Реферат по предмету "Математика"


Расчет адгезионных характеристик металлов в модели обобщенного потенциала Хейне-Абаренкова

Расчет адгезионных характеристик металлов в модели
обобщенного потенциала Хейне-Абаренкова

М.В. Мамонова, Р.В. Потерин, В.В. Прудников, Омский
государственный университет, кафедра теоретической физики

Явление
возникновения связи между поверхностными слоями разнородных конденсированных
тел, приведенных в соприкосновение, получило название адгезии. С физической
точки зрения, адгезия определяется силами межмолекулярного взаимодействия,
наличием ионной, ковалентной, металлической и других типов связи. Возникает
необходимость определения характеристик адгезионного взаимодействия различных
материалов как с точки зрения прикладной, так и фундаментальной науки о
поверхностных явлениях.

В
предлагаемой работе в рамках метода функционала плотности проведен расчет
адгезионных характеристик для ряда металлов. Исследованы влияния различных
приближений, учитывающих дискретность кристаллической структуры и неоднородность
электронного газа в межфазной области раздела. Для расчета влияния
электрон-ионного взаимодействия на адгезионные характеристики металлов нами был
впервые использован обобщенный псевдопотенциал Хейне-Абаренкова. Проведен
сравнительный анализ результатов, полученных с его использованием, с
результатами, полученными с привлечением иных моделей, в частности,
псевдопотенциала Ашкрофта.

Метод
функционала плотности состоит в решении вариационной задачи о нахождении
минимума энергии системы электронов, рассматриваемой на фоне заданного
положительного заряда. В качестве пробных функций электронного распределения,
как правило, выбирают решения формально линеаризованного уравнения
Томаса-Ферми, а вариационным параметром считают обратную длину экранирования .

Рассмотрим
два полуограниченных металла, занимающих области zD. Пусть
положительный заряд фона распределен в соответствии с формулой



где
и - плотности
заряда фона; - ступенчатая
функция. Решение линеаризованного уравнения Томаса-Ферми с использованием
граничных условий, отражающих непрерывность электростатического потенциала (z) и
электрической индукции d/dz при z=D, а также
конечность потенциала на бесконечности, позволяет при связи (z)=-4n(z)/ получить
следующее выражение для плотности электронного распределения n(z) в системе:



где
 

Определим
межфазную энергию взаимодействия контактирующих металлов, приходящуюся на
единицу площади, как интеграл по z от объемной плотности энергии основного
состояния электронного газа:



В
рамках модели "желе" объемная плотность энергии неоднородного
электронного газа может быть представлена в виде градиентного разложения:



где






есть
плотность энергии однородного электронного газа в атомных единицах, включающая
последовательно электростатическую, кинетическую, обменную и корреляционную
энергии, а



где




- фермиевский
волновой вектор,   являются
соответственно градиентными поправками второго порядка на неоднородность
электронного газа для кинетической энергии в приближении Вейцзекера-Киржница и
обменно-корреляционной энергии в приближении Вашишты-Сингви (VS) [1].
Приближение VS является наиболее употребимым для большинства металлов. Учет
только поправки для кинетической энергии без рассмотрения влияния соответствует
приближению хаотических фаз (ПХФ).

Поправки
к межфазной энергии, связанные с учетом дискретности распределения
положительного заряда, вычисляются в рамках модели псевдопотенциала
Хейне-Абаренкова:



усредненного
по кристаллическим плоскостям, параллельным поверхности металлов, и будут
характеризоваться параметрами и
межплоскостными расстояниями . В результате
поправка, связанная с электрон-ионным взаимодействием, принимает вид:







Для
получения поправки к межфазной энергии, связанной с взаимодействием ионов
металлов, мы воспользовались интерполяционной формулой, предложенной в [2].
Тогда



где
- валентности
металлов; - расстояния
между ближайшими ионами в плоскостях, параллельных поверхностям металлов.

В
соответствии с методом функционала плотности величина вариационного параметра находится из
требования минимальности полной межфазной энергии



где
.

Решение
уравнения (10) задает значения параметра как функцию
величины зазора 2D. Итогом решения вариационной задачи является полная
межфазная энергия системы . Зная ее,
легко найти энергию адгезии системы как работу, необходимую для удаления
металлов друг от друга на бесконечность, т.е. . Тогда сила
адгезионного взаимодействия системы определяется как производная по D от
межфазной энергии при :



В
соответствии с вышеизложенной методикой разработана программа численного
интегрирования в (3) при одновременной минимизации в (10). Расчеты адгезионных
характеристик были проведены для ряда простых и переходных металлов, полагая,
что к межфазной границе раздела металлы направлены плотноупакованными гранями.
Значения исходных параметров, использованные для расчета адгезионных
характеристик металлов, приведены в следующей таблице:




Me





Z





а.е.





d, а.е.





c, а.е.





rc, а.е.





Rm, а.е.





а.е.







Al





3





0.027





4.29





5.25





0.96





1.15





0.28







Pb





4





0.019





5.38





6.59





1.46





1.36





-0.67







Cu





2





0.025





3.92





4.80





0.92





1.41





1.21







Fe





4





0.050





3.84





4.70





0.95





1.03





0.94







Cr





4





0.049





3.85





4.72





0.96





1.06





1.02






На
рис.1 приведены графики рассчитанных в рамках модели обобщенного
псевдопотенциала Хейне-Абаренкова значений силы адгезионного взаимодействия как
функции величины зазора 2D для таких пар металлов, как Al-Pb, Fe-Cr, Fe-Pb,
Fe-Al, Al-Cu. На рисунках видно, что на малых расстояниях наблюдается
притяжение металлических поверхностей. Последующий рост величины зазора
сопровождается отталкиванием металлических поверхностей. При этом сила
электростатического отталкивания характеризуется максимумом при и сильным
спадом при . Физически
смена характера электростатической силы адгезии связана с тем, что на малых
расстояниях электронный "хвост" одного металла проникает в ионный
остов противоположного и притягивается последним. При увеличении зазора
электронный "хвост" выходит из зоны взаимодействия с ионным остовом,
взаимодействуя с электронным "хвостом" противоположного металла. Это
вызывает отталкивание металлических поверхностей. Из графиков также видно, что
значения адгезионных характеристик для благородных и переходных металлов
значительно выше, чем для простых металлов.

Рис.
1 Сила адгезионного взаимодействия как функция величины зазора для пар
металлов:  1-Fe-Cr, 2-Fe-Al, 3-Fe-Pb,
4-Al-Cu, 5-Al-Pb



На
рис.2 приведены сравнительные адгезионные характеристики для пары простых
металлов Al-Pb, вычисленные как с использованием псевдопотенциала
Хейне-Абаренкова с обменно-корреляционной поправкой в приближении VS, так и
псевдопотенциала Ашкрофта (псевдопотенциал Хейне-Абаренкова переходит в
выражение для псевдопотенциала Ашкрофта при V0 = 0) с обменно-корреляционной поправкой
в приближении VS и в приближении ПХФ. Последнее обусловлено тем, что в модели
псевдопотенциала Ашкрофта поверхностная энергия алюминия наиболее удачно
описывается обменно-корреляционной поправкой VS, а поверхностная энергия свинца
- ПХФ [3]. Но методика расчета адгезионных характеристик требует использования
единой обменно-корреляционной поправки для обоих контактирующих металлов. Это
требование наиболее полно реализуется, как показано в данной работе, при
использовании для различных металлов псевдопотенциала Хейне-Абаренкова с
обменно-корреляционной поправкой в приближении VS. Вычисления, проведенные в
приближении псевдопотенциала Хейне-Абаренкова, значительно уточняют
соответствующие расчеты, проведенные в рамках модели Ашкрофта, и могут быть распространены
для описания адгезии как простых, так и переходных металлов.

 

Рис.
2 Сила адгезионного взаимодействия как функция величины зазора для пары Al-Pb:  1 - модель Ашкрофта, приближение VS;  2 - модель Хейне-Абаренкова, приближение VS;  3 - модель Ашкрофта, приближение ПХФ.



Список литературы

Vashishta P., Singwi K.S. Electron
correlations at metallic densities // Phys.Rev. 1972. B6. ò3. P.875-887.


Ferrante J., Smith J.R. A theory of
adhesional bimetallic interfaceoverlap effects // Surface Science. 1973. 38.
ò1. P.77-92.

Вакилов
А.Н.,Прудников В.В.,Прудникова М.В. Расчет решеточной релаксации металлических
поверхностей с учетом влияния градиентных поправок на неоднородность
электронной системы // ФММ. 1993. 76. ò6. С.38-48.

Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.omsu.omskreg.ru/


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.