液态金属凝固过程中团簇结构的形成与演变特性的分子动力学模拟研究.ppt

数目幻数序列13, 19, 23, 25, 29, 31, 37… 13 19 23 25 29 31 37 二十面体的连结呈非紧密连结的链状、环状或树枝状 幻数团簇由不同数目的二十面体构成 每一个幻数点对应一特定的连结方式，相同数目的二十面体，环状的对应幻数点比链状、树枝状小。 凝固过程团簇幻数 数目幻数序列13, 19, 23, 25, 29, 31, 37… 与由气相沉积、离子溅射等方法形成的团簇不同 Ar：13, 19, 23, 26, 29, 32, 34, 43, 46…. 由二十面体按照满壳层或半充满壳层紧密堆积（基态） 凝固过程团簇幻数 幻数 气相沉积、离子溅射等方法形成的团簇是孤立团簇，只有壳层方式的紧密排列，其基态能才会比较低，团簇自身才能稳定。 液态金属凝固过程形成的团簇，由于体系热涨落和微观结构的不均匀性，团簇的形成具有随机性，并且受周围环境的影响，其结构就会呈现链状、环状或树枝状非紧密排列。 正是二十面体的非紧密排列引起液态金属凝固过程形成的团簇幻数序列与气相沉积、离子溅射等方法形成的团簇幻数序列的不同。 小结1 二十面体原子团簇对Al-Mg合金凝固过程中微观结构的演变起决定性作用； 基于CTIM，描绘出了非晶态金属的结构模型； 液态金属凝固过程中团簇数目呈幻数分布，二十面体的链状、环状或树枝状排列是引起凝固过程团簇幻数序列不同于气相沉积、离子溅射等方法形成的团簇幻数序列的重要原因。 团簇结构的演变特性 跟踪团簇演变的方法 借用Honeycutt and Andersen的思想 164 50% 1.2% 1.2% 3.6% 3.6% 40.4% 没有成团 遗传团簇 遗传性原子 团簇中遗传性原子比例小 不稳定 团簇中遗传性原子大 稳定 实线路径 虚线路径 244 103 临界形核的形成会经历不同路径(trajectory) ; 并且对于不同的路径，临界晶核尺寸会不同,考察所有形核路径后发现，其变化范围为99-244个原子。 经典形核理论预测： 1nm，球形近似大约100个原子 跟踪团簇形核路径 团簇的结构和尺寸共同决定了其是否能成为临界晶核 临界晶核包含亚稳相结构，呈非球形 跟踪形核路径上团簇结构演变 一些实验观察和模拟计算得到的临界晶核结构 小结2 临界形核的形成会经历不同路径(trajectory)，并且对于不同的路径，临界晶核尺寸会不同； 团簇的结构和尺寸共同决定了其是否能成为临界晶核； 临界晶核包含亚稳相结构，呈非球形。 这些结论与经典形核理论看似不一致，但与一些直接试验观察和计算机模拟结果一致。 液态金属凝固过程中团簇结构的形成与演变特性的分子动力学模拟研究 内容提示 研究背景 分子动力学模拟方法 簇团结构描述方法 团簇结构的形成与演变特性 结论 团簇 团簇－－由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体. 空间尺度是1nm至几十nm的范围，介于原子、分子与宏观固体物质之间，是各种物质由原子、分子向大块物质转变的过渡状态。 团簇结构 弄清团簇如何由原子、分子一步一步发展而成（形成）；以及随着这种发展，团簇的结构和性质如何变化，当尺寸多大时候发展成宏观固体（演变），成为团簇科学研究的重要内容。 王广厚 团簇物理学 上海科学技术出版社 2003 团簇结构 现有对团簇的实验研究主要集中在由各种物理、化学方法（如离子溅射、激光蒸发、气动技术、气体放电以及有机金属化学反应等方法）制备出来的团簇上。团簇的检测包括质谱分析和电镜观察等。理论研究中，主要是从第一性原理出发，计算考察团簇的结构和性质。 这类团簇的结构特征－－按一定的方式堆积原子所构成的各种孤立的团簇结构。 液态金属凝固过程中的团簇结构 液态金属中包含不同尺寸的团簇结构 随机密堆积模型（Bernal模型） Bernal多面体 实验上已经探测到液态金属中二十面体团簇结构的存在 K. F. Kelton et al, Phys. Rev. Lett. 90:195504(2003) 液态金属的凝固过程是一个团簇结构不断的形成和长大的过程， 1949年，Turnbull和Fisher在前人研究的基础上，对此凝固过程建立了由宏观热力学参量描述的经典形核理论。 结构起伏 研究液态金属凝固过程团簇结构形成与演变特性的意义 深入理解金属凝固过程微观结构演变机理，控制凝固过程使之向有利方向转化 材料的结构决定其性能 晶界处的Al12Mg17相，会引起高温蠕变 Al2Mg3相的脆性很大 研究液态金属凝固过程团簇结构形成与演变特性的意义 深化对经典形核理论的认识 热学中两种研究方法 热力学 统计方法 模拟方法－－分子动力学方法（MD） 液态金属中团簇结构瞬息万变（结构起伏），实验上难以精确