玻璃态金属氧化物(ZrO<,2>，GeO<,2>)结构及空位分析：分子动力学模拟

• 作 者: 李婷
• 机 构: 北京化工大学
• 出 处: 北京化工大学
• 发表日期: 2009年期
• 关键词: 璃态金属氧化物 氧化锆 氧化锗 玻璃态结构 空位半径 分子动力学模拟

氧化锆（ZrO2）因其优良的物理、化学性质，被广泛的应用于特种陶瓷、电子材料、固体氧化物燃料电池等领域；高温下，ZrO2具有优良的氧离子导电性，导电机理尚不明确；同时，在工业生产ZrO2薄膜的过程中，非晶态ZrO2低温下易重结晶，如何提高其重结晶温度也成为研究热点之一。
GeO2因其具有与SiO2相似的结构，并且二者同时是存在与自然界中的天然的玻璃态结构，同时，GeO2在高压下会经历独特的压力诱导的相变。
我们用MD模拟，采用“熔融-急冷”技术产生并计算了玻璃态ZrO2的结构。在以0．1K/ps的急冷过程中，基于势能、平均配位数随温度的变化，得出结论：ZrO2玻璃态相变发生在2200～2000K区间。
我们采用Gianluca Malavasi等人的空位算法，结果显示，2200K与2000K的体系比液态与玻璃态ZrO2更加松散。α-ZrO2的空位分布（Ri）呈双峰分布，最高峰值半径为0．8A；l-ZrO2的空位分布呈单峰分布，峰值对应的空位半径较大，说明液态比玻璃态结构更松散。我们用瓶颈半径（Rb）分析了空位及粒子间通道的大小，玻璃态结构的最大概率Rb值为0．8A，最大的通道半径为2．2A。空隙率计算显示，液态与玻璃态具有更大的空隙率，而在玻璃态相变区域，空隙率较小。
我们采用分子动力学模拟分析了压力诱导的结构相变及空位结构变化，压力由1GPa，以2GPa为间隔，最终加压至25GPa。结果显示，结构变化为渐变过程，即四配位、五配位、六配位结构并存。体系密度变化及四面体内部键角∠O-Ge-O的变化表明，当压力低于5GPa时，体系结构变化主要是四面体的形变。四面体向六面体结构转变的结构相变发生在13～15GPa。Ri、Riw、Rb均随着压力升高而减小，并且体系中的通道半径由3．9 A（1GPa）减小为1．2 A（25GPa）。