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金属表面原子和小团簇的扩散研究是表面科学的重要课题之一,对表面上单个吸附原子及二聚物扩散机制以及热动力学的全面理解在基础研究以及技术领域方面都有重要的意义。这些研究不仅让人们更深入地理解原子和团簇与表面之间的相互作用,更有助于实现可控制的晶格和薄膜生长。 本文基于半经验的EAM势,利用分子动力学模拟统计了几种不同温度下三种不同二聚物(Cu2、Ag2和Pd2)在铜衬底(100)、(111)表面上的扩散和解离行为,探讨同质和异质二聚物在Cu表面上扩散和解离的特点;采用分子动力学中的静态计算方法计算了这三种二聚物在扩散和解离过程中的能量势垒,并与动力学模拟、二聚物与衬底的结合能等结果进行了比较,探讨二聚物扩散和解离过程与扩散势垒、结合能、表面性质和温度等的关系。 为理解同质(互溶)和异质(不互溶)以及正失配和负失配对扩散势垒的影响,本文接着采用分子动力学的静态计算方法针对(111)表面上Ag-Cu体系中的所有情况:Ag、Cu和Ag2、Cu2在Ag(111)表面以及Cu(111)表面上的结合能和扩散势垒进行了计算。 本文的主要研究内容及结果如下: 1.通过对三种不同二聚物(Ag2、Cu2和Pd2)在Cu的(100)和(111)表面上的扩散和解离行为的计算和研究,得出如下结论: (1)三种二聚物中与Cu不互溶的Ag2最容易发生解离扩散;二聚物是否容易发生解离扩散还与衬底表面以及温度有关:相比较于(100)表面,二聚物会更容易在(111)表面上解离扩散,温度越高越容易解离。 (2)在跳跃机理下,与Cu互溶的二聚物Pd2在Cu表面上的扩散势垒最大,Cu2次之,与Cu不互溶的Ag2最小。而在交换机理下,与Cu不互溶的二聚物Ag2在Cu表面上的扩散势垒最大,Cu2次之,与Cu互溶的Pd2最小。这一现象可以用二聚物与衬底表面的结合能大小来解释。 (3)在模拟的温度范围内(600K-750K),温度较低时(600K)二聚物在各种表面上均不易发生交换扩散,而倾向于在表面上跳跃扩散;温度较高时(700K、750K)决定扩散机理的不仅仅取决于势垒,还与温度、结合能以及表面结构有关,温度越高越容易发生交换扩散;二聚物与衬底结合能越大,越容易发生交换扩散;表面排布越紧致,越不容易发生交换扩散。 (4)三种二聚物中,在解离前与Cu不互溶的Ag2最容易向前跳跃扩散,同质的Cu2次之,与Cu互溶的Pd2最不容易向前跳跃扩散,二聚物与衬底结合能越大,越不容易向前跳跃扩散,单位时间内扩散得越近。 2.对Ag、Cu和Ag2、Cu2在Ag(111)表面以及Cu(111)表面上的结合能和扩散势垒进行了计算,得出如下结论: (1)在同一衬底表面(Ag(111)面或Cu(111)面)上,不同的吸附原子或二聚物在表面上的扩散势垒似乎和它们与表面的结合能有关,结合能大的对应的跳跃扩散势垒也大,而与吸附原子与衬底互溶或不互溶没有必然关系。 (2)在不同的衬底表面上,单个吸附原子或二聚物的扩散势垒和它们与衬底的匹配关系关联密切。正失配对应的扩散势垒较大,负失配对应的扩散势垒较小。即表面相对于扩散原子的致密程度对扩散势垒有决定性影响。