Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Ovru-all

.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
23.03.2015
Размер:
6.08 Mб
Скачать

47.S. Nos´e. //Molec. Phys. 52, Р.255 (1984).

48.W. G. Hoover. //Phys. Rev. A. 31, Р.1695 (1985).

49.J. Kohanoff, A. Caro, M.W. Finnis. //J. Chem. Phys. 6, Р.1848 (2005).

50.J.M. Haile, H.W. Graben. //J. Chem. Phys. 73, Р.2412 (1980).

51.D. Brown, J. H. R. Clarke. //Mol. Phys. 51, Р.1243 (1984).

52.J.R. Fox, H.C. Andersen. //J. Chem. Phys. 88, Р.4019 (1984).

53.С.И. Поташников, А.С. Боярченков, К.А. Некрасов, А.Я. Купряжкин. //Альтернативная энергетика. 49, № 5, c. 86 (2007).

54.A. Rahman. //J. Chem. Phys. 45, №7, P.2585 (1966).

55.L. Van Hove. //J. Phys. Rev. 95, P.249 (1954).

56.A. Rahman. //J. Phys. Rev. 136, №2, P.A405 (1964).

57.И. З. Фишер, Р.М. Юльметьев. //УФН. 87, №10, c.374 (1965).

58.А. Н. Лагарьков, В. М. Сергеев. //УФН. 125, №3, С.409 (1978).

59.Г.Ф. Вороной. //Собр. Соч. Киев, Изд. АН УССР, 2, С.239 (1952).

60.Б.Н. Делоне. //Петербургская школа теории чисел. М.-Л, Изд.АН СССР,

С.196 (1947).

61.J.D. Bernal. //Nature. 183, P. 141 (1959).

62.А.В. Ким, Н.Н. Медведев. //Ж. Структ. Химии. 47, c. 144 (2006).

63.Н.Н. Медведев. Метод Вороного – Делоне в исследовании структуры некристаллических систем. Новосибирск, Изд.СО РАН, 2000. –352 с.

64.N.W. Ashcroft. //Phys. Lett. 23, №1, P. 48 (1966).

65.W.H. Snyu, K.S. Singwi, M.P. Tosi. //Phys. Rev. B. 3, №2, P.237 (1973).

66.A.O.E. Animalu. //Phys. Rev. B. 8, №8, P.3542 (1973).

67.З.А. Гурский, Г.Л. Краско. //Докл. АН СССР. 197, №4, c. 810 (1971).

68.H.R. Lelibaux, A.W. Engel. //J. Chem. Phys. 68, №1, P.1 (1978).

69.В.А. Крашанинин. //Расплавы. № 4, c.3 (1999).

70.P. Hohnberg, W. Kohn. //Phys. Rev. A. 136, Р.B864 (1964).

71.W. Kohn, L. J. Sham. //Phys. Rev. A. 140, Р.1133 (1965).

72.А.П. Шпак, В.В. Маслов, А.Б. Мельник, А.Н. Тимошевский. //Металлофизика и новейшие технологии. 25, №11, С. 1461 (2003).

73.А.М. Сатанин. Введение в теорию функционала плотности. Нижний Новгород, 2009.- 64 с.

74.D. Marx, J. Hutter. Ab initio molecular dynamics: Institute for Computing, Julich, NIC Series. 1, Р.301 (2000).

75.G. Kresse. // J. Non-Cryst. Solids. 192, P.222 (1995).

76.M.S. Daw, M.I. Baskes. // Phys. Rev. Lett. 50, Р. 1285 (1983).

77.M.I. Baskes. // Phys. Rev. Lett. 59, Р.2666 (1987).

78.M. I. Baskes, J. S. Nelson, A. F. Wright. //Phys. Rev. B. 40, Р. 6085 (1989).

79.M.I. Baskes. // Phys. Rev. B. 46, Р.2727 (1992).

80.M. I. Baskes, R. A. Johnson. //Modell. Simul. Mat.Sci. Eng. 2, Р.147 (1994).

81.B. Jelinek, J. Houze, Kim Sungho, M. F. Horstemeyer, M. I. Baskes. //Phys. Rev. B. 75, Р.054106 (2007).

82.A.M. Dongare, L.V. Zhigilei, A.M. Rajendran, B. LaMattina. //Composites. Part B. 40, Р 461 (2009).

83.B. J. Thijsse. //Phys. Rev. B. 65, Р.195207 (2002).

271

84.S.M. Foiles, M.I. Baskes, M.S. Daw.//Phys. Rew. B33, Р.7983 (1986).

85.J. E. Angelo, M. I. Baskes. //Model Sim Mater Sci Eng. 3, Р.289 (1995).

86.R. R. Zope, Y. Mishin. //Phys. Rew. B. 68, Р.024102 (2003).

87.R.W. Show. //J. Phys. C. 3, №5, P.1140 (1970).

88.P. Vashista, K.S. Singwi. //Phys. Rev. B. 6, №3, P.875 (1972).

89.J. B. Sturgeon, B. B. Laird. http://arxiv.org/abs/cond-mat/0006390

90.R. Car, M. Parinello. //Phys. Rev. Letters. 55, № 22, Р.2471 (1985).

91.В.И. Пупышев. //ЖФХ Т. 24, №2, c.267 (2000).

92.A. Inoue, S. Banerjee. //Adv. in Physical Metallurgy. 127, P.147 (1996).

93.A. Inoue. //Mater. Sci. Eng. A. 57, Р.179 (1994).

94.Y. Mishin. //Phys. Rew. B. 65, Р. 224114 (2002).

95.А.В. Евтєєв, А.Т. Косилов, Е.В. Левченко. //ЖЕТФ 126, №3, Р.600 (2004).

96.А.В. Евтєєв, А.Т. Косилов, Е.В. Левченко, О.Б. Логачев. //Физика твер-

дого тела, 48, №5 P. 769 (2006).

97.A.M. Ovrutsky, A.S. Phokhoda.// Journal of Crystal Growth 314, P.258 (2011).

98.С.Л. Гафнер, С.В. Костерин, Ю.Я. Гафнер. //Физика. твердого тела. 49, c.1484 (2007).

99.J.H. Shim, S.C. Lee, B.J. Lee, J.Y. Suh. //J. Cr. Growth. 250, P.558 (2003).

100.S. C. Lee, N. M. Hwang, D.Y. Kim. //J. Cr. Growth. 223, Р.311 (2001).

101.A. Y. Kuksin, I. V. Morozov, G. E. Norman. //Molecular Simulation. 31, Р.1005 (2005).

102.В.П. Волошин, Ю.И. Наберухин. //Журнал структурной химии. 46, c. 273 (2005).

103.О.С. Прохода. //Вісник ДНУ Фізика і радіофізика. 15, №.16/2, c.89 (2008).

104.А.М. Овруцкий, А.С. Прохода. //Кристаллография. 54, c. 537 (2009).

105.А. М. Овруцкий, А.С. Прохода.//Збірн. Наук. праць. Фізико-хімічні основи формування і модифікації мікрота наноструктур. c.467 (2008).

106.А.М. Овруцкий, А.С. Прохода. //Металлофизика и новейшие технологии. 31, №3, c.413 (2009).

107.А.М. Овруцкий, А.С. Прохода. // Физическая инженерия поверхности.

7, №1, c.152 (2009).

108.В.А. Полухин, Н.А. Ватолин. Моделирование аморфных металлов.

М.:Наука. 1985.- 290 с.

109.А.М. Овруцкий, А.С. Прохода, М.С. Ноговицин, В.С. Удовенко. // Збірник наукових праць. Фізико-хімічні основи формування і модифікації мікрота наноструктур. c.273 (2009).

110.Я.С. Уманський, Б.Н. Финкельштейн, М.Е. Блантер. Физические основы металловедения. М.: Металургиздат. 1949.-591 с.

272

Додаток.

Перелік обов’язкових елементів програми для моделювання за методом молекулярної динаміки (двовимірний варіант)

PROGRAM MD

//Делфі

Uses . . .

; //перелік бібліотечних блоків програм

Const . . . .; //усі постійні в розрахункових формулах Type // перелік усіх елементів інтерфейсу

TMainForm = class(TForm) ImagePanel: TPanel; AtomView: TImage; StartButton: TButton; ResetButton: TButton;

. . . . . . . . . . . . . .;

 

{list of procedures}

 

procedure

StartButtonClick(Sender: TObject);

procedure

FormCreate(Sender: TObject);

procedure

FormDestroy(Sender: TObject);

procedure

ResetButtonClick(Sender: TObject);

procedure

Init;

//початкові координати та швидкості

procedure

Calc_GR; //функція радіального розподілу атомів

procedure

Energy;

//кінетична та потенціальна енергія атомів

. . . . . . . . ;

//розподіли атомів за енергією

private

 

 

 

{Private declarations}

 

//класи

 

 

 

Atom = record x, y: double;

vx, vy: double; end;

Energy = record u, k: double; end;

Atom_Array = array [1..N] of Atom;

Var

 

// загальні змінні

 

MainForm: TMainForm; initial_atoms, atoms: Atom_Array;

initial_energy, Ек, Еп. . . . total_time: double; implementation

{$R *.dfm}

function potential_direct(dx, dy: double): double;

var d2,d6: double; //dx,dy –

відстань між двома частинками

begin

{a/r^12-b/r^6,

a=εσ^12; b=εσ^6}

d2 := 1.0/(sqr(dx)+sqr(dy)); d6 := d2*d2*d2; potential_direct := (a*d6 - b)*d6; // енергія взаємодії

end; . . . . . . .;

273

procedure force_direct(dx, dy: double; var fx, fy:

double);

//dx,dy –

відстань між двома частинками

var d2,d6,f: double;

 

begin

{ε*12*(σ/r)^13-ε*6*(σ/r)^7,

a=εσ^12; b=εσ^6}

d2 := 1.0/(sqr(dx)+sqr(dy));

d6 := d2*d2*d2;

f := (12*a*d6

- 6*b)*d6*d2;

 

fx := f*dx;

fy := f*dy;

 

end;

 

 

 

. . . . . . . . .;

Procedure Init; // початкові координати та швидкості частинок

. . . . . .;

procedure Act atoms(a: Atom_Array; var f:

Atom_Array);

//сумування сил, що діють на кожний атом

begin

 

 

 

for i := 1 to N-1 do

 

for j := i+1 to N do

 

begin

 

//тут тільки основні парні взаємодії

force_direct(a[i].x-a[j].x, a[i].y-a[j].y, fx, fy);

. f[i].x := f[i].x + fx;

f[i].y := f[i].y + fy; .

. . end;

 

 

 

. . . . . . . . . .

 

end;

 

 

 

Procedure Step(atoms,atoms); //Основний алгоритм

 

 

//розрахунку нових швидкостей та координат

 

 

// багато разів запускається процедура Act atoms

procedure make_steps(steps: integer; dt: double);

var i: integer;

 

begin

//steps - число кроків до оновлення інформації

for i := 1 to steps do begin

 

Step;//нові швидкості та координати на кожному кроці за часом total_time := total_time + time_step;

end;

procedure TRunner.Execute; var . . . . .;

begin

while not Form.StopFlag do begin

make_step(25, time_step);

Calc_GR; //процедура розраховує і будує парну функцію // розподілу атомів

Energy; //підрахунок розподілів атомів за енергіями

274

RedrawImage; //процедура зображення атомів

UpdateStatistics;

end;

end;

procedure TMainForm.StartRunning;

. . . . . . . . . . .; procedure UpdateStatistics;

begin

. . . . . . . . . . . .;

TotalEnergyView.Caption := FloatToStrF(etotal, ffGeneral, 10, 4); //виведення значення повної енергії

AveKEnergyView.Caption := FloatToStrF(kave, ffGeneral, 6, 4); //виведення значення середньої кінетичної енергії

AveUEnergyView.Caption := FloatToStrF(uave, ffGeneral, 6, 4); //виведення значення середньої потенціальної енергії

PressureView.Caption := FloatToStrF((impulse_x+

impulse_y)/(2*cellsize)/total_time, ffGeneral, 6, 4);

//виведення значення тиску

. . . . . . . . . . . . . . . .; end;

Помітимо, що х- і y- компоненти координат, швидкостей і прискорень представляються масивами, що входять у клас atom. Довжини Lx й Ly основної прямокутної комірки дорівнюють cellsize. У змінних Ек й Еп накопичуються суми для кінетичної й потенціальної енергії.

Один з варіантів початкових умов виглядає так: частинки поміщають у вузлах прямокутної сітки й вибирають х- і y- компоненти швидкостей випадковим чином. Оскільки швидкості вибираються випадково, їх варто підправити, маючи на увазі, що початковий повний імпульс у х- й y-напрямках може просто не вийти рівним нулю. Зазвичай визначають швидкість центра мас і від всіх швидкостей віднімають це значення (за відповідними компонентами векторів).

275

ЗМІСТ

ПЕРЕДМОВА

3

Розділ 1. КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

5

ФІЗИЧНИХ ЯВИЩ ТА ПРОЦЕСІВ

 

1.1. Застосування комп’ютерів у фізиці

5

1.1.1. Роль моделей у теоретичному дослідженні

5

1.1.2. Методи комп’ютерного моделювання фізичних процесів

6

1.1.3. Вплив комп’ютерів на методи фізичних досліджень

8

1.1.4. Основні напрямки застосування комп’ютерів у фізиці

10

1.1.5. Обчислювальні експерименти та їхня роль у сучасній фізиці

12

1.2. Знаходження статистичних характеристик систем за методом

14

Монте-Карло

 

1.2.1. Проблема пошуку рівноважних станів і середніх значень

14

фізичних величин

 

1.2.2. Основи методу Монте-Карло узастосуванні до фізичних

18

проблем

 

1.2.3. Алгоритм Метрополіса й алгоритм термостата

21

1.2.4. Граничні умови

24

1.2.5. Вибір потенціалу взаємодії атомів

27

1.2.6. Похибки, притаманні методу Монте-Карло

31

1.3. Застосування методу молекулярної динаміки до систем

32

з великої кількості атомів

 

1.3.1. Загальна характеристика методу

32

1.3.2. Алгоритми чисельного розв’язку рівняння руху

33

1.3.3. Додаткові варіанти граничних умов

38

1.3.4. Списки близьких сусідів

40

1.3.5. Обов’язкові елементи програми для моделювання за методом

42

молекулярної динаміки

 

Розділ 2. ФАЗОВІ ПЕРЕТВОРЕННЯ. РОЗЧИНИ. ДІАГРАМИ СТАНУ

44

2.1. Фази та фазові переходи

44

2.2. Метод термодинамічних функцій

46

2.3. Термодинамічні функції однокомпонентних систем

50

2.4. Умови рівноваги термодинамічної системи

52

2.4.1. Умови рівноваги для багатокомпонентних гомогенних

53

та гетерогенних систем

 

2.5. Класифікація фазових перетворень

54

2.5.1. Різні типи фазових перетворень

54

2.5.2. Умови рівноваги для фазових переходів першого роду

56

2.5.3. Рівняння Еренфеста

59

2.5.4. Правило фаз Гіббса

60

2.5.5. Діаграми стану

61

2.6. Впив поверхневого натягу на кристалізацію рідин

62

276

2.7. Явища, пов’язані з утворенням розчинів

66

2.7.1. Тепловий ефект утворення розчину

66

2.7.2. Осмотичний тиск

67

2.7.3. Закони Рауля і Генрі

68

2.7.4. Парціальні термодинамічні функції

70

2.7.5. Ідеальний розчин

71

2.8.6. Реальні розчини

74

2.8.7. Регулярні розчини

75

2.7.8. Основні уявлення квазіхімічної теорії розчинів

76

2.7.9. Розрахунок міжатомних енергій зв’язку

77

Розділ 3. ПРОЦЕСИ ПЕРЕНЕСЕННЯ. ДИФУЗІЙНІ ЗАДАЧІ РОСТУ

79

КРИСТАЛІВ. ПРИНЦИПИ ЧИСЕЛЬНОГО РОЗВ’ЯЗКУ РІВНЯНЬ

 

ТЕПЛО- І МАСОПЕРЕНЕСЕННЯ

 

3.1. Процеси перенесення

79

3.1.1. Дифузія

79

3.1.2. Внутрішнє тертя

82

3.1.3. Теплопровідність

83

3.1.4. Тепловіддача

84

3.1.5. Диференціальні рівняння конвекційного теплообміну

85

3.1.6. Алгоритм Ейлера для розв’язку диференціальних рівнянь

87

3.2. Крайові задачі

88

3.2.1. Крайові умови

88

3.2.2. Крайова задача в безрозмірних змінних

90

3.3. Аналітичні розв’язки задач тепло- й масоперенесення

91

при рості кристалів

 

3.3.1. Задачі Стефана

91

3.3.2. Задача Стефана в чистому вигляді

92

3.3.3. Випадок переохолодженого розплаву

93

3.3.4. Краєві умови для дифузійної задачі росту кристалів

94

3.3.5. Ріст циліндра і кулі з розчину при постійній поверхневій

95

концентрації

 

3.3.6. Про тепло- і масоперенесення при вирощуванні монокристалів

98

3.4. Чисельні розв’язки задач тепло- й масоперенесення

101

3.4.1. Різницеві схеми розв’язку задач тепло- й масоперенесення

101

3.4.2. Проблема крайової умови на міжфазній межі при рості

105

кристалів

 

3.4.3. Перші чисельні розв’язки дифузійних задач росту кристалів

106

3.4.4. Спосіб чисельного розв'язку задачі росту або розчинення

107

кулястого або циліндрового кристала

 

3.4.5. Розгляд явищ перенесення в рамках граткового

111

Больцманівського методу

 

277

Розділ 4. СТРУКТУРА МІЖФАЗНИХ ПОВЕРХОНЬ

113

4.1. Поверхневі явища

113

4.2. Найважливіші відкриття, що забезпечили розвиток фізики

114

поверхні

 

4.3. Про експериментальні методи дослідження поверхонь

115

4.4. Особливості поверхневих фазових переходів

121

4.5. Реконструкція

122

4.6. Перехід від гладенької до шорсткої в атомному масштабі

127

поверхні

 

4.7. Поверхневе плавлення

130

Розділ 5. АДСОРБЦІЯ. АДСОРБЦІЙНЕ РІВНЯННЯ ГІББСА

134

5.1. Адсорбція на твердих поверхнях

134

5.1.1. Фізична та хімічна адсорбція

134

5.1.2. Рівняння Ленгмюра

136

5.1.3. Модель для комп’ютерного аналізу адсорбції

138

5.1.4. Ізотерма полімолекулярної адсорбції БЕТ

139

5.2. Адсорбційне рівняння Гіббса

142

5.2.1. Фізична межа розділу фаз

142

5 2.2. Елементарна робота деформації

144

5.2.3. Метод Гіббса в термодинаміці поверхневих явищ

146

5.2.4 Адсорбційне рівняння

150

5.2.5. Залежність надлишкових термодинамічних величин від

150

положення розділяючої поверхні

 

5.2.6. Різні способи вибору розділяючої поверхні

152

5.2.7. Адсорбційна рівновага в багатокомпонентних системах

153

5.2.8. Обчислення адсорбції у двокомпонентних системах

155

Розділ 6. ПОВЕРХНЕВІ ПРОЦЕСИ ПІД ЧАС КРИСТАЛІЗАЦІЇ.

157

6.1. Поверхнева енергія та рівноважна форма кристалів

157

6.1.1. Поверхнева енергія в першому наближенні та її анізотропія

157

6.1.2 Рівноважна форма кристалів

159

6.1.3. Принцип Кюрі-Вульфа

160

6.2. Атомна будова поверхні кристалів

162

6.2.1. Час життя та дифузія адатомів поверхнею кристала

162

6.2.2. Структура сходинок на поверхні кристала

163

6.2.3. Шорсткість граней кристалів

165

6.3. Поверхнева кінетика

168

6.3.1. Рух одиночної сходинки

168

6.3.2. Дислокаційний механізм росту

169

6.3.3. Ріст за механізмом двовимірного зародкоутворення

170

6.3.4. Швидкість росту за нормальним механізмом

171

6.3.5. Роль об'ємних процесів перенесення при рості кристалів

171

6.4. Утворення тонких плівок

172

6.4.1. Атомні механізми утворення плівок

172

278

6.4.2. Кінетика епітаксіального росту тонких плівок

175

6.4.3. Утворення плівок через рідку фазу при конденсації

177

6.5. Форми росту кристалів та їх стійкість

181

6.5.1. Форми вільного росту кристалів

181

6.5.2. Стійкість кулястого кристала

181

6.5.3. Стійкість форми багатогранника

184

6.5.4. Числові розрахунки еволюції форми кристалів

187

6.6. Розвиток комірчастої структури під час спрямованого

192

твердіння

 

6.6.1. Концентраційне (дифузійне) переохолодження

192

під час спрямованої кристалізації

 

6.6.2. Основні результати теорії малих збурень

194

6.6.3. Деякі результати моделювання спрямованого затвердіння

198

Розділ 7. КОМП’ЮТЕРНІ МОДЕЛІ АТОМНИХ ПОВЕРХНЕВИХ

203

ПРОЦЕСІВ

 

7.1. Пошук рівноважних структур за методом Монте-Карло

203

та їх аналіз

 

7.1.1. Пошук рівноважних структур

203

7.1.2. Обчислення структурних характеристик

205

7.1.3. Радіальна (парна) функція розподілу молекул

205

7.1.4. Обчислення тиску та вивчення рівняння стану

209

7.2. Дослідження поверхневих процесів під час росту кристалів

211

шляхом кінетичного моделювання за методом Монте-Карло.

 

7.2.1. Основні співвідношення для перехідних ймовірностей

211

7.2.2. Моделювання росту кристалів за умови "solid on solid"

215

7.2.3. Застосування методу Монте-Карло до моделювання росту

 

малих кристалів та процесів утворення тонких плівок

216

7.2.4. Застосування більш реальних моделей для вивчення

219

поверхневих процесів.

 

7.2.5. Кінетичне Монте-Карло моделювання спрямованого твердіння

224

7.2.6. Кінетичне моделювання процесу осадження плівок

225

з газової фази.

 

7.3. Особливості застосування методу молекулярної динаміки у

228

разі фазових перетворень.

 

7.3.1. Застосування методу молекулярної динаміки в різних

228

ансамблях

 

7.3.2. Досягнення рівноважного стану та вимірювання

232

макроскопічних величин

 

7.3.3. Властивості перенесення

235

7.3.4. Топологічний аналіз змодельованих атомних конфігурацій.

238

Метод Вороного-Делоне

 

7.4. Проблема вибору потенціалів

240

7.4.1. Потенціали міжатомної взаємодії в металах

240

 

279

7.4.2. Основні вимоги до потенціалів, принципи їх вибору

246

та корегування

 

7.4.3. Визначення потенціалів міжатомної взаємодії

247

для змішаних систем

 

7.5. Моделювання утворення аморфних та нанокристалічних

250

матеріалів

 

7.5.1. Моделювання структуроутворення під час оскляння

250

7.5.2. Моделювання систем з вільною поверхнею

253

7.5.3. Локальний аналіз структур

254

7.5.4. Спектри коливань атомів

257

7.5.5. Кінетика утворення та росту центрів кристалізації

258

БІБЛІОГРАФІЧНІ СПИСКИ

263

Додаток

274

ЗМІСТ

276

Овруцький Анатолій Матвійович Прохода Олександр Сергійович Расщупкіна Марія Сергіївна

КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ ТА ПОВЕРХНЕВИХ ЯВИЩ

Навчальний посібник

Художньо-технічний редактор

Плинтюк Г.А.

Коректор

Таран О.А.

______________________________________________________________

Здано на складання 19.01.2011. Підписано до друку 22. 02.2011.

Формат 60х84 1/16. Папір друкарський. Гарнітура: Бук, таймс, коурер. Друк ризографічний. Ум. друк. арк. 16,12. Обл..– вид. арк. 17,06.

Наклад 300 пр. Зам. № 753.

Видавництво «ІННОВАЦІЯ» 49006, м. Дніпропетровськ, вул. Свердлова, 70

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру № 1761 від 22.04.2004 р.

280

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]