鈦結晶行為的實驗和模擬研究

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、強度高等優點，在國防軍工航空航天等領域有著重要的應用。金屬鈦的力學性能與其結晶性能有重要聯系，因此需要從實驗和模擬兩方面對鈦的結晶行為進行研究。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射線衍射手段對薄膜的結晶取向進行了研究，結果發現鈦薄膜的結晶取向為[100]。隨后，采用第一性原理模擬方法對兩個鈦原子之間的相互作用關系進行了模擬，計算結果表明當鈦原子之間距離為1.9 ?時，兩個鈦原子相互作用達到平衡距離。

關鍵詞：鈦薄膜;X射線衍射;計算機模擬;相互作用

1、引言：

金屬鈦是一種過度元素，具有較強的抗腐蝕能力、較強的抗高溫能力、較高的機械強度，密度較低，不與水反應，顏色為銀白色。作為比強度最高的金屬，鈦運用于航空航天、汽車、手機、輪船等多種領域[1]。利用其低密度的特性制造出來的汽車不但能夠減輕汽車本身的重量，而且還能減小運動時慣性帶來的影響[2]。金屬鈦在醫學也有著廣泛的用途[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候作為接骨板，能夠用作修補牙齒時的基底，使修復假牙的裝置安裝在其上，進而修復牙齒。金屬鈦的性能研究與結晶取向有關，因此需要系統研究結晶取向。

因為鈦薄膜表面具有不同的形貌以及透光性，所以大量的研究者對鈦的結構以及性能進行了大量的研究。例如朱秀榕[4]等先通過激光微加工技術獲得能夠透過光線的掩模板，然后再通過掩模板，利用直流磁控濺射技術通過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對不同的鈦薄膜光柵進行了光學性能和電學性能進行了測量。實驗結果表明通過不斷的加大濺射電流，導致堆積到樣品上的鈦薄膜越來越厚，而且通過肉眼觀察可見，隨著電流增加所呈現的樣品顏色先由淺色變為深色最后顏射開始變淡。張東平[5]等濺射沉積工藝制備了鈦薄膜，通過研究發射不同的入射電子能量進而研究所形成的鈦薄膜表面的不同的相貌。結果表明，隨著激射電壓的升高金屬鈦表面的變化就越緩慢。通過相關的文獻調研發現雖然目前有關金屬鈦的研究有很多，但是與金屬鈦結晶行為相關的研究還明顯不足，因此本文通過實驗加模擬的方法對金屬鈦結晶行為進行了研究。

2、實驗和模擬參數

實驗方面，首先采用磁控濺射方法，在氧化鎂（100）基面上鍍金屬鈦薄膜。實驗過程主要參數中，沉積溫度設置為250攝氏度，沉積速率2mg/S，真空度10-5GPa，鍍膜時間三十分鐘。首先對真空室進行抽真空，隨后將靶材和氧化鎂基底放入鍍膜腔，鍍膜結束后取出樣品進行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鈦原子，原子之間距離長度為R，計算體系能量隨距離變化關系。計算采用SISTA軟件，基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理方法，電子交換-關聯能采用廣義梯度近似（GGA），布里淵區中K點設置為4×4×1，截斷能E-cut設置為300.00 eV。本文通過改變兩個鈦原子之間的距離，通過計算機模擬的方法來測量它們之間的能量，本文一共經過19次模擬實驗對鈦原子之間不同的距離進行實驗，其中計算過程為打開SISTA軟件，點擊創建一個自己的文件夾，點擊Build，找到crystals進入點擊Rebuild，點擊Add Atoms，修改b為0.6，點擊Add，然后再將b修改為0.5點擊Add。一共添加兩個球，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。然后點擊Measure點擊兩個球顯示距離，然后開始計算，彈出界面點擊Run等待結果，在結果中找到energy記錄數值。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組數據。

3、結果與討論

3.1 鈦薄膜結晶取向實驗結果

X射線衍射是通過X射線對所需要鑒定的材料進行衍射實驗的一門技術，可以在進行衍射試驗后的到相應的衍射圖譜，而我們能夠對得到的圖譜進行分析，進而得到研究樣品的分子、原子的形態和結構以及樣品的成分等信息。樣品制備成功后，對樣品進行X射線衍射分析，得到了如圖1所示的衍射圖譜，其中橫坐標為衍射角2?，縱坐標為強度。實驗發現在38.5度有一個高度為一萬的峰，采用Jade軟件對峰進行物相匹配，得到該峰對應材料為Ti（001），即金屬鈦的結晶取向方向為（001）方向。另外再42.9度有一個高度超過十四萬的峰，對應為基底（substrate）峰，為MgO（100）峰。

3.2 鈦原子相互作用模擬結果

采用第一性原理對兩個鈦原子相互作用進行模擬，得到如圖2所示結果。圖2中橫坐標為原子間的距離，縱坐標為體系能量，圖中正方體為原子距離模擬圖。由圖可知，隨著兩個鈦原子相互距離逐漸減小，體系能量降低。當兩個鈦原子之間的距離為1.9 ?，體系能量達到最低。繼續增加距離，體系能量游少許增加，故兩個鈦原子之間相互作用，最佳距離是1.90 ?。

4、小結

本實驗通過實驗加模擬的方法對關于金屬鈦結晶取向進行了研究，首先在氧化鎂基面上鍍金屬鈦薄膜，然后進行X射線衍射實驗，結果表明金屬鈦的金屬鈦的結晶取向方向為（001），然后本文通過計算機模擬進行鈦原子之間相互作用力的模擬實驗，結果表明當Ti-Ti間的距離為1.9?時體系間能量最低結構最穩定，因此Ti-Ti相互作用的最佳距離為1.90?。

參考文獻：

[1]王懷柳.鈦及鈦合金在船舶工業的應用現狀及發展[J].特鋼技術，2013，19（04）：1-5.

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

[3]汪大林，徐君伍，于家斗.鈦在口腔修復醫學中的應用[J].稀有金屬材料與工程，1993（03）：61-67.

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

[5]齊紅基，張東平，易葵，邵建達，范正修.濺射過程中粒子能量對鈦薄膜表面形貌影響[J].光學學報，2004（11）：1450-1454.