熔融Cu57團(tuán)簇在急冷過程中弛豫和局域結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的分子動(dòng)力學(xué)研究*

樊沁娜 李蔚 張林

(東北大學(xué)理學(xué)院，沈陽110004)

(2009年5月11日收到;2009年7月3日收到修改稿)

熔融Cu57團(tuán)簇在急冷過程中弛豫和局域結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的分子動(dòng)力學(xué)研究*

樊沁娜 李蔚 張林?

(東北大學(xué)理學(xué)院，沈陽110004)

(2009年5月11日收到;2009年7月3日收到修改稿)

采用基于嵌入原子方法的正則系綜分子動(dòng)力學(xué)研究熔融Cu57團(tuán)簇在急冷過程中的弛豫及其局域結(jié)構(gòu)變化.通過對(duì)弛豫過程中均方位移、非相干中間散射函數(shù)和非Gauss參數(shù)三種函數(shù)和原子鍵對(duì)隨急冷溫度不同所發(fā)生變化的分析表明，在經(jīng)過短時(shí)間的原子劇烈運(yùn)動(dòng)后，急冷溫度極大地影響著團(tuán)簇內(nèi)原子結(jié)構(gòu)弛豫過程.急冷溫度較高時(shí)，原子在經(jīng)歷短時(shí)間劇烈運(yùn)動(dòng)的β弛豫后，進(jìn)入α弛豫區(qū)后以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)為主，隨后原子運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為非擴(kuò)散性的原子局域結(jié)構(gòu)重排，團(tuán)簇內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的成核結(jié)構(gòu).隨著溫度的降低，原子局域結(jié)構(gòu)的變化在經(jīng)過短時(shí)間原子劇烈運(yùn)動(dòng)的β弛豫后，在α弛豫區(qū)原子運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為擴(kuò)散性運(yùn)動(dòng)，并出現(xiàn)一定數(shù)量的不穩(wěn)定二十面體結(jié)構(gòu).當(dāng)急冷溫度很低時(shí)，在進(jìn)入α弛豫區(qū)后，團(tuán)簇結(jié)構(gòu)變化逐漸表現(xiàn)為非擴(kuò)散性原子局域結(jié)構(gòu)重排，形成相當(dāng)數(shù)量的穩(wěn)定成核二十面體結(jié)構(gòu).

團(tuán)簇，分子動(dòng)力學(xué)，計(jì)算機(jī)模擬，表面

PACC:3640B，7115Q，6185，6800

1. 引言

貨幣金屬金、銀和銅都具有d10s1價(jià)電子結(jié)構(gòu)，近些年來由這三種金屬所組成的團(tuán)簇，因其具有迥異于塊體材料的豐富多樣的物理與化學(xué)性質(zhì)日益受到研究者們的廣泛關(guān)注，并在生物及生物物理上具有廣泛的應(yīng)用［1—5］.在通過物理方法實(shí)驗(yàn)制備金屬團(tuán)簇的過程中，大多采用氣相或離化的金屬在不同方式下快速冷卻凝結(jié)得到，盡管實(shí)驗(yàn)觀測到結(jié)構(gòu)各異的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，但對(duì)于包含幾十個(gè)原子的小尺寸團(tuán)簇在凝結(jié)過程中原子是如何運(yùn)動(dòng)及其所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變化目前尚知之甚少.了解這些小尺寸團(tuán)簇在冷卻凝結(jié)過程中的弛豫過程、成核和局域結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)于預(yù)測和控制團(tuán)簇尺寸進(jìn)而實(shí)驗(yàn)合成具有特定結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的納米顆粒具有指導(dǎo)意義.

為了研究金屬熔融液體在過冷時(shí)所發(fā)生的結(jié)晶轉(zhuǎn)變，1984年由Bengtzelius［6］等以及Leutheusser［7］在有關(guān)液態(tài)理論的基礎(chǔ)上提出了MCT(mode-coupling theory)理論，這種理論認(rèn)為結(jié)晶轉(zhuǎn)變過程是一個(gè)動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變，在發(fā)生凝結(jié)的液體中存在兩種弛豫過程，慢的α弛豫和快的β弛豫，α弛豫對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)弛豫過程，該過程受溫度影響較大，β弛豫是二級(jí)弛豫過程，該過程受溫度影響較小.通過研究一些隨時(shí)間變化相關(guān)函數(shù)的變化，MCT理論提出當(dāng)冷卻溫度接近某一溫度時(shí)，會(huì)在β弛豫末期也就是α弛豫前期出現(xiàn)一個(gè)過渡區(qū)間.應(yīng)用該理論，研究者們已經(jīng)對(duì)普通液體、金屬熔融液體和較大的金屬團(tuán)簇在冷卻過程中的弛豫特性作了較多的探討［8—14］.但是對(duì)于包含幾十個(gè)原子的小尺度自由表面金屬團(tuán)簇，相關(guān)的研究則尚未見到.這些小團(tuán)簇由于它們具有很高的比表面(即表面積與體積之比)，使得它們隨溫度改變所發(fā)生的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程與大尺寸團(tuán)簇和塊體相比，展現(xiàn)出不同的特點(diǎn).其中作為一種重要貨幣金屬團(tuán)簇的銅團(tuán)簇以其在納米催化劑、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)、醫(yī)藥診斷以及生物傳感器等方面的潛在應(yīng)用價(jià)值，備受研究者們的關(guān)注［15—20］.

本文采用基于嵌入原子方法(embedded atom method，EAM)的正則系綜分子動(dòng)力學(xué)(molecular dynamics，MD)，通過均方位移(mean squaredisplacement，MSD)、非相干中間散射函數(shù)(incoherent intermediate scattering function)和非Gauss參數(shù)(non-Gaussian parameter，NGP)等三種隨時(shí)間變化的函數(shù)研究熔融Cu57團(tuán)簇在被急冷到不同溫度下的弛豫行為，通過鍵對(duì)分析(pair analysis，PA)方法給出了在不同急冷溫度下團(tuán)簇局域結(jié)構(gòu)的變化.

2. 模擬方法

原子間的相互作用勢采用Mei等［21］提出的EAM形式，應(yīng)用該形式所給出勢的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算已用于模擬包含幾十個(gè)原子小尺寸銅團(tuán)簇在溫度變化過程中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變［15，17，19，20］.在EAM形式中，體系的總能量Et為

其中，ρi是其他原子在原子i處產(chǎn)生的電荷密度，F(xiàn)(ρi)是將原子i嵌入到電子密度為ρi處所具有的能量，rij是原子i和原子j之間的距離，(rij)是原子i和原子j之間的兩體勢.模擬采用正則系綜(NVT)分子動(dòng)力學(xué)方法，計(jì)算中時(shí)間步長取為1.6×10－15s.計(jì)算的幾個(gè)函數(shù)如下，

其中〈·〉表示對(duì)于統(tǒng)計(jì)時(shí)間步的平均值.對(duì)分布函數(shù)g(r)給出了在相同原子密度下原子隨機(jī)分布時(shí)，找到相距為r的一對(duì)原子的概率.V是所模擬體系的體積，N是體系中的原子數(shù).〈r2(t)〉是均方位移函數(shù)MSD，其中ri(t)和ri(0)是第i個(gè)原子分別在時(shí)刻t和0時(shí)的位移.Fs(q，t)表示非相干中間散射函數(shù)，是von Hove函數(shù)自相關(guān)部分的Fourier變換，式中的波向量q選取為液態(tài)對(duì)分布函數(shù)的第一峰.α2(t)是非Gauss參數(shù)NGP，〈r2(t)〉是均方位移，〈r4(t)〉是平均四次方位移.非高斯參數(shù)被用于描述過冷液體的動(dòng)力學(xué)非均勻特性，當(dāng)液體是均勻分布并處于平衡態(tài)時(shí)，α2(t)接近于零.這里均方位移函數(shù)MSD，F(xiàn)s(q，t)和α2(t)都是隨時(shí)間變化描述團(tuán)簇弛豫特性的函數(shù).

研究中采用包含四個(gè)整數(shù)的鍵對(duì)分析技術(shù)研究急冷過程中原子局域結(jié)構(gòu)的變化［22，23］.第一個(gè)整數(shù)表示一對(duì)原子是否為設(shè)定截?cái)嗑嚯x內(nèi)的近鄰原子(或成鍵原子對(duì))，當(dāng)它為1時(shí)表示成鍵.第二個(gè)整數(shù)表示某一成鍵原子對(duì)的共有近鄰原子數(shù)，第三個(gè)整數(shù)表示這些共有近鄰原子間的成鍵數(shù)目.第四個(gè)為附加數(shù)，表示某一特定的原子鍵對(duì).例如，1551對(duì)應(yīng)兩個(gè)成鍵原子共有五個(gè)近鄰原子，且這五個(gè)近鄰原子形成具有五個(gè)鍵的五邊形，該鍵對(duì)是二十面體結(jié)構(gòu)的特征鍵對(duì).1421和1422鍵對(duì)分別用于表征面心立方和密排六方的局域結(jié)構(gòu).

模擬中首先構(gòu)造一個(gè)20a0×20a0×20a0的包含32000個(gè)原子的Cu晶體(a0=0.3615nm為Cu的晶格常數(shù)).20a0×20a0×20a0為模擬中分子動(dòng)力學(xué)元胞的體積，在這個(gè)Cu晶體塊體中截取出原子數(shù)目為57個(gè)原子的孤立自由表面銅團(tuán)簇，將這個(gè)團(tuán)簇直接升溫到1800K，得到處于熔融狀態(tài)的團(tuán)簇.圖1顯示了這個(gè)團(tuán)簇在1800K時(shí)的對(duì)分布函數(shù)曲線.由圖中可見，1800K時(shí)Cu57團(tuán)簇的對(duì)分布函數(shù)曲線表現(xiàn)出典型的液態(tài)結(jié)構(gòu)特征，即對(duì)分布函數(shù)僅明顯存在兩個(gè)已經(jīng)展寬的峰.在圖1中右上側(cè)內(nèi)插圖顯示了該團(tuán)簇在1800K時(shí)處于熔融無序狀態(tài)的原子結(jié)構(gòu)圖.

圖1 Cu57團(tuán)簇在1800K時(shí)的對(duì)分布函數(shù)內(nèi)插圖為原子結(jié)構(gòu)圖

3. 結(jié)果分析

在獲得處于熔融狀態(tài)的Cu57團(tuán)簇后，將其從1800K急冷到1200，1100，1000，900，800，700，600，500，400，300和200K時(shí)，圖2給出了該熔融團(tuán)簇被急冷到不同溫度時(shí)的原子平均能量.由圖中可見，Cu57團(tuán)簇能量的降低可以分為三個(gè)階段:在急冷溫度高于1000K時(shí)，能量以較大的斜率近直線下降;當(dāng)急冷溫度低于500K后，能量以低于高急冷溫度區(qū)間斜率的近直線形式降低;在500到1000K的急冷溫度區(qū)間內(nèi)，能量的變化呈現(xiàn)為振蕩下降的形式.

圖2 Cu57熔融團(tuán)簇急冷到不同溫度的原子平均能量

圖3(a)，(b)和(c)分別顯示了熔融銅團(tuán)簇在被急冷到1200，600和200K時(shí)均方位移(MSD)、非高斯參數(shù)(NGP)和非相干中間散射函數(shù)Fs(q，t)隨時(shí)間的變化.由圖3(a)可見，當(dāng)急冷溫度為1200K時(shí)，MSD曲線表現(xiàn)為典型的液態(tài)行為.即在短時(shí)間0.1 ps的β弛豫區(qū)內(nèi)，由于原子的集體劇烈運(yùn)動(dòng)，MSD以〈r2〉∝t2的形式迅速增加.隨著保溫時(shí)間的增加，原子的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為擴(kuò)散行為，進(jìn)入α弛豫區(qū)，這時(shí)〈r2〉∝t.當(dāng)時(shí)間增加到50 ps后，MSD的增速進(jìn)一步放緩，這表明此時(shí)團(tuán)簇內(nèi)結(jié)構(gòu)變化以非擴(kuò)散性原子局域結(jié)構(gòu)重排為主.這里，擴(kuò)散性原子運(yùn)動(dòng)是指原子掙脫了其周圍原子的束縛，此時(shí)該原子與周圍原子構(gòu)成的局域結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變，非擴(kuò)散性原子局域重排是指雖然某一原子運(yùn)動(dòng)，但它仍處于其周圍原子的束縛中，即該原子與其周圍原子構(gòu)成的局域結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，從而在整體上看來是團(tuán)簇內(nèi)這些原子局域結(jié)構(gòu)之間位置的重新排布.隨著急冷溫度的降低，MSD曲線出現(xiàn)了不同于較高溫度時(shí)的形式.當(dāng)急冷溫度為600K時(shí)，在短時(shí)間0.1 ps內(nèi)的β弛豫區(qū)內(nèi)，MSD與時(shí)間的關(guān)系仍表現(xiàn)為〈r2〉∝t2，隨后增速變緩，在經(jīng)過這個(gè)緩慢變化區(qū)到0.2 ps后進(jìn)入α弛豫區(qū)，MSD繼續(xù)增加并與時(shí)間具有〈r2〉∝t的關(guān)系.隨著急冷溫度進(jìn)一步降低到200K，進(jìn)入MSD增速變緩區(qū)的時(shí)間縮短到0.08 ps，并在經(jīng)過一個(gè)曲線緩慢增加的階段后，在50 ps后進(jìn)入一個(gè)平臺(tái)區(qū).如圖3(a)200K時(shí)的MSD曲線所示，這個(gè)平臺(tái)的高度要遠(yuǎn)低于高溫時(shí)的MSD曲線.這說明當(dāng)急冷溫度很低時(shí)，每個(gè)原子的熱運(yùn)動(dòng)降低，其移動(dòng)范圍變小，在團(tuán)簇內(nèi)原子間出現(xiàn)了較多的局域有序結(jié)構(gòu).另外根據(jù)Einstein關(guān)系，〈r2〉=6Dt，即當(dāng)時(shí)間足夠長時(shí)，自擴(kuò)散系數(shù)D可以由MSD曲線的斜率計(jì)算得到，很明顯，MSD出現(xiàn)平臺(tái)意味著由于原子局域結(jié)構(gòu)重排使得D趨于零.這樣根據(jù)MSD曲線，我們就能確定在什么時(shí)間上過冷熔融團(tuán)簇內(nèi)開始了成核的轉(zhuǎn)變過程.由圖中可見，當(dāng)急冷溫度為600K時(shí)，過冷團(tuán)簇內(nèi)沒有發(fā)生穩(wěn)定的成核或者說團(tuán)簇內(nèi)局域有序結(jié)構(gòu)還不能夠較長時(shí)間的存在，而當(dāng)急冷溫度降低到200K時(shí)，過冷團(tuán)簇在50 ps后出現(xiàn)了穩(wěn)定的成核，這時(shí)存在了較多的局域有序結(jié)構(gòu).這種轉(zhuǎn)變的進(jìn)一步證據(jù)可由非相干中間散射函數(shù)Fs(q，t)和非高斯參數(shù)(NGP)顯示出來.

圖3 熔融Cu57團(tuán)簇被急冷到1200，600和200K時(shí)的均方位移、非相干中間散射函數(shù)和非Gauss參數(shù)隨時(shí)間的變化(a)均方位移MSD，(b)非相干中間散射函數(shù)Fs(q，t)，(c)非Gauss參數(shù)α2(t)

由圖3(b)的非相干中間散射函數(shù)Fs(q，t)可見，F(xiàn)s(q，t)曲線從Fs(q，0)=1開始，在短時(shí)間內(nèi)即開始下降，隨著溫度的不同，該函數(shù)下降的行為也表現(xiàn)出差異.在急冷到較高溫度1200K時(shí)，F(xiàn)s(q，t)很快衰減為零，這表明此時(shí)團(tuán)簇內(nèi)的原子運(yùn)動(dòng)仍遵循通常液態(tài)的行為.隨著急冷溫度降低到600K時(shí)，團(tuán)簇中的原子會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)重組，這時(shí)與MSD曲線的變化相對(duì)應(yīng)，在經(jīng)過一個(gè)快速下降的過程后，F(xiàn)s(q，t)的變化出現(xiàn)一個(gè)較緩的下降過程，隨后再次下降趨于零，這時(shí)非相干中間散射函數(shù)趨于零的時(shí)間明顯比較高急冷溫度時(shí)要長.當(dāng)急冷溫度下降到200K時(shí)，F(xiàn)s(q，t)曲線在0.1 ps時(shí)即進(jìn)入曲線以較緩坡度下降區(qū)間，并在50 ps后出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)，這說明隨著急冷溫度的降低，團(tuán)簇原子已不會(huì)以液態(tài)原子的形式運(yùn)動(dòng)，并發(fā)生結(jié)構(gòu)重排，這時(shí)Fs(q，t)不會(huì)趨于零而是出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái).

類似的情形也出現(xiàn)在隨時(shí)間變化的非Gauss參數(shù)變化上.如圖3(c)所示，在急冷溫度為1200K時(shí)，NGP沒有表現(xiàn)出明顯的峰.但當(dāng)急冷溫度降低到600和200K時(shí)，NGP曲線的各峰出現(xiàn)了升高，這表明被冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的復(fù)雜程度增加，并且當(dāng)急冷溫度為200K時(shí)，NGP曲線在溫度下降過程中出現(xiàn)了非零的平臺(tái)，平臺(tái)的出現(xiàn)說明此時(shí)團(tuán)簇內(nèi)原子已可以長時(shí)間處于局域有序的平衡位置.這里需要指出的是，這三個(gè)函數(shù)在急冷到不同溫度時(shí)隨時(shí)間的變化基本符合，即當(dāng)急冷溫度較高時(shí)，團(tuán)簇內(nèi)原子所進(jìn)行的β弛豫和α弛豫如同通常的簡單液體.隨著急冷溫度的降低，除了通常的β弛豫外，在α弛豫區(qū)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短時(shí)間的非擴(kuò)散性原子運(yùn)動(dòng)行為，但隨后原子們的運(yùn)動(dòng)又以擴(kuò)散性的原子運(yùn)動(dòng)為主.當(dāng)急冷溫度很低時(shí)，團(tuán)簇內(nèi)原子在經(jīng)過集體劇烈運(yùn)動(dòng)的β弛豫后，α弛豫區(qū)內(nèi)逐漸表現(xiàn)為非擴(kuò)散性的原子局域結(jié)構(gòu)重排.這樣上述三個(gè)函數(shù)的變化表明所研究團(tuán)簇在急冷過程中會(huì)出現(xiàn)原子集體運(yùn)動(dòng)，即當(dāng)一個(gè)被束縛的原子要移動(dòng)加快或減慢時(shí)，它的近鄰原子也會(huì)如此，這必然導(dǎo)致所研究體系局域結(jié)構(gòu)的變化.

圖4 急冷溫度為1200，600和200K時(shí)原子鍵對(duì)相對(duì)數(shù)目隨時(shí)間的變化右側(cè)圖為其所對(duì)應(yīng)的隨時(shí)間變化的原子結(jié)構(gòu)圖. (a)1200K，(b)600K，(c)200K

圖4(a)，(b)和(c)分別給出了團(tuán)簇內(nèi)原子在被急冷到1200，600和200K溫度時(shí)的1421，1422和1551三種原子鍵對(duì)相對(duì)數(shù)目隨時(shí)間的演變，這里的原子鍵對(duì)相對(duì)數(shù)目由某一鍵對(duì)數(shù)目除以鍵對(duì)總數(shù).圖的右側(cè)為隨時(shí)間變化的原子結(jié)構(gòu)圖.在模擬中的不同溫度處，還會(huì)出現(xiàn)其他表征菱形對(duì)稱結(jié)構(gòu)的1201，1301和1311等鍵對(duì)以及表征液態(tài)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的1541和1431鍵對(duì)等.圖4之所以只選取1421，1422和1551三種鍵對(duì)是考慮到在實(shí)驗(yàn)和模擬中發(fā)現(xiàn)大部分的銅團(tuán)簇具有面心立方結(jié)構(gòu)或二十面體結(jié)構(gòu)，特別是包含五十幾個(gè)原子的小尺寸團(tuán)簇具有基于二十面體的幾何形狀.由7個(gè)原子組成的二十面體基元具有1551鍵對(duì)特征，隨著由更多的原子組成稍大的二十面體，會(huì)出現(xiàn)較多數(shù)量的1422鍵對(duì)，并且當(dāng)團(tuán)簇尺寸更大時(shí)，所形成的二十面體還會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的1421鍵對(duì).由圖4中可見，當(dāng)急冷溫度為1200K時(shí)，所研究的各鍵對(duì)相對(duì)數(shù)目雖然在經(jīng)過β弛豫后出現(xiàn)了少量的1421，1422和1551鍵對(duì)，但在隨后的α弛豫中僅表現(xiàn)出隨時(shí)間的振蕩變化，這說明團(tuán)簇內(nèi)原子在這個(gè)較高急冷溫度下仍表現(xiàn)為如右側(cè)原子結(jié)構(gòu)圖所示的無序狀態(tài).隨著急冷溫度降低到600K，雖然團(tuán)簇內(nèi)1421和1422鍵對(duì)數(shù)目沒有發(fā)生大的改變，但值得注意的是在進(jìn)入α弛豫區(qū)后，1551鍵對(duì)數(shù)目隨時(shí)間出現(xiàn)增加的趨勢，這說明隨著急冷溫度的降低，一定數(shù)量的二十面體局域結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)，這種趨勢隨著急冷溫度的進(jìn)一步降低表現(xiàn)得更為明顯.如圖4(c)所示，當(dāng)急冷溫度為200K時(shí)，在0.1 ps后，團(tuán)簇內(nèi)1551鍵對(duì)數(shù)目明顯增加，并且這種結(jié)構(gòu)在50 ps后仍有相當(dāng)數(shù)量的存在，這說明大部分的二十面體局域結(jié)構(gòu)可以較長時(shí)間地存在.這種1551鍵對(duì)的出現(xiàn)也可以由圖右側(cè)100 ps時(shí)團(tuán)簇原子排布出現(xiàn)環(huán)狀形狀得到驗(yàn)證.這里還需指出的是，在急冷溫度200K為600K時(shí)，1421和1422鍵對(duì)都保持很低的值，這說明團(tuán)簇內(nèi)成核的結(jié)構(gòu)主要為二十面體結(jié)構(gòu)，并且這些成核的二十面體沒有發(fā)生明顯的生長.

4. 結(jié)論

應(yīng)用基于嵌入原子方法的正則系綜分子動(dòng)力學(xué)研究熔融Cu57團(tuán)簇冷卻到不同溫度時(shí)隨時(shí)間變化函數(shù)及團(tuán)簇局域結(jié)構(gòu)的變化.模擬結(jié)果表明，盡管熔融Cu57團(tuán)簇在被急冷到三個(gè)不同溫度時(shí)都出現(xiàn)相似的短時(shí)原子集體劇烈運(yùn)動(dòng)，但在隨后進(jìn)入α弛豫后，團(tuán)簇內(nèi)原子運(yùn)動(dòng)及其局域結(jié)構(gòu)隨急冷溫度不同出現(xiàn)了很大的差異.當(dāng)急冷溫度較高時(shí)，α弛豫區(qū)的原子運(yùn)動(dòng)先是以原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)為主，然后出現(xiàn)非擴(kuò)散性的原子局域結(jié)構(gòu)重排.隨著急冷溫度的降低，在α弛豫前期出現(xiàn)非擴(kuò)散性的原子局域結(jié)構(gòu)調(diào)整，隨后原子局域結(jié)構(gòu)的變化來自于原子的擴(kuò)散性運(yùn)動(dòng)，這時(shí)出現(xiàn)一定數(shù)量的二十面體結(jié)構(gòu).當(dāng)急冷溫度很低時(shí)，在α弛豫區(qū)逐漸表現(xiàn)為非擴(kuò)散性原子局域結(jié)構(gòu)重排，相當(dāng)數(shù)量的成核二十面體結(jié)構(gòu)形成，其中大部分可以保持其局域穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這些成核的二十面體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的生長.

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PACC:3640B，7115Q，6185，6800

*Project supported by the State Key Development Program for Basic Research of China(Grant No.G2006CB605103).

?Corresponding author.E-mail:zhanglin@imp.neu.edu.cn

Molecular dynamics study of relaxation and local structure changes in a rapidly quenched molten Cu57cluster*

Fan Qin-Na Li Wei Zhang Lin?
(College of Science，Northeastern University，Shenyang110004，China)
(Received 11 May 2009;revised manuscript received 3 July 2009)

Relaxation and local structure changes of a molten Cu57cluster during rapidly quenching have been studied by molecular dynamics simulation using embedded atom method.With decreasing quenching temperature，atom motion details are analyzed using three factors，including the mean square displacement，incoherent intermediate scattering function，and non-Gaussian parameter，while the local structure changes are identified by pair analysis.Simulation results reveal that after a drastic collective motion of atoms，the temperature greatly affects the relaxation processes of the cooled cluster.At a high quenching temperature，after atoms dramatically move in a β relaxation region，diffusion motion of the atoms plays a dominant roles followed by non-diffusion rearrangements of local atomic structures，and no nucleation occurs.When the temperature decreases，local structure changes of atoms occur as the initial dramatic motion，then through the diffusion of atoms in the α relaxation region，and some unstable icosahedral structures are observed.At a low quenching temperature，the structure changes in the α relaxation region result mainly from non-diffusion rearrangement of the atom positions，and a notable amount of icosahedral structures are formed.

cluster，molecular dynamics，computer simulation，surface

book=102,ebook=102

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):G2006CB605103)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:zhanglin@imp.neu.edu.cn