金属玻璃Cu64Zr36短程序到中程序的分子动力学研究外文翻译资料

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合金和化合物杂志

金属玻璃Cu₆₄Zr₃₆短程序到中程序的分子动力学研究

文章信息：文章历史

2011年2月15日 收到

2011年5月16日 收到修订后的形式

2011年5月18日 接受

2011年6月13日 网上发布

关键词：

金属玻璃

原子尺度结构

分子动力学模拟

摘要：

对金属玻璃来说，团簇堆积方式主要解决低溶质浓度状态并且它无法解决超出几个团簇范围的长度问题。在目前的工作中，短中程序Cu₆₄Zr₃₆金属玻璃研究使用大规模原子/分子并行模拟器，从核壳结构的角度而非从团簇堆积的角度出发。在前三个配位层中,第n级配位壳内的原子总数分别是13 、61和169。并且第n个配位层上原子数为12n²。除此之外,基本的原子结构可以从中央二十面体获得12 n²原子的外壳包围。从第四配位层,原子的总数分别是307、561和924,与在二十面体壳上的结构一致。我们的发现表明,对一切Cu-Zr二元系中最优的玻璃形成体来说,基本的原子结构在短程和中程长度上，尺度都有二十面体壳结构的特点。

1，引言

先前的研究显示,溶质为中心的团簇而不是单个的原子，可以被视为基本的局域结构模式或短程序金属玻璃(MGs）[1-7]。理想化的团簇堆积方式,如高效团簇堆积在一个立方晶格[8]和二十面体准晶体堆积[6],已经被提出并提供在金属玻璃中程序下的最初观点。然而,这些解决的团簇堆积方式主要是低溶质浓度状态。此外,这些堆积方式在超出几个长度范围的团簇问题上实效[10]。

在目前的工作,我们从核壳结构而非团簇堆积的角度阐明Cu₆₄Zr₃₆金属玻璃短程序以及中程序的本质。长度范围从第一到第六配位层达到15.3Aring;，在前三个配位层中,在第n级配位壳内的原子总数N事实上是13、61和169。并且第n个原子数量配位层的原子数是12 n²。此外,我们认识到中等范围内的基本原子结构可以从外壳包围12 n²原子的中央二十面体获得。从第四配位层上，原子的总数和其在一个二十面体壳结构是一致的。我们的研究表明,基本的原子结构在良好的玻璃形成体在短程和中程长度尺度都有二十面体壳结构的特点。

1. 模型系统

分子动力学(MD)模拟进行了基于嵌入原子法(EAM)势能正则系综(NVT)使用大规模原子/分子并行模拟器(LAMMPS)代码[11、12]。一个包含16000原子的超级晶胞在周期性边界条件下(PBC)用于系统模型。超级晶胞的体积固定是为了产生实验密度。为了模拟给定成分的无序合金与,我们在初始B2结构(Cu₅₀Zr₅₀)中随机取代适量的铜(锆)与相同数量的原子(铜)锆原子。NVT MD模拟进行,在一个温度范围从0到3200 K,100 K的步长. 时间步长使用1 fs。在每个温度确定性质的MD模拟时间是20 ps。然后我们在NVT系综下冷却系统淬火率为10 K / ps从3200 K到300 K的步长为100 K 。最后超晶胞体积相应调整为零的外部压力和由此产生的结构进一步优化使用共轭梯度法获得内在结构。利用泰森多边形法多面体[13],通过整理每个原子的最近邻环境的原子种类存在分析了固有的结构。最后检查玻璃结构的密度与实验值比较误差在1%。

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图1所示。Cu₆₄Zr₃₆ MG在第一配位层内的短程序在。(a) MD模拟得到的Cu₆₄Zr₃₆金属玻璃结构(16000 -原子) 。(b) Cu₆₄Zr₃₆总PDF。(c)和(d)分别具有不同尺寸和成分的各种团簇的数量。(e) Cu₈Zr₅基本团簇的多面体类型分布。(f) Cu₈Zr₅多面体团簇(红色:铜、和灰色:Zr)的代表模式。(解释引用的颜色在这个图例中,读者可以参考web版本的文章。)

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3.结果与讨论

一个典型的三维原子组态原子(16000 -)Cu₆₄Zr₃₆MG是图1所示(a)由此产生的总对分布函数(PDF)图1(b)所示。可以看到,第二个高峰表现出明显的分裂,指示玻璃结构中短程序的演变 [14]。截断距离的第n个配位层是表1所示[10]。图1(c)显示在第一配位层里不同大小的团簇数量分布。很明显, 原子数= 13的基本团簇数量最多。为了进一步检查局部结构、第一配位层的不同团簇数量如图1(d)所示。列出了五个数量最多的团簇。发现在第一配位层中Cu₈Zr₅基本团簇数量最多。然后多面体类型Cu₈Zr₅基本团簇分布如图1(e)所示。大多数Cu₈Zr₅基本团簇是指数为lt;0,0,12,0gt;的完整的二十面体的形式。Cu8Zr5多面体团簇具有代表性的模式如图1(f)所示。

表1第n级配位层的截断距离

图2所示。第二配位层内Cu₆₄Zr₃₆ MG的中程序。(a)和(b) 分别具有不同尺寸和成分的各种超级团簇的数量分布.(c)和(d) 基本超级团簇Cu₃₉Zr₂₂分别按照多面体类型和团簇类型核心结构的分布。(e)超级团簇Cu₃₉Zr₂₂的典型样式。

我们下一个处理Cu₆₄Zr₃₆中程序。图2(a)和(b)显示第二配位层中各种超级团簇的数量分布,分别按照尺寸和成分划分。发现第二配位层内具有原子数= 61的基本超级团簇占主导和数量最多的超级团簇是Cu₃₉Zr₂₂。而这个超级团簇的形成可以恢复块体的化学计量比。图2(c)和(d)显示分别按照多面体类型和团簇类型划分的超级团簇Cu₃₉Zr₂₂核心结构的分布。完整的二十面体lt;0,0,12,0gt;是最丰富的多面体核心结构,核心结构里数量最多的团簇是Cu₈Zr₅。典型样式的超级团簇Cu₃₉Zr₂₂如图2(e)所示其中原子壳外部原子用小球体表示。

第三配位层中详细的原子结构如图3所示。图3(a)和(b)显示分别按照尺寸和成分划分的不同超级团簇数量分布。。第三配位层内, 具有原子数= 169的基本超级团簇占主导地位,数量最多超级团簇为 Cu₁₀₈Zr₆₁。超级团簇Cu₁₀₈Zr₆₁的代表样式如图3(c)所示。

基于上述分析从第一到第三配位层,发现在金属玻璃中原子堆积遵循一些规则。N配位层内的原子总数N是,事实上,13,61和169。而n级配位层原子的数量是12 n²,即12，48和108。毫无疑问, 二十面体短程序在短程内存在 (见图1(f))。此外,在中程范围的基本原子结构可以从中央二十面体获得由12 n²原子的外壳包围(参见图2(e)和3(c))。

然后我们还从第四到第六个配位层扩展相同的分析。超级团簇的原子数= 307、561和924分别占主导地位。图4显示Cu₆₄Zr₃₆金属玻璃的n配位层内部原子总数的总体趋势。为了比较, 在一个二十面体壳结构里的原子总数趋势也画出来了,在N个壳内的原子总数N(Nge;1)为,13,55,147,309,561,923,等,和第n级二十面体壳原子的数量是10 n² 2(Nge;1)[15、16]。Cu₆₄Zr₃₆众所周知在Cu-Zr合金中是最好的玻璃形成体 [17-20]。图4所示的趋势表明,对于最优Cu-Zr双元系统玻璃形成体,基本的原子结构在短程和中程长度尺度有一个二十面体壳结构的特点。

图3Cu₆₄Zr₃₆ MG第三配位层内中程序。(a)和(b)分别按照尺寸和成分划分的不同超级团簇的数量分布。(c)超级团簇Cu₁₀₈Zr₆₁的代表样式。

图4Cu₆₄Zr₃₆金属玻璃第n级配位层内原子总数的总体趋势毫克。在一个二十面体壳结构的原子总数的趋势也被绘制出来用于比较。

4.结论

总之, 我们研究了Cu₆₄Zr₃₆金属玻璃从第一到第六配位层长度尺度到15.3Aring;的短程和中程序。在前三个配位层,壳内的原子总数N是13,61和169。和第n级配位层的原子数量是12 n²。此外,我们认识到基本的原子结构可以从12 n²原子包围的中央二十面体获得。从第四配位层,壳内的原子总数N是307,561和924具有一个二十面体壳结构的特点。我们的研究表明,良好的Cu-Zr双元系统玻璃形成体,一个二十面体壳结构在短程和中程范围内占据主导地位。

参考文献

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