尺寸的极端,而对于中等大小的团簇----这个下一代微电子学和超高密度磁存储所期望的尺寸,人们的研究还很少涉及到。本论文即主要针对中等大小的表面纳米团簇的结构展开研究。 本论文首先简要的回顾了表面纳米团簇研究的历史,背景和研究方法,概述了近年来人们在团簇结构研究上的成果,提出一些有待解决的问题。这部分主要在第一章。其次,我们在第二章中介绍了本论文所使用的计算模型和方法,包括遗传算法和原子嵌入势的基本原理。 在第三章中,我们系统地研究了一系列fcc金属的(111)和(110)表面团簇的较低能量结构,考察了较低能量结构的结构特征,能量分布,和结构的数目,并研究了它们随着表面和团簇尺寸的变化规律。从原子间相互作用力出发,我们建立了一套新的理论模型来解释团簇的较低能量结构的各种性质。我们发现,在fcc(111)表面,团簇的较低能量结构主要由团簇与基底的相互作用和团簇原子间的最近邻相互作用所决定,原子间的次近邻相互作用只对同种类型结构的能量分布有影响。如果团簇与基底的相互作用对团簇边界原子的环境不敏感,那么团簇的较低能量结构只有一种结构类型,即最近邻键数目最多的结构,而且所有的这类结构都是团簇的较低能量结构;反之,如果团簇与基底的相互作用对团簇边界原子的环境敏感,那么团簇的较低能量结构的结构类型会随着团簇尺寸的增加而发生变化:小团簇时,较低能量结构具有最多数目的最近邻键;当团簇增加时,较低能量结构中的最近邻键的数目(相对于团簇所能具有的最高数目)呈现越来越少的趋势,同时团簇的结构一直保持较为尖锐的形状,即趋向于三角形,而且这些三角形都指向同一个方向。这种结构类型的变化通过一种有趣的结构更替来完成。 在fcc(110)表面,我们发现团簇的较低能量结构对团簇次近邻原子间的相互作用很敏感:如果相互作用为排斥,那么团簇只有一种最低能量结构,即一维链状结构;如果相互作用为吸引,那么团簇的较低能量结构类型随着团簇尺寸的增加而发生类似于在fcc(111)表面的更替现象,更替的结果使得越大团簇拥有越高的排数,但总体上,团簇排数和列数的比值在团簇尺寸的增加过程中保持不变。 此外,根据我们对较低能量结构的考察,我们给出了在fcc(111)和fcc(110)两个表面的大团簇在平衡态下的形状,结果与实验观测符合得很好。同时也从原子间相互作用力的角度解释了fcc(110)表面的自发重构现象。 在第四章,我们研究了表面团簇中的幻数行为,我们选取的表面为fcc(001)表面。我们发现,在Au(001)表面,团簇中的幻数序列能够在团簇增加时一直得以维持;而在Cu(001)表面,幻数序列随着团簇尺寸的增加而逐渐消失。通过我们所建立的理论模型我们发现,这两种不同的幻数行为是由团簇原子间的次近邻相互作用所导致的,虽然次近邻相互作用是一种很微弱的作用。在Cu(001)表面,次近邻相互作用为吸引,这种吸引的作用力使得封闭的正方形(或者准正方形)结构随着团簇尺寸的增加而变得越来越不稳定,而封闭的正方形结构是幻数团簇所具有的结构,从而幻数序列就逐渐消失,在此之后,封闭的正方形结构最终被逐渐打破,即幻数序列不再存在。在Au(001)表面,次近邻相互作用为排斥,封闭的正方形结构及其具有的稳定性能够一直保持,幻数序列也就得以一直存在。另外,通过我们所建立的理论模型得到了fcc(001)表面二维岛的平衡态形状,结果与实验观测一致,从而间接地证明了我们模型的正确性,以及由此给出的幻数现象的可靠性。 在最后一章,我们对本论文做了简要的总结,并展望了我们的后续工作。


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