纳米金属液滴表面/界面结构及对结晶过程的影响

本项目拟采用分子动力学模拟方法研究纳米金属液滴的表面、界面层结构及其对结晶过程的影响。模拟金属Al、过渡金属Ni、半导体Si以及Ni-Si、Al-Si合金等纳米液滴的形核结晶过程，验证表面形核机制。通过计算形核率，分析自由表面相对液滴形核、结晶的影响规律，提出纳米液滴形核和结晶的理论模型；采用分子动力学方法研究Ga、Pb、PbSn和BiGa等液滴在Si和过渡金属基底上形成的液/固界面结构特征，探索各类液/固界面有序结构的形成过程与选择机制，揭示晶态基底与液滴界面层之间在结构和热力学等方面的内在联系；模拟在液/固界面环境下上述液滴的形核、结晶过程，分析界面有序结构对液滴结晶行为的影响。通过以上研究，加深对纳米量级液滴的均质与非均质形核和结晶过程的认识与理解，为材料科学、生命科学和微纳米流体等相关研究领域的实验研究提供理论支持。

结晶是重要的相变过程之一，控制结晶过程对于材料性能的改进和新材料的研制都具有重要意义。当前的材料科学发展中，低维材料越来越引起研究者的关注。薄膜和颗粒体系中表面和界面对结晶过程的影响凸现出来，但表面和界面环境下的结晶规律及其影响机制仍然有许多待解决问题。本项目针对以上问题，对金属、半导体和非金属体系中表面、界面环境对结晶过程的影响进行研究，主要研究内容包括以下两部分：. （1）金属系统中表面、界面对结晶过程的影响机制。采用分子动力学方法模拟了Ni-Si合金液滴结晶机制，发现形核优先在表面发生。研究发现表面附近密度分布出现明显层化现象。伴随着密度层化，应力分布出现层化，这直接导致表面张力随温度降低而降低的反常行为，这是导致表面优先形核的主要原因。进一步研究表明表面形核后并没有诱发随后的晶体生长，而液滴整体的结晶仍然从内部均质形核开始。类似的应力层化对结晶过程的影响进一步在Cu-Zr合金的晶体生长过程中得到验证。分子动力学模拟表明，和一些纯金属和Ni-Si，Ni-Al二元合金体系相比较，CuZr合金液固界面前沿强烈的应力层化导致形成一个慢扩散层，从而造成CuZr合金极慢的晶体生长速率，这也为CuZr合金具有较高的非晶形成能力提供了新的解释。综合研究结果，对于金属体系，表面、界面对结晶的影响主要在动力学方面而不是热力学方面。. （2）液态Si和水中表面、界面对结晶过程的影响。我们首次提出液态Si薄膜和液滴的形核呈现波动分布，这种分布规律与受限环境中密度波动引起的有序结构波动有密切关系。研究明确给出了形核分布的解析描述，这为持续多年的关于表面触发液态Si和水结晶的争论给出全面的解释。该解释与我们水膜形核率的计算结果相符。我们发现水膜形核率随着薄膜厚度的减小而降低，表面的存在并不有利于结晶的发生。此外，我们在高负压强环境下，首次通过分子动力学模拟实现了Si笼状晶Si136的均质形核结晶，发现这种开放结构的晶体的形核是以二维方式进行的，而不是通常的形成三维临界晶体的方式。. 本项目针对表面、界面对液态金属和液态四面体体系结晶的影响机制进行了深入研究，得到了一批新的理论成果。这些结果对于认识低维体系的结晶规律具有重要的理论意义，也为相关材料的制备和改性提供了理论指导。项目完成了预定目标，部分研究仍在延续并有望发表。