题目：FCC金属面缺陷能量和结构及变形机理分析

金属材料在国家经济发展中处于重要战略地位，其生产、制备和开发对组织结构和性能的研究提出了越来越高的要求。实际材料中不可避免的缺陷（主要包括点缺陷、线缺陷和面缺陷）对材料的力学、化学和电学等性能的影响非常重要。尤其是在纳米材料和薄膜材料中，面缺陷所占比例大大增加，在有限尺度空间约束下，材料内部各种物理机制都会“感觉到”表面和界面的存在，面缺陷对晶粒生长、织构变化、材料变形等行为的控制作用显著增强。因此，深入探讨面缺陷的性质和结构已成为材料研究和应用相关领域亟待解决的关键问题。
金属薄膜中的晶粒生长将受到表面、界面、晶界、应变以及膜厚、线宽等因素的综合影响。区别于以往只单独研究表面或界面等某一种缺陷，本文首次针对表面和晶界两种缺陷结合处的复杂结构提出了结合部位周期性的确定方法和非周期性条件下的能量计算方法，根据不同取向晶粒的能量分布可以判断晶粒生长趋势。当材料尺寸降低到纳米量级临界尺寸时，出现反Hall-Petch效应，材料的主导变形机制由晶粒内部的位错运动转变为晶界滑移、晶粒旋转和晶界运动等晶界行为。因此，一方面，本文研究了扭转晶界滑移过程中的能量和结构特点，由此可以预言纳米晶体最可能发生的滑移方向和最可积的结构；另一方面，计算了广义堆垛面缺陷（GPF）的结构和能量，通过滑移面上GPF的能量曲面判断位错分解的最低能量路径，分析位错或孪晶的形成能力，从而获得不同条件下的变形机制。本文提出了GPF在金属表面处的计算模型，发现受到表面效应的影响，部分金属表面GPF的能量曲线表现出独特性，与Au(111)表面反常重构等变形方式密切相关。
本文应用改进分析型嵌入原子法（MAEAM）和第二近邻改进嵌入原子法（2NN MEAM）研究了FCC金属材料的晶界、表面和广义堆垛等面缺陷的能量和结构，并使用相关结论分析了FCC金属的变形机理，得到以下结论：
(1) FCC金属(001)和(110)扭转晶界在相对滑移过程中能量呈周期性变化，其周期与晶界的DSC晶格相对应，而能量周期即DSC单个晶格与CSL（重合位置点阵）最小重复单元的面积之比为。滑移过程中的“能量沟槽”平行于能量周期的边：(001)晶界的最佳滑移方向沿正方形周期的四边；(110)晶界最佳滑移方向沿长方形周期的长边。在一个滑移周期内，最佳滑移位置只可能出现在滑移周期四边形的四角、中心和边长的中点三个位置。
(2) 以垂直表面的(001)扭转晶界结合表面的构型为例，计算出具备晶界线周期性的晶界-表面组合。对于非周期性的组合，讨论了计算中所选晶界线的长短对能量的影响并总结出晶界线长度的合理计算范围和适用范围。是能量差异最明显的组合，在讨论范围内两晶粒结合时(100)晶粒能量最小，总是优先生长，尤其是在组合中。
(3) 不稳定层错能出现的滑移位置与理论几何对称位置之间有一定的偏移，弛豫前后偏移量的大小与（稳定层错能与不稳定层错能的比值）都存在近似正比的关系；Al的面缺陷附近原子层间距都发生膨胀，其他金属面间距则表现出膨胀-收缩交替进行的阻尼振荡花样；而同一种金属中，纵向弛豫的绝对值由缺陷中心向两侧以固定的倍率缩减，Al、Ni、Pt的倍率最大，Au和Pb的倍率最小，此倍率大小与弛豫涉及到的原子层数成反比；纵向总膨胀量与能量之间存在一定的正相关关系，尤其是在Ni、Al、Pb三种金属中表现为良好的线性关系，且线性的斜率与杨氏模量的大小顺序一致。2NN MEAM计算得出的和大小顺序与（不稳定层错能与不稳定孪晶能的比值）的大小顺序刚好相反。在2NN MEAM计算模型中，使用和这两个判据对孪生变形的预测结果统一，所得结论与实验相符。由GPF曲线判断，FCC金属中，Al最易形成全位错，最难形成孪晶；Pb的能量势垒最小，最易开动位错并形成层错和孪晶。
(4) 与其他计算方法比较，本文用2NN MEAM对理想(111)表面弛豫的计算与实验和第一原理结果更加符合。1NN MEAM 计算得出Cu的(111)表面最外层（）弛豫膨胀，而实验结果是收缩；ECT、EAM方法均预言Al(111)表面最外层收缩，但最近的实验和第一原理计算都已确认膨胀。八种金属中，只有Pt和Al最外层膨胀，其他金属最外层收缩。最外层的膨胀或收缩与电子密度的减小或增大相符，即只有Pt和Al的一二层电子密度减小；靠近表面的原子层间距除Al保持整体膨胀外，其他金属表面都表现为膨胀-收缩交替进行的花样，且从表面第一层向晶体内部弛豫量按一定的倍率关系逐层递减。弛豫量、逐层缩减倍率的倒数和电子密度变化量三者之间存在正相关关系。
(5) 表面效应基本只影响到表面第一层GPF，表面第二层GPF与体内GPF的能量曲线接近。滑移层越靠近金属表面，滑移能量势垒越低，位错越容易开动；而多数金属表面第一层GPF的值都降低，全位错在金属表面更难形成，只有Al表面全位错形成的可能性相对较大。与体内相比，Pd、Pt和Au表面第一层GPF的能量曲线形状发生变化，尤其是Au，在GPF能量曲线中出现既低且长的能量平台，极容易受到诱导开动位错，为Au(111)表面出现反常重构提供了条件。表面GPF滑移变形过程中，膨胀-收缩交替出现的花样在面缺陷中心以外的原子层中仍然存在。无论是理想(111)表面还是GPF表面，原子层间纵向弛豫量逐层递减的倍率与体内GPF完全一致。表面GPF能量与弛豫量之间仍然存在正相关关系，在金属Ni、Al、Pb中表现为良好的线性关系。