納米粒子表面吸附原子擴散行為的原子模擬研究

《納米粒子表面吸附原子擴散行為的原子模擬研究》是依託湖南工程學院，由楊劍瑜擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米粒子表面吸附原子擴散行為的原子模擬研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊劍瑜
• 依託單位：湖南工程學院

項目摘要

薄膜生長過程中，基底上會生成各種尺度的納米粒子，納米粒子表面吸附原子的擴散就直接決定了薄膜生長形態。在原子尺度上對其進行研究有助於理解薄膜的生長機理並達到人為控制其生長形態的目的。各種實驗研究發現納米粒子尺度、構型及表面應力對原子擴散有較大的影響，實驗很難對這些影響因素進行全面細緻的研究，因此利用計算機對其進行原子模擬研究有重要意義。本項目以FCC結構的Cu、Pt與BCC結構的W、HCP結構的Re為實例，利用合適的描述原子間作用的嵌入原子模型結合分子動力學與蒙特卡羅方法，從動態與靜態兩個方面研究原子在納米粒子表面的擴散，根據原子運動軌跡和組態演變規律探討其擴散行為，從而獲得薄膜生長形態與生長溫度的定量關係。在此基礎上討論原子排布結構、納米粒子尺度與表面應力對原子擴散行為的影響，從而為改進和最佳化薄膜合成工藝、人為控制薄膜生長形態，提高薄膜質量提供理論指導。

結題摘要

本項目以體心立方（BCC）的鎢，面心立方（FCC）的銅與鉑，六角密排（HCP）結構的錸為實例，套用嵌入原子方法，從動態與靜態兩個方面研究了吸附原子在納米粒子與台階表面的擴散行為。據此分析了納米粒子構型隨實驗條件的演變規律，獲得了與實驗相符的結果。研究發現，吸附原子穿越BCC與FCC納米粒子台階，經交換機制進行，且這類擴散都需要克服附加勢壘，此附加勢壘與納米粒子構型、應力及粒子尺寸有關。對FCC結構的金屬鉑在截角八面體納米粒子表面的自擴散行為發現，吸附原子從{111}面到{100}面的擴散勢壘隨粒子尺寸增加而增加，而從{111}面擴散到相鄰的{111}面的勢壘相對更高些。由此可預測較低溫度下大尺寸的截角八面體納米粒子（原子數大於2000）是穩定結構，這個結果與實驗相符。當溫度升高后，計算的擴散勢壘又表明二十面體與八面體結構的納米粒子更穩定。對Pt在立方八面體與截角十面體納米粒子表面的自擴散研究發現，吸附原子只能在較高溫度下穿越台階。在較小尺寸下，截角十面體結構比立方八面體更穩定，我們的研究與實驗相符。對體心立方結構的鎢在菱形十二面體的納米粒子表面的自擴散研究發現，吸附原子穿越兩個{110}面之間的台階的勢壘很高，低溫下幾乎不可能發生。因此菱形十二面體納米粒子將一層層地生長，由此說明其結構是穩定的。對HCP結構的Re在立方六面體納米粒子表面的擴散研究發現，吸附原子穿越台階可能有多種路徑，都經躍遷機制進行，並且具有較高的勢壘。由計算的勢壘，我們推算出在各種溫度區間，納米粒子可能具有的結構。在對擴散行為進行充分研究的基礎上，我們模擬了Fe，Ni與Mg在Al的1289個原子的截角八面體的納米粒子的生長。結果表明核殼結構的Mg-Al納米粒子能形成，其他兩個合金系統則不能得到核殼結構。本項目的研究，充分說明了擴散與納米粒子構型的關係，研究結果將為改進和最佳化納米粒子製備工藝，人為控制納米粒子生長形態提供理論指導。