金原子纳米团簇反常尺寸效应的分子动力学模拟

摘要

本文就是利用微正则分子动力学方法和原子嵌入模型来研究金原子纳米团簇反常尺寸效应。原子嵌入法是一种被证明了的能够有效处理贵金属转变的统计性质和动力学性质的多体势能模型。之所以选择金纳米团簇作为研究对象主要是因为一方面是不仅有不少理论结果可以参照，而且还有不少实验结果作检验，使研究更有实际价值；另一方面它是一种很重要的纳米材料，通过对它的研究对其他材料的研究有重要的指导意义。 在研究中共模拟了从45至767个原子组成的十四种不同尺寸的团簇的升降温过程。首先产生出各种尺寸的面心立方格子球形团簇，然后使团簇温度从室温(300K)一直升高到熔点以上，接着再从熔点以上降至300K以下，在每个温度上都要使团簇达到平衡状态。在模拟中我们得到了各种尺寸的纳米团簇在不同能量下的温度、势能和结构变化图象。 研究结果表明在模拟的团簇的尺寸范围内：(1)当团簇的原子数目小于90时，团簇的熔点和尺寸不成单调关系，尺寸小的团簇有可能具有更高的熔点，在模拟中Au70的熔点要高于Au80、Au90、Au100、Au120、Au135、Au225的熔点，这说明Au70具有相对稳定的结构，团簇变化少数几个原子就可以使团簇结构发生根本性变化；(2)在尺寸较大(原子数目多于90)的团簇升温过程中观察到负热容，也就是说在熔点附近时，使团簇的能量增加，但是团簇的温度反而降低，这是和大块晶体不同的，小于90个原子的团簇没有观察到负热容现象。存在负热容是因为在熔点附近，当团簇能量增加时，不仅增加的能量全部转化成势能，而且还有一部分动能也转化成势能，动能减少，温度降低；(3)在降温过程中出现结晶温度相对于熔解温度的滞后现象，也就是说结晶温度要小于熔解温度，而在大块晶体中这两者应该是相同的。这种情况说明团簇从有序(固态)转入无序(液态)容易，而从无序到有序较难。并且当团簇的原子数目从120变化到767，尺寸越大，结晶温度和熔解温度的差异也越大。

目录

文摘

英文文摘

1纳米团簇研究概述

1.1引言

1.2纳米材料的主要物理效应

1.3团簇的定义和分类

1.4纳米团簇的研究现状与反常尺寸效应

1.5本文研究的主要问题

2分子动力学模拟方法

2.1引言

2.2分子动力学方法简介

2.3确定原子间相互作用势的原子嵌入法(EAM)

2.4计算程序结构

2.5模拟步骤

3金原子纳米团簇的熔点随尺寸反常变化的模拟研究

3.1引言

3.2模拟结果与分析

3.2.1熔解和冷却过程团簇势能随温度的变化

3.2.2熔点和凝固点的确定及滞后效应

3.2.3各种尺寸的团簇的结构随温度的变化

3.2.4影响模拟结果的主要因素

3.3结论

4金原子纳米团簇的负热容现象的模拟研究

4.1引言

4.2模拟结果与分析

4.3结论

5总结

致谢

参考文献