基于相场模型下Ag2Ga纳米针成型与控制研究

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Ag2Ga纳米针因其独特的机械、电子和光学性能被广泛地应用于机电、光学、生物等重要领域。目前,国内外Ag2Ga纳米针加工成型方法多数采用自组装方法。但是该方法存在加工成型难、实验过程无法精确控制以及实验结果存在偶然性等缺点,并且未对Ag2Ga纳米针成型机理做出解释。相比自组装实验法,相场方法在允许的微观尺度内能够模拟任意的微观结构演化过程,可从能量的角度更有效地研究微观结构动态形变过程。本文提出一种基于相场模型下Ag2Ga纳米针成型与控制研究方法,探讨Ag2Ga纳米针成型过程中微观结构的变化,并解释其成型机理,为Ag2Ga纳米针成型提供理论基础。论文的研究内容如下:(1)开展Ag2Ga纳米针成型过程中的数学模型研究,根据Ag与Ga接触反应时的原子扩散机理建立三维相场模型,详细的分析了模型中各相的能量变化,根据Cahn-Hilliard理论分别推导出Ag、Ga和Ag2Ga微观结构演化的控制方程,并且利用半隐式傅里叶谱方法和二阶向后差分法求得控制方程的数值解;(2)模拟Ag2Ga纳米针的成型过程,利用C语言对控制方程进行编程仿真,模拟出Ag、Ga和Ag2Ga的微观结构演化特征,总结出成型规律。分析了Ag2Ga纳米针长度和直径随时间变化的规律,并总结出Ag2Ga纳米针长径比变化规律。(3)探讨了不同表面能系数对Ag2Ga纳米针尖端形貌成型的影响,对比三组仿真结果,总结出表面能系数对Ag2Ga纳米针尖端形貌变化的影响规律;于此同时,还研究了当不同外力方向作用在Ag一端时对结果的影响,分析外力方向垂直和平行于Ag-Ga界面时Ag2Ga纳米针尖端形貌的变化,为控制Ag2Ga纳米针尖端形貌的加工成型提供新的方向。
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