鈦結(jié)晶行為的實(shí)驗(yàn)和模擬研究

劉亞軍 左鍵

摘要：金屬鈦是一種具有單位體積重量輕、密度小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防軍工航空航天等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。金屬鈦的力學(xué)性能與其結(jié)晶性能有重要聯(lián)系，因此需要從實(shí)驗(yàn)和模擬兩方面對(duì)鈦的結(jié)晶行為進(jìn)行研究。本文首先采用磁控濺射方法在氧化鎂基底上沉積金屬鈦薄膜，并采用X射線衍射手段對(duì)薄膜的結(jié)晶取向進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鈦薄膜的結(jié)晶取向?yàn)閇100]。隨后，采用第一性原理模擬方法對(duì)兩個(gè)鈦原子之間的相互作用關(guān)系進(jìn)行了模擬，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)鈦原子之間距離為1.9 ?時(shí)，兩個(gè)鈦原子相互作用達(dá)到平衡距離。

關(guān)鍵詞：鈦薄膜;X射線衍射;計(jì)算機(jī)模擬;相互作用

1、引言：

金屬鈦是一種過(guò)度元素，具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力、較強(qiáng)的抗高溫能力、較高的機(jī)械強(qiáng)度，密度較低，不與水反應(yīng)，顏色為銀白色。作為比強(qiáng)度最高的金屬，鈦運(yùn)用于航空航天、汽車、手機(jī)、輪船等多種領(lǐng)域[1]。利用其低密度的特性制造出來(lái)的汽車不但能夠減輕汽車本身的重量，而且還能減小運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性帶來(lái)的影響[2]。金屬鈦在醫(yī)學(xué)也有著廣泛的用途[3]，由于金屬鈦的彈性模量與人身體骨骼的彈性模量比較相近，而且與人體具有很高的生物相容性，故而能夠在骨折的時(shí)候作為接骨板，能夠用作修補(bǔ)牙齒時(shí)的基底，使修復(fù)假牙的裝置安裝在其上，進(jìn)而修復(fù)牙齒。金屬鈦的性能研究與結(jié)晶取向有關(guān)，因此需要系統(tǒng)研究結(jié)晶取向。

因?yàn)殁伇∧け砻婢哂胁煌男蚊惨约巴腹庑裕源罅康难芯空邔?duì)鈦的結(jié)構(gòu)以及性能進(jìn)行了大量的研究。例如朱秀榕[4]等先通過(guò)激光微加工技術(shù)獲得能夠透過(guò)光線的掩模板，然后再通過(guò)掩模板，利用直流磁控濺射技術(shù)通過(guò)不同的磁射電流制備出了不同的鈦薄膜光柵。然后用紫外光光度計(jì)對(duì)不同的鈦薄膜光柵進(jìn)行了光學(xué)性能和電學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)不斷的加大濺射電流，導(dǎo)致堆積到樣品上的鈦薄膜越來(lái)越厚，而且通過(guò)肉眼觀察可見，隨著電流增加所呈現(xiàn)的樣品顏色先由淺色變?yōu)樯钌詈箢伾溟_始變淡。張東平[5]等濺射沉積工藝制備了鈦薄膜，通過(guò)研究發(fā)射不同的入射電子能量進(jìn)而研究所形成的鈦薄膜表面的不同的相貌。結(jié)果表明，隨著激射電壓的升高金屬鈦表面的變化就越緩慢。通過(guò)相關(guān)的文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)雖然目前有關(guān)金屬鈦的研究有很多，但是與金屬鈦結(jié)晶行為相關(guān)的研究還明顯不足，因此本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)加模擬的方法對(duì)金屬鈦結(jié)晶行為進(jìn)行了研究。

2、實(shí)驗(yàn)和模擬參數(shù)

實(shí)驗(yàn)方面，首先采用磁控濺射方法，在氧化鎂（100）基面上鍍金屬鈦薄膜。實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要參數(shù)中，沉積溫度設(shè)置為250攝氏度，沉積速率2mg/S，真空度10-5GPa，鍍膜時(shí)間三十分鐘。首先對(duì)真空室進(jìn)行抽真空，隨后將靶材和氧化鎂基底放入鍍膜腔，鍍膜結(jié)束后取出樣品進(jìn)行X射線衍射分析。

模擬方面，建立10×10×10 ?的立方盒子，在盒子中間位置放置兩個(gè)鈦原子，原子之間距離長(zhǎng)度為R，計(jì)算體系能量隨距離變化關(guān)系。計(jì)算采用SISTA軟件，基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理方法，電子交換-關(guān)聯(lián)能采用廣義梯度近似（GGA），布里淵區(qū)中K點(diǎn)設(shè)置為4×4×1，截?cái)嗄蹺-cut設(shè)置為300.00 eV。本文通過(guò)改變兩個(gè)鈦原子之間的距離，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方法來(lái)測(cè)量它們之間的能量，本文一共經(jīng)過(guò)19次模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)鈦原子之間不同的距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中計(jì)算過(guò)程為打開SISTA軟件，點(diǎn)擊創(chuàng)建一個(gè)自己的文件夾，點(diǎn)擊Build，找到crystals進(jìn)入點(diǎn)擊Rebuild，點(diǎn)擊Add Atoms，修改b為0.6，點(diǎn)擊Add，然后再將b修改為0.5點(diǎn)擊Add。一共添加兩個(gè)球，然后將元素為選擇為Ti。右鍵選擇Display style.在彈出的界面選擇Ball and stick。然后點(diǎn)擊Measure點(diǎn)擊兩個(gè)球顯示距離，然后開始計(jì)算，彈出界面點(diǎn)擊Run等待結(jié)果，在結(jié)果中找到energy記錄數(shù)值。使用相同的方法記錄1.00、1.20、1.30、1.40、1.50、1.55、1.60、1.65、1.70、1.75、1.80、1.85、1.90、2.00、2.10、2.20、2.30、2.40、2.50，共19組數(shù)據(jù)。

3、結(jié)果與討論

3.1 鈦薄膜結(jié)晶取向?qū)嶒?yàn)結(jié)果

X射線衍射是通過(guò)X射線對(duì)所需要鑒定的材料進(jìn)行衍射實(shí)驗(yàn)的一門技術(shù)，可以在進(jìn)行衍射試驗(yàn)后的到相應(yīng)的衍射圖譜，而我們能夠?qū)Φ玫降膱D譜進(jìn)行分析，進(jìn)而得到研究樣品的分子、原子的形態(tài)和結(jié)構(gòu)以及樣品的成分等信息。樣品制備成功后，對(duì)樣品進(jìn)行X射線衍射分析，得到了如圖1所示的衍射圖譜，其中橫坐標(biāo)為衍射角2?，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在38.5度有一個(gè)高度為一萬(wàn)的峰，采用Jade軟件對(duì)峰進(jìn)行物相匹配，得到該峰對(duì)應(yīng)材料為Ti（001），即金屬鈦的結(jié)晶取向方向?yàn)椋?01）方向。另外再42.9度有一個(gè)高度超過(guò)十四萬(wàn)的峰，對(duì)應(yīng)為基底（substrate）峰，為MgO（100）峰。

3.2 鈦原子相互作用模擬結(jié)果

采用第一性原理對(duì)兩個(gè)鈦原子相互作用進(jìn)行模擬，得到如圖2所示結(jié)果。圖2中橫坐標(biāo)為原子間的距離，縱坐標(biāo)為體系能量，圖中正方體為原子距離模擬圖。由圖可知，隨著兩個(gè)鈦原子相互距離逐漸減小，體系能量降低。當(dāng)兩個(gè)鈦原子之間的距離為1.9 ?，體系能量達(dá)到最低。繼續(xù)增加距離，體系能量游少許增加，故兩個(gè)鈦原子之間相互作用，最佳距離是1.90 ?。

4、小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)加模擬的方法對(duì)關(guān)于金屬鈦結(jié)晶取向進(jìn)行了研究，首先在氧化鎂基面上鍍金屬鈦薄膜，然后進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明金屬鈦的金屬鈦的結(jié)晶取向方向?yàn)椋?01），然后本文通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行鈦原子之間相互作用力的模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)Ti-Ti間的距離為1.9?時(shí)體系間能量最低結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，因此Ti-Ti相互作用的最佳距離為1.90?。

參考文獻(xiàn)：

[1]王懷柳.鈦及鈦合金在船舶工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].特鋼技術(shù)，2013，19（04）：1-5.

[2]楊遇春.鈦在汽車工業(yè)中的應(yīng)用及降低鈦材成本的工藝[J].中國(guó)工程科學(xué)，2005（08）：9-17.

[3]汪大林，徐君伍，于家斗.鈦在口腔修復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J].稀有金屬材料與工程，1993（03）：61-67.

[4]朱秀榕，董煜，李曉芬.濺射電流對(duì)鈦薄膜光電性能的影響[J].贛南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，42（06）：30-34.

[5]齊紅基，張東平，易葵，邵建達(dá)，范正修.濺射過(guò)程中粒子能量對(duì)鈦薄膜表面形貌影響[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2004（11）：1450-1454.