Новые межатомные потенциалы для анализа механизмов фазовых и структурных превращений металлов в экстремальных состояниях
Диссертация
Диссертация посвящена атомистическому моделированию фазовых и структурных изменений в металлах (железо, алюминий, золото, молибден) при экстремальных условиях. На примере анализа таких явлений, как поверхностное предплав-ление, лазерная абляция и эволюция треков тяжелых ионов, показано, что атомистическое моделирование позволяет исследовать механизмы фазовых и структурных превращений металлов… Читать ещё >
Содержание
- 1. Обзор литературы
- 1. 1. Молекулярно-динамическое моделирование
- 1. 2. Межатомные потенциалы
- 1. 3. Плавление металлов при высоких давлениях
- 1. 4. Механизм лазерной абляции
- 1. 5. Радиационные дефекты в молибдене
- 2. Разработка межатомных потенциалов
- 2. 1. Разработка потенциала перекрестного взаимодействия в системе металл-аргон
- 2. 2. Особенности процедуры force-matching
- 2. 3. ЕАМ-потенциал для системы молибдеп-ксенон
- 2. 4. ЕАМ-потенциал для золота зависящий от электронной температуры
- 3. Моделирование процессов плавления и предплавления металлов при высоком давлении
- 3. 1. Расчет кривых плавления металлов при высоком давлении
- 3. 2. Предплавлсние металлов при высоком давлении
- 3. 3. Влияние анизотропии давления на характеристики предплавления
- 4. Моделирование процессов в золоте происходящих под воздействием импульсного лазерного излучения
- 4. 1. Изменение термодинамических свойств золота с увеличением электронной температуры
- 4. 2. Особенности моделирования процесса абляции
- 4. 3. Нанооткол и два типа лазерной абляции возникающие на разных масштабах
- 5. Моделирование эволюции структуры молибдена после облучения высокоэнергичными частицами
- 5. 1. Энергетическая иерархия дефектов
- 5. 2. Зависимость коэффициента диффузии дефектов от температуры.. 67 5.3 Особенности моделирования каскада и эволюция облученной системы
Список литературы
- Belonoshko A., Ahuja R., Johansson В. Quasi ab initio molecular dynamic study of ferrum melting // Phys. Rev. Lett. — 2000, — Vol. 84. — P. 3638.
- Белащепко Д. Компьютерное моделирование жидких и аморфных веществ. — М.: МИСИС, 2005.-408. с.
- Анализ гетерогенной рекомбинации атомов кислорода на оксиде алюминия методами квантовой механики и классической динамики / В. Ковалев, А. Круп-нов, М. Погосбекян, J1. Суханов // Известия РАН. Механика жидкости и ¦газа. 2010. — Т. 2. — С. 154.
- Бражкин В., Ляпин А. Универсальный рост вязкости металлических расплавов в мегабарном диапазоне давлений: стеклообразное состояние внутреннего ядра Земли // УФН 2000. — Т. 170.- С. 535.
- Funtikov A. Phase diagram and melting curve of iron obtained using the data of static and shock-wave measurements // High Temperatures. — 2003.— Vol. 41.— P. 850.
- Vorobyev A., Guo C. Enhanced absorptance of gold following rriultipulse femtosecond laser ablation // Phys. Rev. B. 2005. — Vol. 72. — P. 195 422.
- Nanospallation induced by an ultrashort laser pulse / N. Inogamov, V. Zhakhovskii, S. Ashitkov et al. // Journal of Experimental and Theoretical Physics.— 2008.— Vol. 107. P. 1.
- Rest J., Hofman G. Alternative explanation for evidence that xenon depletion, pore formation, and grain subdivision begin at different local burnups // Journal of Nuclear Materials. 2000. — Vol. 277, — P. 231.
- Self-interstitials in vanadium and molybdenum / S. Han, L. Zepeda-Ruiz, G. Ackland et al. 11 Phys. Rev. B. 2002. — Vol. 66. — P. 220 101 ®.
- JlO. Nguyen-Manh D., Horsfield A., Dudarev S. Self-interstitial atom defects in bcc transition metals: Group-specific trends // Phys. Rev. B. — 2006. — Vol. 73. — P. 20 101.
- Frenkel D., Smit B. Understanding molecular simulation. From algorithms to applications. — San Diego: Academic Press, 2002. — P. 638.
- Schlick T. Molecular modeling and simulation: an interdisciplinary guide.— New York: Springer-Verlag, 2002. P. 620.
- Baidakov V., Protsenko P. Singular point of a system of lennard-jones particles at negative pressures // Phys. Rev. Lett. — 2005.— Vol. 95. — P. 15 701.
- Formation of high density amorphous ice by decompression of ice 7 and ice 8 at 135 kelvin / C. McBride, C. Vega, E. Sanz, J. L. F. Abascal //J. Chem. Phys. — 2004.-Vol. 121, no. 23.-Pp. 11 907−11 911. .
- The range of meta stability of ice-water melting for two simple models of water / C. McBride, C. Vega, E. Sanz et al. // Molecular physics. — 2005. — Vol. 103, no. 1. — Pp. 1−5.
- Zubov V., Caparica A. A statistical mechanical study of thermidynamic properties of solid sodium under pressures based on an effective interatomic potential // Int. J. of Modern Phys. B. 2004. — Vol. 18, no. 15. — P. 2185.
- Ivanov D., Zhigilei L. Combined atomistic-continuum modeling of short-pulse laser melting and disintegration of metal films // Phys. Rev. B.— 2003.— Vol. 68.— P. 64 114.
- Ablation and spallation of gold films irradiated by ultrashort laser pulses / B. Demaske, V. Zhakhovsky, N. Inogamov, I. Oleynik // Phys. Rev. B. — 2010. — Vol. 82, no. 6.- P. 64 113.
- Lebovitz J. Percus J., Verlet L. Ensemble dependence of fluctuations with application to machine computations // Phys. Rev.— 1967.— Vol. 153, no. 1.— Pp. 250−254.
- Daw M., Bashes M. Serniempirical, quantum mechanical calculation of hydrogen embrittlement in metals // Phys. Rev. Lett.— 1983. — Apr.— Vol. 50, no. 17.— Pp. 1285−1288.
- Daw M., Dashes M. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Phys. Rev. B.— 1984. — Jun.— Vol. 29, no. 12. Pp. 6443−6453.
- Foilcs S. Bashes M., Daw M. Embedded-atom-method functions for the fee metals and their alloys // Phys. Rev. B. 1986. — Jun. — Vol. 33,110. 12. — Pp. 7983−7991.
- Interatomic potentials for monoatomic metals from experimental data and ab initio calculations / Y. Mishin, D. Farkas, M. Mehl, D. Papacoustantopoulos // Phys. Rev. B. 1999. — Vol. 59, no. 5. — Pp. 3393−3407.
- Belashchenho D. K. The simulation of metallic hydrogen-helium solutions under the conditions of internal jupiter regions // Russian Journal of Physical Chemistry. —2006. Vol. 80, no. 5. — P. 758.
- Ercolessi F., Adams J. Interatomic potentials from first-principles calculations: The force-matching method // Europhys. Lett — 1994. —Vol. 26.— P. 583.
- Brommer P., Gahler F. Potfit: effective potentials from ab initio data // Modelling Simulation Mater. Sci. Eng. — 2007. — Vol. 15. — P. 295.
- Brown J., McQueen R. Phase transitions, griineisen parameter and elasticity for shocked iron between 77 gigapascal and 400 gigapascal // J. Geophysical Research. — 1986.-Vol. 91.-P. 7485.
- Errandonea D. Improving the understanding of the melting behaviour of mo, ta,. and w at extreme pressures // Physica B. — 2005. — Vol. 357. — P. 356.
- Bochler R. Laser heating at megabar pressures: Melting temperatures of iron and other transition metals // Notes in Mineralogy. — 2005. — Vol. 7. — P. 273. I
- Lomonosov I. Multi-phase equation of state for aluminum // Laser and Pajiicle Beams. — 2007. Vol. 25. — P. 567.
- Boehler R., Ross M. Melting curve of aluminum in a diamond cell to 0.8 migabar: implications for iron // Earth and Planetary Science Letters. — 1997. — Vol. 153. — P. 223.
- Ilixson R., et al. Acoustic velocities and phase transitions in molybdenum under strong shock compression // Phys. Rev. Lett. — 1989.— Vol. 62.— P. 637.
- Errandonea D., et al. Systematica of transition-metal melting // Phys. Rev. B. — 2001. Vol. 63. — P. 132 104.
- High-pressure melting of molybdenum / A. Belonoshko, I. Simak, A. Kochetov et al. // Phys. Rev. Lett. — 2004. Vol. 92, no. 19.- P. 195 701.
- High melting points of tantalum in a laser-heated diamond anvil cell / A. Dewaele, M. Mezouar, N. Guignot, P. Loubeyre // Phys. Rev. Lett. — 2010.— Vol. 104, no. 25.- P. 255 701.
- Hanstrom A., Lazor P. High pressure melting and equation of state of aluminium // J. Alloys Camp. 2000. — Vol. 305. — P. 209.
- Boehler R. Temperatures in the earth’s core from melting-point measurements of iron at high static pressures // Nature. — 1993.— Vol. 363. — P. 534.
- Sa2:ena S., Shen G., Lazor P. Temperatures in earth’s core based on melting and phase transformation experiments on iron // Science. — 1994. — Vol. 264.— P. 405.
- Melting, density, and anisotropy of iron at core conditions: new x-ray measurements to 150 gigapascal / R. Boehler, D. Santamaria-Perez, D. Errandonea, M. Mezouar // Journal of Physics: Conference Series. — 2008. Vol. 121, — P. 22 018.
- In situ x-ray difraction studies of iron to earth-core conditions / Y. Ma, M. Somayazuhi, G. Shen et al. // Phys. Earth Planet.Inter. — 2004.— Vol. 143.— P. 455.
- Nguyen J., Holmes N. Melting of iron at the physical conditions of the earth’s core // Nature. 2004. — Vol. 427. — P. 339.
- Alfe D. Temperature of the inner-core boundary of the earth: Melting of iron at high pressure from first-principles coexistence simulations // Phys. Rev. B.— 2009.— Vol. 79.-P. 60 101.
- Moriarty J. Ultrahigh-pressure structural phase transitions in cr, mo, and w // Phys. Rev. B. 1992. — Vol. 45. — P. 2004.
- Verma A., Rao R., Godwal B. Theoretical solid and liquid state shock hugoniots of al, ta, mo and w // J. Phys.: Condens. Matter. — 2004. Vol. 16.- P. 4799.
- Molting curve and hugoniot of molybdenum up to 400 gigapascal by ab initio simulations / C. Cazorla, M. Gillan, S. Taiol, D. Alfe // Journal of Physics: Conference Series.— 2008. Vol. 121. — P. 12 009.
- Melting and nonmelting of solid surface and nanosystems / U. Tartaglino, T. Zykova-Tirnan, F. Ercolessi, E. Tosatti // Physics Reports. — 2005. — Vol. 411. — P. 291.
- Faenov A., et al. Low-threshold ablation of dielectrics irradiated by picosecond soft x-ray laser pulses // App. Phys. Lett. 2009. — Vol. 94. — P. 231 107.
- Effect of intense laser irradiation on the lattice stability of semiconductors and metals / V. Recoules, J. Clerouin, G. Zerah et al. // Phys. Rev. Lett. — 2006, — Vol. 96, — P. 55 503.
- The formation of warm dense matter: Experimental evidence for electronic bond hardening in gold / R. Ernstorfer, M. Hard, C. Hebeisen et al. // Science. — 2009. — Vol. 323. P. 1033.
- Ivanov D., Zhiyilci L. Combined atomistic-continuum modeling of short-pulse laser melting and disintegration of metal films // Phys. Rev. B. — 2003. — Vol. 68. — P. 64 114.
- Chimier B., Tikhonchuk VHallo L. Effect of pressure relaxation during the laser heating and clectronBT5"ion relaxation stages // Appl. Phys. A. — 2008. — Vol. 92. — P. 843.
- Molecular dynamics simulation of femtosecond ablation and spallation with different interatomic potentials / V. Zhakhovskii, N. Inogamov, Y. Petrov et al. // Appl.
- Surface Sci. 2009. — Vol. 255. — P. 9592.
- Schafer C., Urbassek H. Metal ablation by picosecond laser pulses: A hybrid simulation // Phys. Rev. B. 2002. — Vol. 66. — P. 115 404.
- Material decomposition mechanisms in femtosecond laser interactions with metals / M. Povarnitsyn, T. Itina, M. Sentis et al. // Phys. Rev. B.— 2007, — Vol. 75.— P. 235 414.
- Evans J. Observations of a regular void array in high purity molybdenum irradiated with 2 mev nitrogen ions // Nature. — 1971. — Vol. 229. — P. 403.
- Soneda N. de la Rubia T. Defect production, annealing kinetics and damage evolution in a-fe: an atomic-scale computer simulation // Philosophical Magazine A. 1998. — Vol. 78. — P. 995.
- Spino J., Papaioannou D. Lattice parameter changes associated with the rim-• structure formation in high burn-up uranium dioxide fuels by micro x-raydiffraction // Journal of Nuclear Materials. — 2000. — Vol. 281. — P. 146.
- Evans J. Comments on the role of 1-d and 2-d self-interstitial atom transport mechanisms in void- and bubble-lattice formation in cubic metals // Philosophical Magazine Letters. — 2007. — Vol. 87. — P. 575.
- Barasheva A., Golubov S. On the onset of void ordering in metals under neutron or heavy-ion irradiation // Philosophical Magazine. — 2010.— Vol. 90. — P. 1787.
- Matzke H., Lucuta P., Wiss T. Swift heavy ion and fission damage effects in uo2 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B.— 2000.— Vol. 166. P. 920.
- Heinish //., Singh B. The effects of one-dimensional migration of self-interstitial clusters on the formation of void lattices // Journal of Nuclear Materials. — 2002. — Vol. 307. P. 876.
- One-dimensional atomic transport, by clusters of self-interstitial atoms in iron and copper / Y. Osetsky, D. Bacon, A. Serra et al. // Phylosophical Magazine. — 2003. — Vol. 83. P. 61.
- Shim J.-H., Lee H.-J., Wirth B. D. Molecular dynamics simulation of primary irradiation defect formation in ferrum-lOprocent chrome alloy // Journal of Nuclear Materials. 2006. — Vol. 351. — P. 56.
- Observation of the one-dimensional diffusion of nanometer-sized dislocation loops / K. Arakawa, K. Ono, M. Isshiki et al. // Science. — 2007. — Vol. 318. — P. 956.
- Self-trapped interstitial-type defects in iron / D. Terentyev, T. Klaver, P. Olsson et al. // Phys. Rev. Lett. 2008. — Vol. 100.- P. 145 503.
- Evans J. Simulations of the effects of 2-d interstitial diffusion on void lattice formation during irradiation // Philosophical Magazine. — 2006. — Vol. 86. — P. 173.
- Atomistic studies of segregation and diffusion in al-cu grain boundaries / X.-Y. Liu, W. Xu, S. Foiles, J. Adams // Appl. Phys. Lett. 1998. — Vol. 72. — P. 1578.
- Kresse G., Furthmullcr J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev. B. — 1996. — Vol. 54. — P. 11 169.
- Foiles S., Baskes M., Daw M. Embedded-atom-method functions for the fee metals cu, ag, au, ni, pd, pt, and their alloys // Phys. Rev. B. — 1986. — Vol. 33. — P. 7983.
- Derlet P., Nguyen-Manh D., Dudarev S. Multiscale modeling of crowdion and vacancy defects in body centered cubic transition metals // Phys. Rev. B. — 2007. — Vol. 76. P. 54 107.
- Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics //J. Corrip. Phys. 1995. — Vol. 117. — P. 1.
- Finnis M., Sinclair J. A simple n-body potential for transition metals // Phil. Mag. A. 1984. — Vol. 50. — P. 45.
- Edwards J., Speiser R., Johnston H. High temperature structure and thermal expansion of some metals as determined by x-ray diffraction data. i. platinum, tantalum, niobium, and molybdenum //J. App. Physics. — Vol. 22.— P. 424.
- Syassen K., Holzapfel W. High-pressure equation of state for solid xenon // Phys. Rev. B. 1978. — Vol. 18. — P. 5827.
- Vibrational modes and diffusion of self-interstitial atoms in body-centered-cubic transition metals: A tight-binding molecular-dynamics study / D. Finkenstadt, N. Bernstein, J. Feldman et al. // Phys. Rev. B. 2006. — Vol. 74. — P. 184 118.
- Molybdenum angular sputtering distribution under low energy xenon ion bombardment / E. Oyarzabal, J. Yu, R. Doerner et al. // J. Appl. Phys. — 2006. — Vol. 100.-P. 63 301.
- Heinz L., Jeanloz R. The equation of state of the gold calibration standard // J. Appl. Phys. 1984. — Vol. 55. — P. 885.
- Suh I.-K., Ohta H., Waseda Y. High-temperature thermal expansion of six metallic elements measured by dilatation method and x-ray diffraction //J. Mater. Sci. — 1988. Vol. 23. — P. 757.
- Longhi J., Lainont-Doherty. Green glasses // Lunar and Planetary Science.— ' 2003.-Vol. 34,-P. 1528.
- Neighbours J., Alers G. Elastic constants of silver and gold // Phys. Rev. — 1958. — Vol. 111. P. 707.
- M. Matsui High temperature and high pressure equation of state of gold // Journal of Physics: Conference Series. 2010. — Vol. 215. — P. 12 197.
- Physics of iron at earth’s core conditions / A. Laio, S. Bernard. G. Chiarotti et al. // Science. 2000. — Vol. 287. — P. 1027.
- Khakshouri S., Alfe D., Duffy D. Development of an electron-temperature-dependent interatomic potential for molecular dynamics simulation of tungstenunder electronic excitation // Phys. Rev. B. — 2008. — Vol. 78. — P. 224 304.
- Duffy D., Rutherford A. Including the effects of electronic stopping and electron-ion interactions in radiation damage simulations // J. Phys.: Condens. Matter.— 2007. Vol. 19. — P. 16 207.
- Lin Z., Zhigilei L., Celli V. Electron-phonon coupling and electron heat capacity of metals under conditions of strong electron-phonon nonequilibrium // Phys. Rev. B. 2008. — Vol. 77. — P. 75 133.
- Lankin A., Norman G. Crossover from bound to free states in plasmas // J. Phys. A: Math. Theor.— 2009. — Vol. 42, — P. 214 032.
- Vaulina 0., Adamovich K. Electrocapillary instability of a conducting liquid cylinder // Journal of Experimental and Theoretical Physics. — 2008. — Vol. 106. —
- Chandrasekhar S. Stochastic problems in physics and astronomy // Reviews of Modern Physics. — 1943. — Vol. 15. — P. 1.
- Gan V., Chen J. Integrated continuum-atomistic modeling of nonthermal ablation of gold nanofilins by femtosecond lasers // Appl. Phys. Lett. — 2009. — Vol. 94.— P. 201 116.
- Molecular dynamics simulation of laser melting of nanocrystalline gold / Z. Lin, E. Leveugle, E. Bringa, L. Zhigilei // J. Phys. Chern. — 2010. — Vol. 114. — P. 5686.1. P. 955.