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《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》 2017年
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金纳米线和纳米管中级联碰撞的分子动力学模拟研究

刘文强  
【摘要】:因为纳米线具有高的比表面积,而表面能够吸收辐照产生的缺陷,所以纳米线可能具有好的抗辐照性能。此外,纳米线和纳米管的径向尺寸与级联碰撞的区域大小是可以比拟的,所以在一维纳米材料中的级联碰撞过程有很多与块体材料中不同的特点。本文主要利用分子动力学方法模拟了金的纳米线和纳米管中的级联碰撞过程,对级联碰撞过程引起的缺陷的种类、分布和产生机制进行了详细的讨论。在纳米线的级联碰撞模拟中,选取了不同直径大小的纳米线作为研究对象,同时模拟中使用了不同的初级移位原子(PKA)初始能量和不同的PKA初始位置。在不同的条件下,级联碰撞过程会导致纳米线中产生三种不同的缺陷,分别是点缺陷、层错和表面凹坑。PKA的初始位置会影响纳米线中剩余的点缺陷数目。当PKA的初始位置在纳米线中心时,模拟结束时纳米线内的自间隙原子的数目依赖于纳米线直径的大小,随着纳米线直径的增大而增大;但是,纳米线内空位的数目随着纳米线直径的变化则没有明显的趋势,在不同直径的纳米线中数目是比较接近的。而当PKA的初始位置在纳米线表面时,因为此时表面的吸收作用成为影响点缺陷演化的主导因素,导致不同直径大小的纳米线内自间隙原子和空位的数目分别都非常接近。当PKA的能量超过5 keV时,在PKA的轰击下,纳米线中可能会形成贯穿整个纳米线横截面的层错。纳米线中层错形成的机制是:级联碰撞导致的类液体原子在重新凝固时形成HCP原子层,HCP原子层沿着{111}面延伸至纳米线表面最终就可以形成稳定的层错。当PKA的能量超过10 keV时,级联碰撞过程就可能在纳米线的表面上形成表面凹坑,而表面凹坑形成的机制是微爆炸过程。纳米线内形成层错、表面上产生表面凹坑以及PKA初始位置对剩余点缺陷数目的影响,都会对纳米线的抗辐照窗口的大小产生影响。在纳米管的模拟中,选择了不同外管直径和内管直径的纳米管作为研究对象。所有的模拟中PKA初始能量都为1keV,并且PKA的初始位置在纳米管的外表面上。与纳米线相比,纳米管中损伤的一个特点是,级联碰撞结束时纳米管中更容易形成尺寸较小的HCP原子层甚至是稳定的层错。通过改变纳米管的内径我们发现,随着内管直径增大,纳米管中主要的缺陷形式是层错这种面缺陷的可能性更高了。从点缺陷在纳米管内部演化的过程中可以看出,纳米管的内表面也会吸收点缺陷,从而增加缺陷复合和降低辐照产生的损伤。在固定外管直径时,增加内管直径可以增加纳米管内表面的表面积,从而使得更多的点缺陷被表面吸收。因此,增加内管直径会使得纳米管中的自间隙原子和空位的数目减少。但是,在减小纳米管内管的直径的同时,模拟结束时纳米管中观察到HCP原子层的次数增加了。同时因为在内管直径更小的纳米管中HCP原子层更容易扩展延伸直至形成层错,所以减小纳米管内管的直径会增加纳米管中形成层错的可能性。
【关键词】:级联碰撞 金纳米线 金纳米管 分子动力学 缺陷
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB383.1;O561
【目录】:
  • 致谢5-7
  • 摘要7-9
  • ABSTRACT9-13
  • 第一章 绪论13-40
  • 1.1 研究背景和意义13-15
  • 1.2 研究现状15-39
  • 1.2.1 块体材料中的辐照损伤研究15-26
  • 1.2.2 纳米结构材料中的辐照损伤研究26-39
  • 1.3 本文的研究内容39-40
  • 第二章 分子动力学方法及其实现40-63
  • 2.1 分子动力学方法简介40-43
  • 2.2 时间积分方法43-46
  • 2.2.1 Verlet算法44-45
  • 2.2.2 速度Verlet算法45
  • 2.2.3 积分时间步长45-46
  • 2.3 原子间相互作用势46-50
  • 2.3.1 Lennard-Jones势46-47
  • 2.3.2 嵌入原子势47-49
  • 2.3.3 势函数的截断49-50
  • 2.4 系综原理50-54
  • 2.4.1 系综简介50-51
  • 2.4.2 控温控压技术51-54
  • 2.5 边界条件54-57
  • 2.5.1 周期性边界条件54-55
  • 2.5.2 最小镜像原理55-56
  • 2.5.3 自由边界条件56-57
  • 2.6 模拟结果的分析方法57-60
  • 2.6.1 共近邻方法57-59
  • 2.6.2 维格纳塞茨方法59-60
  • 2.7 LAMMPS介绍60-63
  • 第三章 金纳米线中级联碰撞的分子动力学模拟63-85
  • 3.1 模拟模型设定63-67
  • 3.2 级联碰撞在金纳米线中产生的缺陷67-83
  • 3.2.1 点缺陷68-75
  • 3.2.2 层错75-79
  • 3.2.3 表面凹坑79-83
  • 3.3 本章小结83-85
  • 第四章 金纳米管中级联碰撞的分子动力学模拟85-96
  • 4.1 模拟模型设定85-86
  • 4.2 模拟结果分析与讨论86-94
  • 4.2.1 外径为 8.2 纳米的纳米管86-90
  • 4.2.2 外径为 10.6 纳米的纳米管90-91
  • 4.2.3 外径为 13.8 纳米的纳米管91-94
  • 4.3 本章小结94-96
  • 第五章 总结96-98
  • 参考文献98-104
  • 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文104

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