WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 3 Компьютерное моделирование межузельных атомов в двумерных нанокристаллах © В.А. Лагунов, А.Б. Синани Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: alfred@mdlab.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 19 апреля 2002 г.

В окончательной редакции 15 августа 2002 г.) Метод молекулярной динамики применен для исследования выхода межузельных атомов на свободную грань двумерного нанокристалла. Обнаружены два новых типа координации дефекта „межузельный атом“:

симметричная координация „трилистника“ и линейная координация сжатых атомов. Показано, что при линейной координации в двумерной кристаллической решетке возникает дислокационный диполь. Он характеризуется высокой подвижностью, способствующей выходу межузельного атома к свободной грани кристалла. В компьютерном эксперименте исследованы случаи перехода межузельного атома от одного типа координации к другому в зависимости от температуры кристалла.

Известно, что точечные дефекты (вакансии и меж- ным 0.002 T, где T — пероид собственных решеточных узельные атомы) существенно влияют на механическое колебаний атомов в двумерном кристалле.

поведение кристаллов [1–2]. Однако до настоящего На рис. 1 показано изменение во времени минивремени теоретические исследования ограничивались мального межатомного расстояния между внедряемым созданием правдоподобных моделей дефектов и на этой атомом и атомами матрицы кристалла в начальной фазе основе расчетом энергий их образования и движения образования дефекта „межузельный атом“. Величина в кристаллической решетке. Кроме того, сравнительно этого промежутка в релаксированном состоянии дефекта мало работ по компьютерному моделированию подоб- близка к 0.9 от равновесного межатомного расстояных дефектов, изменению их конфигурации во времени ния a. Рисунок свидетельствует о быстрой релаксации при различных температурах.

моделируемого дефекта за время порядка нескольких долей T, при этом используемый метод КИР, как видно, В данной работе межузельные атомы моделируются эффективно снимает проявление волновых процессов в кристаллах, между частицами которых действуют в кристалле.

силы парного взаимодействия Леннарда-Джонса. Программа [3] позволяет с большой точностью вычислять Релаксированная конфигурация полученного дефекта потенциальную энергию кристалла, а следовательно и показана на рис. 2, a. Для наглядности здесь в момент энегию образования межузельных атомов, являющуюся времени t = 4 (время t дано в периодах собственных малой долей всей энергии кристалла. Она позволяет решеточных колебаний) приведено только окружение следить за изменением дефектов во времени, а разрабо- межузельного атома в малой окрестности кристалла.

таннная в [4] методика глубокого охлаждения образцов в квазиизотермическом режиме (КИР), при котором кинетическая энергия атомов удаляется из кристалла всякий раз после достижения максимального ее значения, позволяет проводить компьютерные эксперименты для температур, близких к нулю.

Рассмотрим моделирование в двумерном кристалле одиночного точечного дефекта „межузельный атом“.

Вначале внедряемый атом помещается в одно из междоузлий кристаллической решетки, затем в КИР определяется его релаксированное состояние, т. е. состояние, когда в кристалле с заданной точностью прекращается движение атомов и стабилизируются их положения.

Из-за большой величины силы Леннарда–Джонса между межузельным атомом и атомами решетки в первый момент внедрения, определенной вероятности вылета атома за пределы кристаллической решетки, вычисления Рис. 1. Изменение во времени межатомного расстояния межв соответствии с [5] проводились с уменьшенным на ду атомами внедрения и матрицы при создании межузельного порядок шагом интегрирования t. Он принят рав- атома.

Компьютерное моделирование межузельных атомов в двумерных нанокристаллах Самопроизвольно возникающий в компьютерном эксперименте линейный тип координации межузельного атома показан на рис. 2, b. На нем приведена конфигурация дефекта в начале его движения. В этом случае образуется кооперативная форма, когда в одном из трех пересекающихся рядов атомов двумерного кристалла возникает достаточно протяженная группа плотно упакованных атомов. На дислокационном языке такой дефект можно рассматривать как дислокационный диРис. 2. Типы координации дефекта „межузельный атом“: a — поль, состоящий из двух дислокаций противоположного координация „трилистника“, b — „линейная“ координация, знака, движущихся в одну сторону. Линии скольжения c — координация „гантели“.

этих дислокаций смещены относительно друг друга на одно межатомное расстояние. Возникающая конфигурация отличается очень высокой подвижностью. Даже при низкой температуре начинается ее движение в сторону ближайшего края кристалла, что приводит в конечном итоге к быстрому „выносу“ межузельного атома на свободную границу кристалла.

Движение дефекта „межузельный атом“ к свободному краю образца при низкой температуре, когда по методике КИР вся кинетическая энергия атомов удалялась из кристалла в моменты достижения ею максимального значения, демонстрируют кадры рис. 3. На них приведены значения времени (в периодах решеточных колебаний) от начала эксперимента, внедренный атом обозначен светлой точкой. Распределение межатомных расстояний в трех соседних рядах атомов показано на рис. 4. На кривых атомам области сжатия соответствуют темные, а атомам областей разрежения — светлые точки.

Как видно из рисунка, зона сжатия включает 8-9 атомов на уровне ее полуширины, а зона разрежения значительно уже, она составляет примерно два–три меж атомных промежутка. При этом в случае неподвижного Рис. 3. Кинограмма движения дефекта „межузельный атом“ дефекта наблюдается треугольная форма распределения при низкой температуре.

деформации в зоне сжатия атомов. Как видно, дислокации при движении начинают расходиться. Обращает на себя внимание разная скорость распространения зон разрежения двух дислокаций, о чем свидетельствует Как видно, в плотноупакованной решетке внедренный изменение во времени расстояния между максимумами атом вместе с тремя атомами матрицы образует звезв рядах атомов зон разрежения. Скорость распрострадообразный комплекс третьего порядка симметрии — нения зоны сжатия атомов близка к половине суммы „трилистник“, выделенный на рисунке более темным скоростей разрежения.

цветом. При этом центральный атом комплекса имеет В компьютерных экспериментах регистрировалась окружение третьей координации, крайние его атомы — с высокой точностью потенциальная энерия всего крипятой координации, а ближайшие к нему три атома сталла; ее изменение во времени, исключая корот„хорошего“ кристалла имеют в своем окружении семь кое время внедрения межузельного атома, показано на атомов.

рис. 5. На нем зафиксировано снижение потенциальной Дефект такой конфигурации малоподвижен в облаэнергии кристалла за время от t = 20 до 40 синхронно сти низких температур, что подтвердили компьютерные с выходом из кристалла межузельного атома, наблюдаеэксперименты при внедрении атома вблизи цетральной мым на рис. 3, 4. По данным рис. 5, энергия образования области кристалла. Однако при заметной асимметрии межузельного атома в двумерном кристалле составлярасположения внедряемого атома относительно свобод- ет 11.9 энергий диссоциации D.

ных краев образца, когда в окрестность зоны внедрения Представляло интерес выяснить, как влияет темпераприходил отраженный от поверхности некомпенсиро- тура на кинетику движения межузельного атома. Для ванный упругий импульс достаточной величины, дефект этих опытов была приготовлена отрелаксированная за трансформировался в другую линейную конфигурацию. время t = 4 конфигурация межузельного атома, поФизика твердого тела, 2003, том 45, вып. 544 В.А. Лагунов, А.Б. Синани Рис. 4. Кривые распределения межатомного расстояния в трех соседних рядах атомов при низкой температуре.

лученная при таком расположении дефекта, когда он рис. 7 показано изменение во времени с интервалом оставался неподвижным при глубоком охлаждении кри- t = 0.1 T координаты Y наиболее сжатого атома при сталла. Далее всему кристаллу сообщалась заданная ки- трех различных начальных температурах кристалла.

нетическая энергия, которая распределялась по атомам Для выяснения причин сильного разброса кривых, в соответствии со случайным статистическим распреде- особенно в случае повышенных температур испытания, лением. Компьютерные опыты проводились в режиме на этом же рисунке даны фрагменты кривых при высоизоляции от внешней среды, на конечном этапе вклю- ком разрешении во времени малых временных участков, на которых хорошо видны характерные особенности чался режим глубокого ожлаждения образца (КИР).

движения межузельного атома при трех температуПосле ввода кинетической энергии в образец ее рах. Они показывают, что в случае нулевой начальной среднее значение вследствие ангармонизма сил парного температуры (кривая 1) межузельный атом „скачет“ взаимодействия в кристалле составляло примерно 0.примерно один раз за время решеточного колебания и от первоначальной кинетической энергии, а не 0.5, как примерно 6-8 десятых периода „стоит“ на месте. При в случае гармонического кристалла. На рис. 6 дана повышенных же температурах (кривые 2 и 3), как видно, кинограмма процесса движения дефекта „межузельный атом“ к свободному краю образца при средней начальной кинетической энергии атомов (K0) 0.1 от энергии диссоциации D. На этом рисунке показана только часть кристалла, внедренный атом обозначен крестиком.

При разогреве кристалла, помимо направленного движения дефекта в сторону ближайшего края кристалла, возникает возможность диффузионного хаотического перескока „межузельного“ атома. Такие случаи зафиксированы между кадрами 1 и 3, однако в дальнейшем наблюдался переход к линейному типу координации дефекта и его быстрый выход на боковую грань кристалла атермическим путем.

Поиск наиболее сжатого атома кристалла производился специально разработанной процедурой, которая обнаруживает местоположение межузельного атома на достаточном расстоянии от свободной грани кристалла, Рис. 5. Изменение потенциальной энергии нанокристалла при пока он находился между двумя дислокациями. На движении межузельного атома.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Компьютерное моделирование межузельных атомов в двумерных нанокристаллах последней стадии средняя скорость дефекта, согласно рис. 7 составляет 0.5–0.8 a за один период решеточного колебания. При этом более высокая скорость, порядка 1.0 a/T, наблюдалась на последнем этапе „выхода“ межузельного атома при нулевой начальной температуре в неискаженной тепловым движением кристаллической решетке.

Разработанная процедура позволяет восстановить также и траекторию движения межузельного атома в кристаллической решетке путем замены параметрических зависимостей x(t) и y(t) явной зависимостью y(x). На рис. 8 приведена подобная траектория в случае средней начальной кинетической энергии атомов кристалла, равной 0.2 D. На нем для удобства указаны метки времени в виде светлых крестиков на темном фоне черех пять периодов решеточных колебаний атомов, дающие информацию о местоположении дефекта. Рисунок показывает, что в случае теплового движения атомов перемещение межузельного атома по решетке носит характер движения „броуновской“ частицы, непредсказуемо меРис. 6. Кинограмма движения дефекта „межузельный атом“ няющей направление и скорость своего движения. При при K0 = 0.1 D.

t 16 и 40 появляется определенная направленность = в движении дефекта, которую можно связать с превращением межузельного атома в дислокационный диполь, наблюдавшийся при низкой температуре (рис. 3).

наблюдается перемещение позиции наиболее сжатого Движение дефекта „межузельный атом“ и его атома в группе из 4–6 атомов в двух противоположных направлениях, что является основной причиной наблю- трансформация при смене направления движения даемого разброса. линейной координации дефекта показана на кинограмме Данные рис. 7 показывают, что при повышении темпе- рис. 9 (кадры 1–3 и 4–6). Кадры получены в выбранные ратуры кристалла происходит более замедленный выход моменты времени в результате специальной следящей межузельного атома на свободную грань кристалла. На процедуры и вывления односвязной группы атомов Рис. 7. Кривые изменения во времени координаты Y наиболее сжатого атома при разных температурах. 1 — K0 = 0, кривая снята методом КИР, 2 — K0 = 0.1 D, 3 — K0 = 0.2 D.

11 Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 546 В.А. Лагунов, А.Б. Синани с заданной степенью сжатия; светлыми точками помечена пара наиболее сжатых атомов, темными кружками — атомы, имеющие соседей с деформацией сжатия межатомного расстояния более половины от максимального, а крестиками — начальная позиция внедренного атома.

Анализ всех данных показал, что на участках прямолинейного движения дефекта (рис. 8) межузельный атом находится в линейной координации в сильно сжатом Рис. 9. Кинограмма движения дефекта „межузельный атом“ при K0 = 0.2 D.

прямолинейном ряде атомов вместе с сопутствующим дислокационным диполем. Кинограмма на рис. 9 свидетельствует, во-первых, о больших размерах вызванного межузельным атомом поля искажения, которое в случае прямолинейного движения дефекта при повышенной температуре ограничивается в основном одним рядом атомов, во-вторых, о быстром (за один–два решеточных колебания) превращении линейной координации (дислокационного диполя) в точечный дефект и обратном его превращении при изменении направления движения и, в третьих, о коротком времени существовании описанной в литературе [1] еще одной точечной конфигурации межузельного атома — „гантели“ (рис. 2, c). Как видно из рис. 2, c и 9 (кадр 5), подобная конфигурация является своеобразной суперпозицией двух сильно сжатых „трилистников“ с общим лучом. Конфигурация крайне неустойчива, наблюдается менее периода решеточных колебаний в момент перехода межузельного атома из одного ряда атомов в другой.

Такой образом, „межузельный атом“ в двумерной решетке достаточно малоподвижен и лишь при высокой Рис. 8. Траектория движения дефекта „межузельный атом“ при K0 = 0.2 D. температуре становится подобен „броуновской“ частице.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Компьютерное моделирование межузельных атомов в двумерных нанокристаллах Однако его конфигурация может легко трансформироваться в дислокационный диполь, способный даже при низкой температуре обеспечить направленное движение дефекта к границе кристалла. При повышении температуры возникает вероятность прямых и обратных переходов „точечный дефект дислокационный диполь“, приводящих к изменению направления скольжения линейных дефектов. Важно подчеркнуть, что, хотя тепловое движение увеличивает подвижность дефекта, время его выхода на свободную грань кристалла возрастает за счет „броуновской“ составляющей траектории его движения.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.