纳米晶体钒热稳定性的分子动力学模拟

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1、960中国科学E辑技术科学2006,36(9):960~968*纳米晶体钒热稳定性的分子动力学模拟①①②①②**魏明志肖时芳袁晓俭胡望宇(湖南大学①材料科学与工程学院;②应用物理系,长沙410082)摘要用分子动力学技术,结合分析型嵌入原子方法模拟计算了平均晶粒尺寸为2.86~7.50nm的纳米晶体钒的微观结构及其热稳定性.用原子键对分析技术区分了晶粒与晶界原子,发现晶界原子所占的比例随晶粒尺寸的减小明显提高,晶体中原子的平均能量要较普通单晶的高.从原子平均势能、晶界原子比率以及径向分布函数随温度的变化关系得出纳米晶体钒的热稳定温度,发现随晶粒尺寸的减小纳米晶体钒的热稳定温度明显降低.最后还讨

2、论了引起这种热稳定温度降低的原因.关键词纳米晶嵌入原子方法分子动力学热稳定目前,对纳米晶体(nc)热学性能的研究较少,其中一个主要原因就是纳米晶体不稳定,在较低温度下就会生长.所以,对纳米晶体来说无论是从理论研究还是从实际应用的角度来看热稳定性都显得很重要.研究纳米晶体材料晶粒长大的困难在于难以准确确定其晶粒尺寸,一般确定晶粒尺寸的方法是直接由电子[1]显微镜观察或由X射线衍射峰宽化值来估计.实验发现,由惰性气体冷凝方法[2]制得的纯金属纳米晶体容易长大,其热稳定温度都非常低.最近的实验发现,[3,4][5,6]对于nc-Pd和nc-Ni当温度高于500~600K时就极不稳定了.另有报道,平均

3、粒径约10nm的nc-Au在900K温度下烧结1h后,发现仅有微小的变化.近几年,对纳米晶体热稳定性的研究主要集中在实验方面,不同的制备条件以及制备方法得到的纳米晶体的热稳定性的差别很大,所以各研究者得到了不尽相同的结果.计算机模拟方面主要集中在研究局部区域晶粒的生长方式、生长机理上面,[7][8]如Dorel等人和Haslam等人模拟了纳米晶粒位向旋转对晶粒生长的贡献.本[9]文从晶界的角度出发,结合原子键对分析技术(CNA)、能量分析技术以及径向分布函数等方法模拟研究了V纳米晶体的热稳定性.收稿日期:2005-08-04;接受日期:2006-04-07*国家自然科学基金资助项目(批准号:5

4、0371026)**联系人,E-mail:wangyuhu2001cn@yahoo.com.cnSCIENCEINCHINASer.ETechnologicalSciences第9期魏明志等:纳米晶体钒热稳定性的分子动力学模拟9611模拟方法与分析技术本文采用分子动力学的模拟方法,原子相互作用势函数采用分析型嵌入原[10]子多体势AEAM.系统的总能量为EEtot=∑i,(1)1Erii=+∑φρ()()jFi+M(),Pi(2)2ji≠式中,Etot为体系的总能量,ρi为原子i的周围原子在此位置处的总电子密度,rij为i和j两原子间的距离,F()ρi为原子i在电子密度为ρi处的嵌入能,φ()

5、rij为原子i和j之间的两体相互作用势,M()Pi为修正项.为了模拟纳米晶体的热稳定性,同时考虑到计算量的限制,根据Voronoi几[11]何方法,构造了5个晶粒随机取向的纳米多晶V的样品.其中4个较小晶体的初始尺寸均为30a0×30a0×30a0(a0为V的晶格常数),实际尺寸为9.0681nm×9.0681nm×9.0681nm,一个较大晶体的初始尺寸为40a0×40a0×40a0.5个样品中包含的晶粒数分别为8,16,32,64和8,每个样品的球形等效粒径分别为5.63,4.47,3.54,2.8和7.5nm,5个样品中包含的原子数分别为52906,52579,52267,51173和1

6、26028.为了消除表面带来的影响,对模型采用了周期性边界条件进行延扩.将这些初始的几何构型在200K温度下进行分子动力学弛豫,以消除不合理的局域原子排布,总共弛豫十万步,用时200ps,在这之后将样品的温度降到绝对0K.此即为后面研究热稳定性的初始结构.为了便于结构分析,我们采用了键对分析技术.对于bcc结构的晶体,严格地说是不符合CNA方法要求的.由于第一近邻与第二近邻距离相差很小,为了分析方便,用径向分布函数(RDF)对整个系统进行统计平均,找出第二近邻距离,在研究过程中,把一、二近邻原子统称为近邻原子.在此近似下,如果一个原子周围存在6个与之构成1441键对的近邻原子,同时存在8个与之

7、构成1661键对的近邻原子,则认为这个原子与其周围原子构成BCC结构即为晶粒内原子,反之则为晶界原子.2模拟结果与讨论2.1初始结构用CNA方法对上面模拟得到的初始位形进行结构分析,得到5个样品中晶界原子百分比分别为29.06,36.32,46.16,55.1和21.9.明显看出,随着纳米晶体平均晶粒尺寸的减小,晶粒中晶界原子的比率不断增加,当V纳米晶体的平均粒径www.scichina.com9