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金属液体和金属玻璃体系结构分析新方法的发展及结构和动力学计算模拟研究

方小伟  
【摘要】:金属液体和玻璃体系一直是凝聚态物理和材料物理中最重要的研究领域之一。金属液体和玻璃体系原子排布序的认识对理论理解金属玻璃相转变过程和实验制备大块金属玻璃具有非常重要的意义。通过计算机模拟虽然能够得到较为可靠的原子排布构型,但是由于金属液体和玻璃体系中原子排列不具备长程周期性,从而导致准确的表征体系原子排布结构序成为当前相关研究中的难点。 目前已经广泛使用分析方法有Honeycutt-Anderson (HA) index方法和Voronoiindex方法等。虽然它们在一定程度上能够描述金属液体和玻璃体系的结构特征,但是由于其存在固有缺陷,这些方法不能有效的对局域结构序进行准确表征。目前在结构研究中,还没有一套能够真正完善有效的对金属液体和玻璃体系的短程和中程结构序进行表征分析的方法。 在上述研究背景下,本博士论文工作主要围绕以下两点展开:首先,我们发展了基于团簇结构校正的新结构分析方法,通过该方法能够得到对金属液体和玻璃体系局域结构序的有效表征;其次,在结构校正方法的基础上,我们对一系列金属液体和玻璃体系的相关结构和动力学特征进行了分析研究。本文共包含以下六章: 第一章简要的介绍了金属玻璃体系实验发展历程,同时讨论了金属玻璃体系的形成机制以及理论研究中给出的相关原子排布结构模型。 第二章介绍了目前流行的模拟金属液体和玻璃体系原子排布构型的方法:分子动力学模拟和逆向蒙特卡洛模拟。同时介绍了常用的几种结构分析方法:对关联函数、结构因子、键角分布函数、HA index方法和Voronoi index方法等。 第三章主要介绍我在攻读博士学位期间发展的原子团簇结构校正方法,阐述了我们发展该结构分析方法的出发点和主要思想,详细描述了怎样通过原子团簇结构校正方法来确定金属液体与玻璃体系的局域原子排布结构。团簇结构校正方法最大的优点在于其整个分析过程完全且仅依赖于原子团簇本身,从而保证了原子的局域排布结构信息不被丢失。我们随后将该方法成功的运用到对纯铝和纯锆体系以及锆-铜和锆-镍合金体系的研究中,分析结果显示,该方法可以有效的对各种金属液体和玻璃体系中的局域结构进行分析研究,从而有助于加深我们对金属液体/玻璃体系结构的认识。 在第四章中,我们指出,通过对原子团簇结构校正方法进行空间尺度的延伸,我们能获得直接描述金属液体/玻璃体系中程结构序的图像。沿着该思路,我们对锆-铜合金体系在不同温度下的中程结构序做了详细的研究。分析结果第一次清晰的指出了在锆-铜合金玻璃体系中存在Bergman型中程结构序。在接近玻璃相转变点时,Bergman型原子团簇在体系中大量形成并相互连接成一类骨干网络状分布。对于该Bergman型中程序的研究为金属玻璃和准晶类金属合金之间的结构联系研究提供了重要的线索。本章的研究结果显示,团簇自校正方法为金属玻璃体系中程结构序的研究提供了有力的分析手段。 第五章给出了我们对一系列铝基合金体系的原子排布结构进行研究分析的结果。首先,我们结合第一性原理分子动力学方法和原子团簇结构校正分析方法,对纯铝和掺杂钐原子的铝-钐合金金属液体体系进行降温模拟,并对该降温过程中二十面体结构序和面心立方结构序的竞争行为进行了量化研究。研究结果表明,二十面体结构序在两个体系的金属液相中均占据了优势,而面心立方结构序在低于熔点的纯铝体系中迅速占据主导地位,并引发了面心立方晶化行为。与此同时,我们也深入的研究了钐原子在铝钐合金体系中对面心立方结构序的抑制作用。 其次,我们对纯铝体系的原子动力学行为也进行了深入的分析研究,利用团簇结构校正方法对原子局域结构序进行定量的表征。我们通过建立动力学模型,找到了纯铝液相中原子团簇结构、动力学特征和局域能量之间的联系。原子的局域能量,动力学弛豫时间等物理量均可以从该模型中得出。值得说明的是,这一理论模型适用于一切金属液体的分子动力学模拟。 第三,通过第一性分子动力学模拟和原子团簇结构校正方法,我们在Al90Sm10金属液体的快速退火模拟计算中得到了Al11Sm3短程排布序结构。同时我们发现二十面体结构序和面心立方结构序在降温过程中均有较大增长。分析的结果显示铝中心面心立方晶相、Al11Sm3晶相为Al90Sm10体系在降温过程中可能出现的晶体相结构序,他们与二十面体非晶相在体系降温过程中进行相互竞争,这一研究结果与实验得到的结果相一致。 最后,我们对Al95X5(X=Cu,Ni,Sm和Y)系列合金体系进行了第一性原子分子动力学模拟,利用多种结构分析方法,我们对不同的掺杂原子对铝基金属液体体系局域结构序的影响进行了有效的分析。结果显示,稀土族钐原子和钇原子的存在对二十面体结构序起到了非常大的促进作用。通过团簇自校正分析,我们发现在铝-镍合金中存在很强的Z9型Frank-Kasper结构序,从而较好的回答了在镍原子周围局域结构是何种聚四面体短程结构序的问题。我们在第六章中对前面的工作进行了系统的总结。


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