论文摘要
表面是材料的物理性质、化学性质发生空间突变的二维区域。材料的许多重要物理过程和化学过程首先发生在表面，同时材料的很多破损和失效也首先起源于表面。因此，表面是材料与外部环境直接发生联系的窗口，从研究材料表面的各种物理化学过程入手最终可以达到改变材料性能的目的，而研究晶体表面的原子结构是表面科学的中心内容。各种现代实验技术以及理论或半经验理论已被广泛应用于观察和模拟表面重构，但是对于各种晶体的各种表面重构现象的发生机制并没有最终定论。本文应用改进型嵌入原子法（MEAM），结合计算机模拟了面心立方七个过渡族金属（110）、（211）、（311）表面和金刚石立方结构三种晶体的（001）表面的可能结构，从能量最小化原理，表面形貌以及原子的价电子结构讨论分析了重构发生的机理。（1）计算了面心立方七个过渡族金属Au、Pt、Ag、Pd、Rh、Cu和Ni的（110）面理想（1×1），失错排（1×2）和失错列（2×1）三种可能结构的表面能面密度。从能量最小化原理分析得出，失错列（2×1）重构不能够在所有过渡族金属的（110）表面形成，而失错排（1×2）重构能够在Au和Pt的（110）表面自然形成，却不能在Ag、Pd、Rh、Cu和Ni的（110）表面自然形成。与原形EAM所预言的结论相比，这一结论更好的与实验结果相符，因为EAM预言Ag和Pd的（110）表面也能自然形成失错排（1×2）重构。除了从能量最小化原理分析以外，还从表面形貌和原子的价电子结构进一步的分析了在过渡族金属（110）表面上形成失错排（1×2）重构和失错列（2×1）重构的相对可能性。（2）计算了面心立方七个过渡族金属Au、Pt、Ag、Pd、Rh、Cu和Ni的（211）和（311）表面上理想（1×1）和失错排（1×2）两种结构的表面能面密度之差，以确定在（211）和（311）表面是否也存在失错排（1×2）重构现象，并将面心立方过渡族金属（110）、（211）和（311）表面失错排（1×2）重构进行比较分析。结果表明失错排（1×2）重构在所有的过渡族金属的（211）表面不能够自然形成，失错排（1×2）重构仅能够发生在Pt（311）表面，这一点与实验结果和第一原理的计算结果一致。同时还发现失错排（1×2）重构在过渡族金属的（110），（211）和（311）三个表面自然形成的可能性是随5d金属Au和Pt，4d金属Ag、Pd和Rh，3d金属Cu和Ni的顺序呈递减趋势。从它们的价电子结构和表面形貌做了解释。（3）计算了金刚石立方结构C、Si和Ge三种晶体的（001）表面理想（1×1），二聚（2×1）和三聚（3×1）结构的表面能面密度。从能量最小化原理分析发现，二聚（2×1）和三聚（3×1）两种重构都能够自然形成，且二聚键和三聚键在形成的过程中没有任何能量障碍。但是，二聚（2×1）重构对应的表面能面密度最小，则表明二聚（2×1）重构最容易形成且最稳定。这一结论与实验结果和其它的理论结果一致。确定的Si（001）表面的二聚键长2.43A处于实验值2.20A～2.47A之内，确定的Ge（001）表面的二聚键长2.5A与X-射线衍射实验测定值2.55A十分接近。对于我们首次模拟构造的三聚（3×1）结构对应的三聚键长分别为1.96A（C），2.64A（Si），2.75A（Ge），可能是因为形成三聚键的能量要比形成二聚键的能量稍高一点，到目前还没有在实验中观测到三聚（3×1）结构，所以还需要进一步的实验测量。