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不同元素的表面能有或多或少的差异,因此原子偏析行为普遍存在于合金团簇升、降温过程中。原子偏析对团簇结构转变以及稳定结构的形成有重要影响,如原子偏析可引起团簇熔化过程异常,诱导出具有壳层、双晶等异常结构的合金团簇。进而改变团簇性质,使其具有块体材料不具备的异常物理、化学性质。在微电子、光电子和纳米催化等领域具有广泛的潜在应用价值。
原子偏析行为受团簇尺寸、原子数比例、掺入位置等诸多因素影响。本文采用分子动力学方法结合镶嵌原子势模拟了不同初始构型的Cu-X(Pb、W、Co)双金属团簇升、降温过程,采用能量变化、团簇快照、对相关分布函数、HA指数等方法分析原子偏析对团簇的稳定结构及其演变规律、诱导团簇熔化异常特性等,揭示偏析对双金属团簇热力学过程及其微观结构演化的作用机理,为进一步探索控制原子偏析行为诱导具有异常特性的团簇结构奠定理论基础。研究得出以下几点结论:
1.在Cu-Pb和Cu-W团簇升温过程中发现:低表面能原子在升温过程中向外偏析,高表面能原子向内偏析。在偏析过程中,团簇初始结构被破坏,偏析结束后团簇转变为新的稳定结构,同时平均原子能量随温度升高出现异常变化。
2.在进一步的分层掺杂偏析原子的研究中发现原子偏析位置诱导出团簇熔化异常。因此,团簇的异常熔化不仅可以通过双金属团簇的分布来调节,而且还可以通过团簇的成分来进行调节,这为双金属纳米团簇的制备提供理论基础。
3.在(CuCo)309团簇冷却过程中,我们将Cu原子含量为0-100%(增量为10%)的(CuCo)309团簇按0.5 K/ps的速度从2000 K冷却至200 K。采用结构的快照图、对分布函数及HA指数分析分析了200 K时的团簇稳定结构。研究发现:Cu的浓度对Cu-Co冷却后的结构形成有明显影响,10%-20%和50%-90%Cu浓度的(CuCo)309团簇形成了二十面体结构,30%Cu浓度的(CuCo)309团簇为hcp结构,40%Cu浓度的(CuCo)309团簇包含hcp和二十面体两种构型;不同比例的Cu原子偏析引起团簇二十面体结构转变点异常。