Моделирование микроструктуры стекла Ni 85-Zr 15 методом молекулярной динамики

Аморфные материалы по своему строению представляют собой неупорядоченные системы. К настоящему времени установлено существование микронеоднородностей (кластеров) во многих аморфных материалах. Такие данные получены для аморфных сплавов Ni-Zr различными экспериментальными методами: нейтронографическим [6; 7], рентгеновской дифракцией [10], методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей [5]. Кроме того, применялись методы компьютерного моделирования по исследованию атомной структуры Ni-Zr сплавов [4]. Последний метод является наиболее информативным при исследовании мелкомасштабных неоднородностей (0,1—0,3 нм), наблюдающихся в аморфных материалах.

В данной работе приведены результаты исследования атомной структуры модельного бинарного аморфного сплава Nig5Zr15. Выявлены характерные ^некристаллические* элементы структуры металлического стекла, играю щие определенную роль в стабилизации аморфного состояния, а также проанализирована связь структуры и физических свойств этого сплава на макроуровне.

Методика исследования структурных образований большого масштаба в аморфных материалах с помощью взаимного расположения простейших атомных конфигураций подробно изложена в работе [9]. Там же обоснован выбор тетраэдрической упаковки в качестве простейшего элементарного образования для изучения однокомпонентных аморфных материалов. При этом два тетраэдра оказываются объединенными в кластер при наличии у них общей грани. В структурах однокомпонентных кристаллов при ...... . ... . - . - _ _______ __________________._____- /ГТ TTZ\ цугствукл только одиночные гегруудры \1 гдги и их пары (ГПУ), поэтому кластеры из трех и более тетраэдров являются существенно некристаллическими образованиями, характерная черта которых — наличие осей.симметрии несовместных с кристаллическим порядком. В слу-© Т. Н. Муницина, 2007

Выделение кластеров осуществлялось с помощью процедуры Делоне, позволяющей разбить всю систему на так называемые симплексы Делоне (СД) — четверки атомов, каждый из которых является ближайшим соседом трех других.

В данной работе из всех симплексов Делоне выделялись правильные тетраэдры. При этом использовался критерий тетраэдричности симплекса Делоне, предложенный в работе {8]:

7= S )2/15/2 <0,01, (1) i>j J где 7 — длина ребра симплекса, /ср— средняя длина ребра рассматриваемого симплекса, i, / — е 1 ± 6. Идеальному тетраэдру соответствует величина Г, равная нулю. Анализ результатов распределения симлексов Делоне по тетраэдричности для модельного бинарного стекла Nig5Zr15 показал, что тетраэдрические СД объединены в один класс при Т < 0,01.

Для выявления корреляции между локальными геометрическими и физическими характеристиками введена геометрическая величина, названная мерой икосаэдричности /_р значение которой определяет, в построении скольких тетраэдрических СД участвует данный атом. Например, если ни один симплекс Делоне, в который входит атом i, не удовлетворяет критерию (1), то /. = 0, а если атом находится в центре слабо искаженного икосаэдра, то I = 20. При этом из рассмотрения исключались одиночные тетраэдры и их пары, характерные для кристаллических структур, и учитывались лишь кластеры из трех и более тетраэдров, которые в дальнейшем называются некристаллическими. Такие кластеры из трех и более тетраэдров были обнаружены при структурном анализе модельной жидкости (1).

Исследуемое модельное стекло Ni85Zr|5 получено методом молекулярной динамики с использованием многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия. Процессы плавления и аморфизации модельного сплава осуществлены для системы из 864 частиц (735 атомов никеля и 129 атомов циркония) [9].

Полученная в результате закалки из расплава атомная конфигурация состоит из атомов двух сортов, имеющих разные атомные радиусы (2г_№ = 0,25 нм, 2r_Zr = 0,32 нм). В общем случае атомы могут образовывать симплексы Делоне пяти типов Ni-Ni—Ni—Ni, Ni-Ni-Ni-Zr, Ni-Ni-Zr-Zr, Nj-Zr-Zr-Zr и Zr-Zr-Zr-Zr. В исследуемом металлическом стекле наблюдаются симплексы только первых двух типов в соотношении 1 : 1,5. Отдельно взятый симплекс Ni-Ni-Ni-Ni представляет собой идеальный тетраэдр, a Ni-Ni-Ni-Zr — искаженный тетраэдр. Для анализа слабо искаженных СД был выбран критерий Т <0,01 (1). В пользу такого критерия говорит сравнение результатов для однокомпонентной и двухкомпонентной структур, а также схожесть распределений по тетраэдричности для Ni-Ni-Ni-Ni и Ni-Ni-Ni-Zr симплексов.

По химическому составу тетраэдрические симплексы Делоне в кластерах распределены следующим образом: 439 СД, или 40 %—Ni-Ni-Ni-Ni, 670 СД или 60 % — типа Ni-Ni-Ni-Zr. Доля СД типа Ni-Ni-Ni-Zr среди СД, входящих в кольца, равна 55 %, в цепи — 71 %, в отростке — 65 %. Таким образом, смешанные симплексы Делоне предпочтительно образуют цепочечные структуры, а СД из атомов никеля — кольцевые. Около 70 % симплексов Де- лоне типа Ni-Ni-Ni-Ni и NHNHNi-Zr входят в состав колец. Для однокомпонентного стекла доля таких СД не превышает 53 % 12]. Это свидетельствует о том, что атомы циркония способствуют образованию никелевых кластеров с икосаэдрической координацией.

Для атомов модельного бинарного металлического стекла были определены локальный объем и энергия. Результаты расчетов приведены на рис. 1. Сравнивая распределения атомных объемов для никеля и циркония, можно заметить, что дисперсия атомных объемов для циркония вдвое меньше. Распределение энергий атомов отличается большой дисперсией. Это характерно и для чисто никелевого стекла [2]. Цирконий приводит к дополнительному уширению за счет отличия в энергии связи (энергии связи никеля и циркония соответственно равны 4,45 и 6,18 эв).

Рисунок 1

Распределения парциальных атомных объемов (а) и энергий (б) в модельном металлическом стекле Nig5Zr15, полученном при скорости закалки и=10‘3 К/с. Приведены математическое ожидание MX и дисперсия D:a - MX - 0,22; D = 7,2 (для Ni); MX = О,.25; D = 3,4 (для Zr);

6- MX =.-0,94; D - 27,6 (для Ni);

MX = -0,66; D = 30,4 (для Zr)

Связь между физическими и геометрическими характеристиками определяли используя понятие о мере икосаэдричности 7, которая определяет, в построении какого числа тетраэдрических СД принимает участие данный атом. Напомним, что атомы с 7 = 0 заведомо не входят ни в один из тетраэдрических кластеров. М.,-. Г — 1 7 — О „ лдри J — 1 ГЫ1К1 / ^ ^ « 1 и»Ж IVIVZTS^ * РАУДМ 1 D nan о кластер, так и в прослойку. Значение 7 > 3 указывает на принадлежность атома кластеру. Чем больше 7, тем ближе атомные окружения к икосаэдру, и при / = 20 атом находится в центре икосаэдра. Как и для никелевого стекла [10], для сплава проводили усреднение атомных объемов и энергий по атомам с одинаковой мерой икосаэдричности. На рис. 2 приведена гисто-грамма распределения атомов Ni и Zr по степени икосаэдричности. Здесь же даны .гра фики зависимости энергий атомов Е и атом ных объемов V от степени икосаэдричности.

: .-	г 'Н
с-
		■ U?n -

Зависимость энергии (а) и объема атомов (6) от степени их икосаэдричности в модельном металлическом стекле Nig5Zrl5. Гистограмма (в) отражает распределение атомов в расчетной ячейке по степени икосаэдричности

Сравнивая распределения атомов по степени икосаэдричности (рис. 2, s), можно заключить, что доля атомов циркония с / < 2 меньше, чем никеля, т. е. атомы циркония преимущественно входят в кластеры. На распределении для циркония отчетливо проявляется пик для 317, т. е. для тех значений 7, которые соответствуют СД в цепочечных структурах. Доля атомов циркония с 7 > 10, входящих в кольца из симплексов Делоне, не превышает 10 %, а атомов никеля — 20 %. В случае никелевого стекла [2] на долю плотных икосаэдроподобных образований, атомы которых имеют 7 > 10, приходится лишь. 12,8 % всех атомов. Из рис. 2, а, б видно_у что атомы Ni и Zr в межкластерной границе обладают повышенными атомными, объемами и энергиями. Напротив, кластеры являются более плотными и энергетически выгодными областями системы.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы. Атомную структуру модельного стекла можно представить в виде некристаллических кластеров, разделенных ппослой-ками. Наличие атомов циркония в аморф-ном сплаве способствует образованию более устойчивых цепочечных структур по сравнению с никелевым стеклом. Машинные расчеты подтвердили, что кластеры обладают минимумом энергии, чем и обусловлено их существование в неупорядоченных системах.

Лостулила 14.03.07.

МЕХАНИЗМ ЗАКРЕПЛЕНИЯ СПИНОВ

ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ СВР

В ДВУХСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ

С ОРТОРОМБИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ