《納米金屬液滴表面/界面結構及對結晶過程的影響》是依託北京理工大學，由呂勇軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：納米金屬液滴表面/界面結構及對結晶過程的影響
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：呂勇軍
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目擬採用分子動力學模擬方法研究納米金屬液滴的表面、界面層結構及其對結晶過程的影響。模擬金屬Al、過渡金屬Ni、半導體Si以及Ni-Si、Al-Si合金等納米液滴的形核結晶過程，驗證表面形核機制。通過計算形核率，分析自由表面相對液滴形核、結晶的影響規律，提出納米液滴形核和結晶的理論模型；採用分子動力學方法研究Ga、Pb、PbSn和BiGa等液滴在Si和過渡金屬基底上形成的液/固界面結構特徵，探索各類液/固界面有序結構的形成過程與選擇機制，揭示晶態基底與液滴界面層之間在結構和熱力學等方面的內在聯繫；模擬在液/固界面環境下上述液滴的形核、結晶過程，分析界面有序結構對液滴結晶行為的影響。通過以上研究，加深對納米量級液滴的均質與非均質形核和結晶過程的認識與理解，為材料科學、生命科學和微納米流體等相關研究領域的實驗研究提供理論支持。
結題摘要
結晶是重要的相變過程之一，控制結晶過程對於材料性能的改進和新材料的研製都具有重要意義。當前的材料科學發展中，低維材料越來越引起研究者的關注。薄膜和顆粒體系中表面和界面對結晶過程的影響凸現出來，但表面和界面環境下的結晶規律及其影響機制仍然有許多待解決問題。本項目針對以上問題，對金屬、半導體和非金屬體系中表面、界面環境對結晶過程的影響進行研究，主要研究內容包括以下兩部分：（1）金屬系統中表面、界面對結晶過程的影響機制。採用分子動力學方法模擬了Ni-Si合金液滴結晶機制，發現形核優先在表面發生。研究發現表面附近密度分布出現明顯層化現象。伴隨著密度層化，應力分布出現層化，這直接導致表面張力隨溫度降低而降低的反常行為，這是導致表面優先形核的主要原因。進一步研究表明表面形核後並沒有誘發隨後的晶體生長，而液滴整體的結晶仍然從內部均質形核開始。類似的應力層化對結晶過程的影響進一步在Cu-Zr合金的晶體生長過程中得到驗證。分子動力學模擬表明，和一些純金屬和Ni-Si，Ni-Al二元合金體系相比較，CuZr合金液固界面前沿強烈的應力層化導致形成一個慢擴散層，從而造成CuZr合金極慢的晶體生長速率，這也為CuZr合金具有較高的非晶形成能力提供了新的解釋。綜合研究結果，對於金屬體系，表面、界面對結晶的影響主要在動力學方面而不是熱力學方面。（2）液態Si和水中表面、界面對結晶過程的影響。我們首次提出液態Si薄膜和液滴的形核呈現波動分布，這種分布規律與受限環境中密度波動引起的有序結構波動有密切關係。研究明確給出了形核分布的解析描述，這為持續多年的關於表面觸發液態Si和水結晶的爭論給出全面的解釋。該解釋與我們水膜形核率的計算結果相符。我們發現水膜形核率隨著薄膜厚度的減小而降低，表面的存在並不有利於結晶的發生。此外，我們在高負壓強環境下，首次通過分子動力學模擬實現了Si籠狀晶Si136的均質形核結晶，發現這種開放結構的晶體的形核是以二維方式進行的，而不是通常的形成三維臨界晶體的方式。本項目針對表面、界面對液態金屬和液態四面體體系結晶的影響機制進行了深入研究，得到了一批新的理論成果。這些結果對於認識低維體系的結晶規律具有重要的理論意義，也為相關材料的製備和改性提供了理論指導。項目完成了預定目標，部分研究仍在延續並有望發表。
