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固态薄膜中亚稳合金相的形成及理论研究

张政军  
【摘要】:本世纪六十年代初非晶态合金的发现,向传统的凝聚态物理提出 了挑战,给凝聚态物理的研究带来了活力,使得固态薄膜中亚稳合金 相的形成一直是近年来凝聚态物理研究的热点之一.本论文系统地研 究了二元合金薄膜中亚稳合金相的形成规律,包括非晶态合金和亚稳 晶相的形成,从热力学、动力学的角度给予解释,并尝试将亚稳晶相 的形成与其电子结构联系起来。 本论文采用离子束混合多层膜的方法研究了二元合金多层膜中亚 稳晶相的形成规律,发现了许多亚稳晶相,确定了它们的结构和稳定 成分范围.根据它们的结构、成分特点及与母相间的结构适应性,作 者将这些亚稳晶相分为五类:(1)过饱和固溶体;(2)A_3B(A=fcc)附近 通过fcc→hcp转变形成的hcp-I;(3)AB_3(B=hcp)附近通过hcp→fcc转 变形成的fcc-I;(4)AB_(3-4)(B=bcc)附近通过bcc→hcp→fcc两步转变 形成的hcp-Ⅱ和fcc-Ⅱ相。根据改进后的热力学计算方法,计算了 这些亚稳晶相的自由能值,从热力学的角度对它们的形成进行了解 释。提出了离子束混合下亚稳晶相形成的晶格转换机制,并在电子结 构的层次上对一些亚稳晶相的形成进行了解释. 在混合热为很正的合金系统中,Y-Mo,Y-Ta,Y-Zr,作者在它们 的多层膜中得到了非晶态合金和亚稳晶相。发现在这类系统中,非晶 态合金的形成受界面控制的:多层膜中界面原子所占的份额决定了多 层膜的初始能量状态,也决定了非晶态合金的可能形成范围(界面原 子份额越大,非晶态合金的形成范围越大). 由此发展了一种在互不 固溶系统中形成非晶态合金的方法:界面控制的方法。在实验事实的 基础上提出了一种简单的界面模型,计算了多层膜的初始能量状态, 解释了该类合金系统中的非晶态合金形成。 作者建立了一个统一的热力学计算模型,使之不仅可以解释生 成热为负值而且可以解释生成热为正的合金系统中的亚稳合金相形 成。在实验事实和热力学计算的基础上,作者讨论了生成热和原子尺 寸失配对二元合金薄膜中自发非晶化现象的影响,提出了发生自发非 晶化的经验判据。


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