准晶生长的晶体相场模拟

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准晶是一种不具备平移对称性,但具有传统晶体不允许的5次或7次以上旋转对称性的固体结构。准晶的发现革新了人们以往将固体的有序等同于周期性的认知。准周期性有序结构的研究在材料科学和凝聚态物理等领域引起了广泛关注。实验上,从以Al基合金体系为代表的埃米尺度量级合金体系到21世纪以高分子自组装为代表的亚微米尺度量级的可控的软物质体系中准晶结构的大量报道,以及解析准周期结构的巧妙数学工具的大力发展,使我们逐渐加深对准晶这种新物态的认识。然而,对精妙的准周期结构的理解仍存在许多疑惑,其中关键的问题之一就是,准晶是如何长大的?本文以探索准晶生长机制为中心组织展开,主体内容如下:计算机模拟手段在近些年被广泛应用于探索准晶的稳定机制。其中,体系含特定比值的双长度尺度被发现是一种强有力的重现准晶结构的关键条件。本文利用含双长度尺度的晶体相场模型具体研究了准晶的完美拼接、随机拼接生长模式,以及一种涉及多个亚稳态的多步形核生长模式。首先,在双模晶体相场模型中,完美拼接和随机拼接两种生长模式可以在不同的温度参数范围下实现,而且可以在不同作用势软硬条件下实现两种模式的相互转变。通过解构体系的自由能为表示无序的理想熵项和促使有序的相互作用项,我们发现,对温度参量和作用势软硬参量的调控会改变相互作用项对整个体系自由能的相对贡献,即改变理想熵项和相互作用项之间的竞争关系,从而导致能量驱动的完美拼接模式和熵驱动的随机拼接模式。其次,在该模型体系中,我们发现在特定的热力学参数下,异质和均质形核生长过程都可能出现一种涉及两种亚稳态(三角结构相和一种新的中间相)的多步生长行为,其明显区别于经典形核理论所描述的一步路经。其中亚稳的中间相总是自发出现在亚稳三角相和不同取向的准晶核之间,以匹配两者的晶格的方式降低整体体系的自由能。在过冷液分解为准晶相的过程中,当一个本征的长度尺度的生长速率明显大于另一个,且存在长度尺度的竞争耦合时,三角相或中间相会比准晶相更容易出现,从而呈现多步转变行为。通过结构因子、径向分布函数,以及拼接分析的方式对中间相结构进行解构,我们发现中间相结构是一种介于二维晶体和二维准晶之间的一维准晶结构,其结构单元组成很好地契合了晶体相到准晶相转变,并解释了其为何在准晶生长过程中出现。
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