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cu納米線的拉伸行為研究畢業(yè)論文-資料下載頁

2025-08-18 18:04本頁面

【導讀】將近40%,商用光伏產(chǎn)品中的晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率多在10%左右。工藝的影響,晶體硅電池已經(jīng)很難再提高轉(zhuǎn)換效率或降低成本。從商業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的角。們把目光投向了這種新型的太陽電池。薄膜太陽電池只需幾微米厚就能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)。、和CdTe..等半導體薄膜材料。其中C1GS薄膜因其獨特的優(yōu)異性能而被稱為。硅模件,因而成為各國的研究熱點之一。和現(xiàn)狀,并簡要介紹了計算機模擬方法的理論基礎(chǔ)。計算材料科學……………

  

【正文】 了原子軌跡 ,這一工作使得過去對熱力學性能的定性估計邁向?qū)ξ⒂^過程的定量研究。 1964年 Rahman用 MD方法模擬液體氬 ,同時加進了周期性邊界條件 ,結(jié)果他驚奇地發(fā)現(xiàn)可以用很少的粒子 (864個 )來反映真實系統(tǒng)的熱力學性質(zhì)。自此 ,凝聚態(tài)物質(zhì)的分子動力學模擬成為可能 ,許多研究者紛紛投入這一研究工作。最初應(yīng)用是基于偶函數(shù) ,如 Lennard2Jones勢函數(shù)和 Morse勢函數(shù) ,模型簡單 ,運算量小 ,而得以在材料科學中廣泛應(yīng)用。但由于其未考慮到體積相關(guān)項 ,在研究材料的彈性系數(shù)性質(zhì)和預(yù)言金屬的結(jié)合能及空位形成能時 ,難以獲得準確的結(jié)果。 EAM多體勢主要用于 fcc型金屬及其合金中 ,處理其結(jié)構(gòu)、熱力學、表面、缺陷及液態(tài)金屬等問題 ,也應(yīng)用于 hcp及 bcc型金屬及合金 ,以及半導體 Si。一般 ,MD方法在中型機或微機上進行時 ,由于其內(nèi)存和運算速度的限制 ,模擬研究只能限于 500~ 1000個原子的小系統(tǒng)。因而模擬結(jié)果雖然也能揭示一些微觀結(jié)構(gòu)的特征和規(guī)律 ,但 與實際的大系統(tǒng)情況有較大差異。在并行處理系統(tǒng)上對更大量的原子系統(tǒng)進行模擬研究 ,其結(jié)果必然會接近于實際 ,從而對生產(chǎn)實踐將會更有實際指導意義。 ( 1) 金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu) 在目前實驗條件下 ,液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)及其變化尚很難精確測定。王魯紅等人采用F2S型多體勢描述了 8種 hcp型金屬的液態(tài)微觀結(jié)構(gòu)并與實驗相比較 ,模擬結(jié)果表明 ,Mg、 Co和 Zn的勢函數(shù)可以較好的描述其液態(tài)結(jié)構(gòu) ,Ti和 Zr的勢函數(shù)則不能 。Be和 Ru 的勢函數(shù)描述的液態(tài)結(jié)構(gòu)較為合理 ,Hf則與一般液態(tài)結(jié)構(gòu)特點不一致。李輝等人采用EAM多體 勢模型 ,很好地描述了液態(tài)過渡金屬 Ni的結(jié)構(gòu)變化特性。 劉讓蘇 等 利用分子動力學 方法,對 純鋁熔體在高溫情況下的結(jié)構(gòu)特征 及其在 快速 凝固 條件下 的 微觀 組織 結(jié)構(gòu)的演化特點 進行了詳細研究。 ( 2)高壓相穩(wěn)定性預(yù)測 高壓試驗比較困難 ,但在近自由電子近似下 ,用贗勢理論可以預(yù)測高壓相穩(wěn)定性。金朝暉研究了高壓下 Mg的相變 ,在常壓 Mg以 11012 和 61012K/s 的速度冷卻時獲得hcp結(jié)構(gòu) ,冷卻速度為 1013K/s 時 ,得到非晶結(jié)構(gòu)。在高壓 (45GPa)下 ,Mg以 81012和 51013K/s 的速度冷卻后為 bcc結(jié) 構(gòu) ,冷卻速度為 11014K/s 時可得非晶結(jié)構(gòu)。 ( 3) 熱力學參數(shù)的計算 劉洪波利用 EAM模型幾等體積 MD方法模擬計算 Cu2Ni合金的 Gibbs自由能 ,結(jié)果表明 ,計算的合金混合 Gibbs自由能與實驗值較一致。 ( 4) 薄膜形成過程 薄膜研究是當今科學研究的熱點之一。目前在很多薄膜制備方法中 ,都應(yīng)用了低能離子轟擊技術(shù) ,在這些方法中 ,低能離子 /表面相互作用在控制薄膜的微觀結(jié)構(gòu)方面起著重要作用。由于離子 /表面相互作用發(fā)生在時間間隔小于 1012s內(nèi) ,因而特別適合于用 MD方法對這一過程進行描述。 Sasaki等人使用 Morse勢函數(shù)分別對雙晶態(tài)和納米晶態(tài)鋁的拉伸變形和剪切變形進行了模擬,并分析了溫度和晶態(tài)距離對其斷裂過程的影響。 Kitamura等人對引起鋁微觀斷裂的應(yīng)力轉(zhuǎn)移進行了模擬,此外,他們還研究了在剪切載荷下微裂紋尖端的演化。 Iwaki采用改進的 LJ勢對微機械中的薄膜在拉力的作用下進行了模擬計算,得到在拉力作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。 Wang等人研究了理想晶體在恒定壓力、溫度和非軸向拉伸力作用下的彈性變形和失效力學行為。王廣海 [71]等人用分子動力學的方法模擬了非晶銅的形成過程,研究了非晶銅力學性能的微觀機理,并分析了 快速冷卻的工程中系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。 ( 5) 金屬界面研究 目前有關(guān)界面的 MD研究的不多。羅旋曾對 Ag/N和 Cu/Ni界面在彎曲狀態(tài)下的力學行為作了研究 ,結(jié)果給出的力學性能曲線與宏觀規(guī)律相符合 ,這說明用 MD方法研究界面問題是可行的。 劉浩等人模擬了銅和鋁的擴散焊過程中 CuAl界面的原子擴散規(guī)律,并模擬了尺寸相近的單晶銅,單晶鋁和擴散焊后的 AlCu試件在受單向拉伸時的演化過程。 采用 MD方法進行界面研究是十分有意義的工作 ,尤其是目前正急需解決的金屬 陶瓷界面問題。 ( 6) 凝固及玻璃化轉(zhuǎn)變的模擬 由于實驗 室急冷技術(shù)所能達到的冷卻速度一般 107K/s,對于許多合金和金屬不能達到其玻璃 轉(zhuǎn)化所需的冷卻速度 ,對玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)的研究受到了限制。用 EAM框架下的有效配對勢模擬了 Pd的一級相變及玻璃轉(zhuǎn)化過程 ,得到的熱力學參數(shù)可以同實驗室進行比較 ,還得到了對應(yīng)于結(jié)晶和玻璃轉(zhuǎn)化的冷卻速度。又如 ,常規(guī)的快冷技術(shù)冷卻速度一般 107K/s,無法使 Ni3Al非晶化。王魯紅用計算方法知道在什么情況下能非晶化 ,彌補了實驗的不足。另外 ,MD法還在固液相變、固態(tài)相變、表面能計算、晶體生長等幾個方面得到應(yīng)用。 分子動力學的最新進展 最近 ,第一原理 MD方法正在興起 ,它對經(jīng)典 MD方法產(chǎn)生很大的挑戰(zhàn)。它克服了經(jīng)典MD方法中原子之間相互作用勢不夠精確的缺點。該方法是建立在密度函數(shù)理論和局域密度近似框架下的自洽偽勢模擬方法。經(jīng)典 MD方法只能給出原子 (離子 )的位置以及晶體的結(jié)構(gòu) ,但第一原理 MD方法卻能同時給出晶體結(jié)構(gòu)及基態(tài)性質(zhì)。第一原理分子動力學的應(yīng)用較多的是分子族計算方法中的離散變分 Xa法 ,其在材料科學中的應(yīng)用主要是以下幾個方面 :合金化改善 Ni3Al塑性的電子結(jié)構(gòu)機制 。材料硬度的第一原理標度 。Co3Ti合金的環(huán)境脆性 。Ni/Ni3Al界面結(jié)合的 雜質(zhì)效應(yīng) 。金屬填充碳納米管 。合金元素在金屬間化合物中的替代行為 ??篃岣g鎳基單晶合金的設(shè)計。 龔新高用第一原理 MD方法研究了高溫下正常密度和高密度液體鎵的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。正確地得到了高溫下的液態(tài)鎵的結(jié)構(gòu)因子 ,隨著壓強 (密度 )的增大 ,觀察到結(jié)構(gòu)因子主峰右邊肩膀的逐漸形成 ,這是以前采用其他方法不能得到的。 分子動力學模擬的歷史演變隨著算法的改進和計算機的發(fā)展而發(fā)展的。改進算法 ,提高模擬的速度 。進行大規(guī)模分子動力學方法研究 ,擴大模擬系統(tǒng)中的粒子數(shù) ,減小計算誤差 ,以獲得穩(wěn)定的精確的模擬。第一原理分子動力學模擬方法具有廣 闊的應(yīng)用前景 ,目前還處于發(fā)展階段 ,基礎(chǔ)理論和實際應(yīng)用上的困難尚未得到完全解決 ,有待量子理論學家、材料學家和工程學家的共同合作來解決。 Gulp 軟件在分子動力學模擬中的應(yīng)用 在二十世紀后半期隨著計算機的飛速發(fā)展,在計算機上借助一定的軟件來模擬固體材料的計算材料學逐漸發(fā)展起來。最初人們只是嘗試著通過模擬去計算和解釋實驗上得到的數(shù)據(jù),后來逐步發(fā)展到通過探索材料未知的領(lǐng)域來指導實驗以及自行設(shè)計新材料的更高層次。相應(yīng)地,也就發(fā)展起來了許多用于模擬的軟件。二十世紀 90 年代初期,以英國人 Gale 為首的工作小組 推出了 The General Utility LatticeProgram (GULP) 軟件。 GULP 軟件的主要基礎(chǔ)是力場原理,它主要用來模擬固體材料的性質(zhì)。GULP 軟件不僅集合了其它一些分子動力學軟件(如 PARAPOCS、 DMAREL、 DLPOLY 等)的功能,而且還開發(fā)出了一些新的用于模擬固體材料性能的獨特程序。 GULP 軟件有許多功能,如晶體性質(zhì)的計算,擬合勢函數(shù),過渡態(tài)計算,缺陷計算,表面計算等。這里主要用到的是晶體性質(zhì)的計算和擬合勢函數(shù)的功能。 勢函數(shù)的擬合 擬合原理: GULP 軟件具有通過 擬合能量曲面或材料性質(zhì)來得到未知勢參數(shù)的功能,總體上它提供了兩種途徑。一種方法是:通過擬合第一原理計算的結(jié)果來得到勢參數(shù);另一種方法是:通過擬合可信度高的實驗值來得到勢參數(shù)。判斷擬合質(zhì)量高低的一個重要參數(shù)是平方和值 F。無論用的是那種方法,我們都要用平方和公式去檢驗。具體平方和 F 表示為: ? ?2c d c a b sa llo b s e r v a b leF f f???? 式中 cdcf 和 absf 分別是計算值和已知的用于擬合的數(shù)值; ? 是每一平方項的權(quán)重因子。對每個擬合值來說,它的權(quán)重因子的選取依賴于許多因素,如所計算的數(shù)的重要性及可信賴度,比如說晶體結(jié)構(gòu)就比彈性常數(shù)更重要更可信, 而且彈性常數(shù)是為對勢函數(shù)特別敏感的量,一般獨立的彈性常數(shù)的計算值與標準值符合得很好的情形很少。最后進一步檢驗擬合好壞的一個依據(jù)是被擬合勢參數(shù)的個數(shù)一定要少于用于擬合的標準值的個數(shù)。 擬合能量表面:擬合能量表面是一種較煩瑣的方法。先通過第一原理計算出每個晶體結(jié)構(gòu)的能量然后根據(jù)能量表面擬合勢參數(shù)。通常由勢函數(shù)計算的能量值與第一原 理計算 值有一定的偏差,而 GULP 中設(shè)置了能量修正值解決了這一問題。 普通擬合:普通擬合是經(jīng)驗性擬合中最普遍的一種放方法。具體方法是首先 確定一個能恰當?shù)孛枋霾牧蟽?nèi)部原子之間勢模型,然后通過擬合已知的晶體材料的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、力學性質(zhì)、介電性質(zhì)等的本征信息,得到合理的勢參數(shù)。用于擬合的已知數(shù)據(jù)可以是實驗數(shù)據(jù)也可以是第一原理的計算數(shù)據(jù),但準確性一定要高。 同時擬合:普通擬合的優(yōu)勢是速度快,但擬合精度差。當擬合殼模型勢的時候,我們需要把作用在每個原子上的力最小化。一般情況下我們并不知道殼模型最外層殼的坐標,除非離子被固定在 對稱中心上。過去,人們把殼固定在核上面,這樣做相當于人為地使系統(tǒng)的極化最小化了,導致殼模型的效果降低,因而擬合的效果不佳。對于這種情況 GULP軟件的同時擬合方法可以允許殼位置在擬合中變化。在擬合過程中有兩種方法可以實現(xiàn),一是在擬合過程中在每個點把殼的位置最小化,另一種是添加額外的殼位置坐標參數(shù)作為擬合值。一般擬合結(jié)構(gòu)時,這兩種方法是等價的。而當去擬合其它性質(zhì)時雖然誤差很小,但相對來說第二種方法的準確性低一些。 弛豫擬合:在傳統(tǒng)的擬合過程中,因為每個人在具體擬合結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)及很多實驗數(shù)據(jù)時的判斷標準不同,所以 得到一個好的平方和值 F 并不一定是個好的擬合。對此弛豫擬合的處理方法是在每個點都對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化并計算結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。在這種方法中殼模型自然 很精確,而且無需進行同時擬合。不過這種擬合有時計算量太大,所以可以先進行一般擬合再進行弛豫擬合。 第三章 結(jié)論及分析 參 考 文 獻 [1] The National Technology Roadmap for Semiconductors. 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[15] 金朝輝 . 液態(tài)金屬及合金的理論計算研究 [D] . 北京 :中科院金屬研究所 ,1996. [16] 劉洪波 . 液態(tài)合金微觀結(jié)構(gòu)及熱力學性質(zhì)分子動力學模擬 [D].爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學 ,1996. [17] 羅旋 ,費維棟 .分子動力學模擬中計算元胞尺寸對計算結(jié)果的影響 [J].屬學報 ,1996 ,32 (8) :805. [18] 郭俊梅 ,鄧德國 .鈀在一級相變及玻璃轉(zhuǎn)變過程中的拓撲結(jié)構(gòu) [J].貴金屬 ,1996 ,17 (3) :129. [19] 王魯紅 . 金屬及合金快速凝固過程微觀結(jié)構(gòu)的分子動力學模擬 [D].北京 :中科院金屬研究所 ,1997. [20] 朱小蕾 ,彭
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