【正文】 gher than 176。 twist angle. Subsequently, it increased with increasing twist angle till it reached its highest value at 176。 it then decreased again and finally became almost constant when the twist angle was larger than approximately 20176。 Interface。 Misfit dislocation 目 錄第1章 引言 1 薄膜概述 1 界面概述 1 4 目的及意義 7第2章 分子動力學方法 9 引言 9 10 積分方法 10 原子間的相互作用勢 11 邊界條件 13 溫度、壓力控制方法 14 控溫方法 14 控壓方法 15 分析方法 16 中心對稱參數(shù)（centrosymmetry parameter） 16 徑向分布函數(shù) 17 模擬軟件與可視化 17 小結 18第3章 Fe/Ni雙層膜系統(tǒng)中位錯和界面的相互作用 19 模擬方法 19 結果及討論 20 弛豫后沿厚度方向的勢能分布 20 21 晶體取向的影響 22 bccFe薄膜的變形機理 23 bccFe層的滑移位錯 24 Fe/Ni雙層膜的變形機理 26 Ni層厚度的影響 29 溫度的影響 30 應變率的影響 30 小結 31第4章 Cu(001)/Ni(001)扭轉界面的結合強度 33 模擬模型和方法 33 結果與討論 35 初始失配位錯構型 35 Cu(001)/Ni(001)系統(tǒng)的變形機理 36 Cu層中滑移位錯的變形機理 38 小結 39第5章 總結與展望 41 工作總結 41 工作展望 41參考文獻 43致 謝 48個人簡歷、攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文 49V湘潭大學碩士畢業(yè)論文第1章 引言 薄膜概述薄膜材料通常是指在二維方向上的尺度比另一維方向大很多，在其基體材料上通過化學或物理等方法制備另外一層材料，以達到某種特定功能，如提高斷裂韌性、增加塑性、增加使用壽命, 以及美觀度等等。有很多種薄膜的制備方法[4]，如物理方法中的真空蒸發(fā)、濺射、離子束和離子助、外延膜沉積技術等，以及化學方法中的電鍍、陽極反應沉積法、化學氣相沉積等。薄膜的分類方式有多種[5]。 按層數(shù),有單層膜和多層膜等。目前許多國家都把薄膜材料的研究設為大型研究項目。既而金屬/金屬薄膜材料被廣泛應用于各種結構功能材料中，薄膜材料應用的可靠性和使用壽命很大程度上依賴于薄膜與基體的結合性能，據(jù)統(tǒng)計，日、美、歐共體等國每年國民生產(chǎn)總值的6%~8%[12] 都因材料的疲勞、斷裂、腐蝕、磨損等破壞而損失。對界面結合性能的研究，已經(jīng)是當今具有困惑性和挑戰(zhàn)性的難點問題。另外，隨著近年來高性能計算機的發(fā)展，計算機模擬方法也被越來越廣泛的應用于這一領域。我們稱晶體與空氣或液體接觸的界面為表面。通常應用中的金屬材料，大部分為多晶材料，而非單晶材料。晶界處晶粒從一個位相過渡到另一個位相，晶界把結構相同位相不同的亞晶粒隔開。（221）θ=176。上下兩部分晶粒的晶向不同，交疊在一起，在界面處形成E結構，晶界處為兩邊晶粒的過度狀態(tài)。材料的強度和斷裂等力學行為，如偏聚、晶界擴散，以及晶界處初始滑移位錯的形核等，都受到晶界結構的顯著影響。的晶界結構模型[13]晶界按晶粒間取向差的大小可分為小角度晶界（取向差小于5度）和大角度晶界（向差大于10度）。重合位置點陣模型（CSL）[14]：即在一些特殊位相的晶界處，有一些原子同屬于兩邊晶粒的格點，且自身形成了超晶格點陣模型。設Σ為重合密度的倒數(shù)。 面心立方結構中的（001）面的扭轉晶界[15] 10038度時，重位傾側界面示意圖[15]。顯然，階越小，重合密度就越高，Σ也越小，階中不接觸的原子也越少，即晶界能也較小。時，傾側界面示意圖[15]相界為不同兩相所形成的界面，相鄰兩相不僅取向不同，而且結構、成分也不同。通常將失配度定義為一個量δ，δ= 2|d1 d2|/(d1 + d2)，這里d1, d2分別晶體1和晶體2中原子間的距離。在共格和半共格晶界或是相界面上，由于晶格不匹配，經(jīng)弛豫后，在界面處會形成失配位錯網(wǎng)絡，而這些界面失配位錯網(wǎng)絡對界面的初始滑移位錯的形核和發(fā)射起著決定性作用，從而決定著界面的結合強度。界面既可以阻礙位錯運動，也是位錯的發(fā)射源[1721]。關于位錯與界面的相互作用機理的研究就變得非常有價值和意義。晶體的塑性變形通過位錯滑移來實現(xiàn)，若沒有位錯的運動，變形就不能發(fā)生，位錯滑移通常在特定的滑移系上進行。二十世紀初期，Volterra等人[22]在連續(xù)彈性力學中提出位錯的概念。缺陷的存在對材料各方面性能會產(chǎn)生巨大的影響。但是有時候材料中存在缺陷又會增加其某方面的性能，如在半導體中摻進微量元素來提高其性能，加工增加位錯來使金屬材料強化等。晶體力學性質的微觀理論和位錯有著非常密切的聯(lián)系。近年來，隨著晶體力學性質的微觀理論和實驗的發(fā)展，進而促進了晶體缺陷相關理論的發(fā)展。(a)為刃型位錯模型，從圖中可以看出，有一額外的半原子面終止在晶體中形成一條線缺陷，即位錯線，圖中用符號┴表示。當額外的半原子面在晶體的下半部分時，用┬標示。 (a) 刃型位錯[23] (b) 螺型位錯[24](c) 混合位錯[24] 三種類型位錯示意圖(b)為晶體中螺型位錯的晶體外觀。螺型位錯也是一種線缺陷，(b)中的AB, 即為位錯線，是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界。通常用柏氏矢量來表示晶體滑移的量。(a)中封閉回路MNOPQ，(b)中相應的線路是不封閉的，始點M，終點Q。其中矢量b即代表柏氏矢量。納米尺度的金屬多層膜在屈服應力、塑性、抗腐蝕性能等方面具有特殊的性能[611]。獲得精確工程界面的能力在當今新技術發(fā)展方面扮演著越來越重要的角色[25]。過去幾十年里，分子動力學方法已被廣泛應用于材料科學、物理學、化學、生物學，以及醫(yī)學等領域。已經(jīng)有大量的研究者用分子動力學方法研究晶界和界面處位錯的形核和發(fā)射過程[2634]。然而，大部分這些研究主要關注于同種類型的材料和非扭轉界面，如晶界、FCC/FCC界面。對于FCC/BCC界面有如下：Hoagland等人對非共格的Cu/Nb界面進行了研究[18,37],其主要關注于在二維條件下位錯和界面的相互作用； Wang等人[38]用類似方法更細致地研究了位錯和不同類型界面的相互作用，認為Cu/Nb作為非共格界面系統(tǒng)，界面會阻礙滑移位錯的發(fā)射；更近一點，Shao等人[16]用分子動力學方法研究了Cu/Nb雙層膜的納米壓痕過程，表明此非共格界面對滑移位錯的增殖起到強烈的阻礙作用。這些工作對FCC/BCC界面，以及扭轉界面和扭轉晶界的研究提供了非常寶貴的信息。、目的及意義薄膜材料在當今社會中具有重要的應用價值，目前它已被廣泛應用于航空航天、機械制造、電子技術、光學工程以及計算機工程等各個領域。而界面的結合性能是影響多層膜壽命和可靠性的關鍵指標。即位錯和界面的相互作用機理在薄膜壽命和可靠性方面扮演著關鍵角色。位錯和界面的相互作用機理雖然已經(jīng)有很多科研工作者在研究，但是大部分研究集中在位錯和FCC/FCC界面，以及位錯和晶界間的相互作用，而位錯和FCC/BCC界面，以及位錯和扭轉界面的相互作用機理研究的相對較少。FeNi合金作為一種重要的結構功能材料，由于具有較好的抗腐蝕性能、斷裂韌性，以及較好的塑性[42,43]，而被廣泛應用于許多領域。研究思路是首先建立Fe/Ni雙層膜模型和Cu/Ni扭轉界面薄膜模型。Fe/Ni雙層膜采用側向拉伸，拉伸應力僅應用于Fe薄膜一側。研究了弛豫后界面的初始失配位錯網(wǎng)絡，以及其對界面位錯的形核和發(fā)射的影響，進而對界面結合性能的影響，以揭示位錯和界面的相互作用機理。本文研究的意義在于用分子模擬來研究金屬/金屬薄膜材料界面的結合性能，揭示界面位錯的微觀演化機理，為實驗和理論研究金屬/金屬薄膜材料界面結合性能提供一定的支持和幫助，使之為人們更好的服務。由于宏觀物質是由無可計數(shù)的原子、分子構成，處理起來十分復雜，甚至超越了人的計算能力，以致處理起來十分復雜。計算模擬是化學、材料學、醫(yī)學、生物學等多個領域的交叉學科，是一門正在蓬勃發(fā)展的新興學科，是利用一定的算法結合相關計算機模擬軟件對物質的組成、微觀結構、性能以及服役性能進行計算模擬與設計的學科。近年來，分子動力學模擬已成為納米領域研究最常用的計算方法。計算機實驗在當今科學研究領域扮演著重要角色。其中，蒙特卡洛方法是研究隨即性問題最有效的方法，可以研究材料介觀尺度問題。有限元則是研究宏觀尺寸的有效方法。模擬有時是一種理論，但有時又是一種實驗。計算機模擬、理論研究和實驗研究三者相互聯(lián)系，相互補充，相互促進，共同推動著科學技術的發(fā)展。鑒于計算機模擬的優(yōu)點，本文使用分子動力學方法來研究位錯和Fe/Ni界面的相互作用機理，以及Cu/Ni界面的結合強度。 積分方法常用的積分方法有Velet算法、Leap Frog算法、VelocityVerlet算法和Beeman算法等。： () ()式中r代表位移，v代表速度，a代表加速度，t代表時間。 ()。（2） Leap Frog算法LeapFrog算法[46]，即蛙跳算法。但其缺點是位置和速度不是同步的。其表達式如下： () () 在VelocityVerlet算法中前一個時刻的速度、力和位置需要被儲存。 原子間的相互作用勢在分子動力學模擬中，勢函數(shù)是影響計算結果的關鍵因素之一，其決定著計算結果能否準確地反映實際材料的性質。勢函數(shù)的準確性決定著分子動力學模擬的精度。(1) LennardJones（LJ）勢[49]： ()式中ε為能量參數(shù)，rij為原子i和原子j之間的距離，σ為長度參數(shù)。(2) Morse勢[50]： ()式中A、α、r0分別是結合能，調(diào)節(jié)參數(shù)和平衡間距，這三個值都是取經(jīng)驗參數(shù)。(3) Johnson勢[51] ()αFe常用Johnson勢函數(shù)來描述。常見的多體勢有嵌入原子法、StillingerWeber勢、FinnisSinclair勢等。EMA勢可以處理各種各樣的金屬體系，其中包括斷裂、表面、雜質，以及合金等體系。第二項Fi即嵌入能，是電子密度ρi的函數(shù)，代表多體相互作用。(2) StillingerWeber勢[53]StillingerWeber勢常用于描述半導體材料。截斷半徑的選取是為計算方便，因為當距離非常遠時，原子間的相互作用勢非常小，趨近于零，當截斷半徑取得越大，結果越精確，但計算量也越大。(3) FinnisSinclair勢[54]以合金屬能帶緊束縛理論為基礎而發(fā)展的FinnisSinclair勢，給出了詳細的多體作用勢。Ak、Rk、ak、rk為常數(shù)，且有R1R2，r1r2…r6。 邊界條件選取合適的邊界條件，對分子動力學模擬非常重要。當模擬大塊體時，需使用三維周期性邊界條件；當模擬薄膜材料時，需使用二維周期性邊界條件，如取X、Y方向為周期性邊界條件，Z方向為自由邊界條件；當模擬納米線時，可選取一維周期性邊界條件，如取Z軸方向為周期性邊界條件，X、Y方向為自由邊界條件；有時又需使用混合邊界條件，即幾種邊界條件的組合。由于實際的宏觀物質由無可計數(shù)的原子、分子組成，而計算機的計算能力又有限，所以為了進行模擬，就必須采用周期性邊界條件。即如果在盒子中位置r處有一粒子。所有這些鏡像粒子一起運動，但實際在計算程序中的只有一個粒子。 分子動力學元胞三維周期性邊界的二維圖示 溫度、壓力控制方法在分子動力學模擬中，我們往往要考慮模擬系統(tǒng)是否與外界發(fā)生作用，如溫度、壓力等。如在NVT系綜下需要控制原子數(shù)N、體積V、溫度T保持不變。 控溫方法在NVT、NPT系綜下，甚至NVE系綜下，我們期望模擬體系溫度保持恒定不變。溫度控制方法通常有速度標度法、Berendsen熱浴法和Nos233。(1) 速度標度法[55]，故可通過對速度進行標度進而達到控制溫度的目的。(2) Berendsen熱浴法[56]Berendsen熱浴法是假想系統(tǒng)和一熱浴相接觸。（3）Nos233。Hoover控溫方法中，一恒定溫度的熱浴與體系相耦合。（1）Berendsen壓浴法[59]Berendsen壓浴法是通過對體積乘以標度因子Cp，來通過控制系統(tǒng)體積來實現(xiàn)對壓力的控制。 () 式中，P(t) 和Pbath分別為系統(tǒng)在t時刻的瞬時壓力和期望壓力；k和tP為耦合參數(shù)。 活塞法調(diào)節(jié)壓力 分析方法 中心對稱參數(shù)（centrosymmetry parameter）為了可視化晶體缺陷，特別是位錯的形核和發(fā)射過程，我們需要在晶體中可靠的確定這種缺陷結構的位置。本文采用Kelchner等人[61]介紹的中心對稱參數(shù)方法。其定義為： ()這里 α 為近鄰原子對數(shù)。Ri 和Ri+α為晶體中對稱的矢量。當晶體中存在缺陷時，晶體的對稱性被打亂，此時P值就大于零，晶體的對稱性破壞越嚴重其P值就越大。如對于低溫下FCC結構的Cu晶體中，其對應原子為部分位錯和堆垛層錯，其對應原子為表面原子。 徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù)[62](Radial distribution f