液态和非晶态铝-半导体合金微观结构的多层次、多尺度分子动力学研究

由铝和半导体元素Si 或Ge 组成的二元非晶态合金，由于其在航天和汽车工业中具有潜在的应用价值，是国内外材料领域里研究的热点问题之一。已有的研究大都局限于实验方面而理论方面的研究相对较少。.本项目将采用多层次（第一性原理方法和近似方法）、多尺度（研究体系的大小）分子动力学方法,研究组分、温度、冷却速度和微量元素掺杂对AlSi、AlGe液态合金的原子扩散机制、局域原子结构有序性以及非晶态的结构和形成能力。. 项目包括三方面的内容：.（1）、组分、温度、冷却速度对AlSi和AlGe的微观结构和体系动力学性质的影响。.（2）、微量元素掺杂对AlSi和AlGe液态和非晶态合金体系的微观结构和动力学性质的影响。. (3)、不同的微观结构和动力学性质对AlSi和AlGe非晶态形成能力的影响。. 通过研究获得影响铝半导体液态合金微观结构的规律及影响非晶态形成能力的因素，为材料的制备提供理论依据。

在国家自然基金委员会的支持下，获得了以下成果：.1.建立了一套分析非晶态材料微观结构的新方法-原子团簇校正法(ACA)。.2.研究了单质金属Al，Zr，Si在不同温度下的微观结构及其随温度的变化规律。对Al，研究了铝快速冷却凝固过程中的局域原子结构。高降温速率导致体系玻璃化，而低降温速率导致体系晶化。基于ACA方法，成功地对纯铝液体的晶化过程给出清晰的描述，存在于体系中的晶核主要由FCC结构构成，晶核临界半径R_c≈7Å；对Zr的研究，利用ACA方法，发现在在Zr体系中在液态条件下，BCC团簇和二十面体(ICO)团簇存在竞争，在过冷液态下，两种短程有序结构存在涨落，BCC团簇阻止了Zr从液态到玻璃态的转变，解释了单质元素无法形成金属玻璃的原因;对Si，利用经典分子动力学和第一性原理分子动力学对Si的液-液相变过程中的微观结构变化和对其电子结构的影响。.3. 研究了二元合金Cu-Si,Ag-Ge, Al-Si 和三元Al-Si-Sr合金在液态和玻璃态条件下的微观结构。对Cu-Si，通过实验和理论两方面研究了Cu80Si20合金金属液体和金属玻璃的微观结构和动力学性质。在液态中，随着温度降低，体系中的类ICO不断增加，而其它晶体团簇短程有序结构则不断减少。利用ACA方法获得FCC团簇是以Cu为中心，原因在于Cu自身具有结晶的倾向，而原子半径较小的Si加入，抑制结晶的趋势。室温下，通过ACA方法，发现纯Cu液体在降温到熔点之下不久后就形成结晶，而Cu80Si20保持ICO短程有序性，证明Si在Cu中增强了体系的玻璃转变能力。对Ag-Ge，研究了Ag74Ge26合金在降温过程中体系的局域原子结构的变化。结果表明短程和中程有序性在降温中得以加强。ACA表明ICOS的增长较BCC、FCC、HCP结构更快，在短程有序中处主导地位。室温时，体系存在Bergman类型的中程有序，以Ge为中心的Bergman团簇造成关联函数第二峰劈裂。对Al-Si和Al-Si-Sr：研究了Sr含量为0.0%，0.5%和4.0%的Al88Si12共晶合金的液态结构，结果表明，由于 Sr与Al和Si具有较强的相互作用，减弱了Si-Si原子之间的相互作用,避免了Si原子的团聚，Sr原子的加入降低了Al和Si原子的扩散系数，有利于玻璃态的形成。.4、发表学术论文10篇，会议论文10篇。.5、培养研究生8名。