钛结晶行为的实验和模拟研究

刘亚军 左键

摘要：金属钛是一种具有单位体积重量轻、密度小、强度高等优点，在国防军工航空航天等领域有着重要的应用。金属钛的力学性能与其结晶性能有重要联系，因此需要从实验和模拟两方面对钛的结晶行为进行研究。本文首先采用磁控溅射方法在氧化镁基底上沉积金属钛薄膜，并采用X射线衍射手段对薄膜的结晶取向进行了研究，结果发现钛薄膜的结晶取向为[100]。随后，采用第一性原理模拟方法对两个钛原子之间的相互作用关系进行了模拟，计算结果表明当钛原子之间距离为1.9 Å时，两个钛原子相互作用达到平衡距离。

关键词：钛薄膜;X射线衍射;计算机模拟;相互作用

1、引言：

金属钛是一种过度元素，具有较强的抗腐蚀能力、较强的抗高温能力、较高的机械强度，密度较低，不与水反应，颜色为银白色。作为比强度最高的金属，钛运用于航空航天、汽车、手机、轮船等多种领域[1]。利用其低密度的特性制造出来的汽车不但能够减轻汽车本身的重量，而且还能减小运动时惯性带来的影响[2]。金属钛在医学也有着广泛的用途[3]，由于金属钛的弹性模量与人身体骨骼的弹性模量比较相近，而且与人体具有很高的生物相容性，故而能够在骨折的时候作为接骨板，能够用作修补牙齿时的基底，使修复假牙的装置安装在其上，进而修复牙齿。金属钛的性能研究与结晶取向有关，因此需要系統研究结晶取向。

因为钛薄膜表面具有不同的形貌以及透光性，所以大量的研究者对钛的结构以及性能进行了大量的研究。例如朱秀榕[4]等先通过激光微加工技术获得能够透过光线的掩模板，然后再通过掩模板，利用直流磁控溅射技术通过不同的磁射电流制备出了不同的钛薄膜光栅。然后用紫外光光度计对不同的钛薄膜光栅进行了光学性能和电学性能进行了测量。实验结果表明通过不断的加大溅射电流，导致堆积到样品上的钛薄膜越来越厚，而且通过肉眼观察可见，随着电流增加所呈现的样品颜色先由浅色变为深色最后颜射开始变淡。张东平[5]等溅射沉积工艺制备了钛薄膜，通过研究发射不同的入射电子能量进而研究所形成的钛薄膜表面的不同的相貌。结果表明，随着激射电压的升高金属钛表面的变化就越缓慢。通过相关的文献调研发现虽然目前有关金属钛的研究有很多，但是与金属钛结晶行为相关的研究还明显不足，因此本文通过实验加模拟的方法对金属钛结晶行为进行了研究。

2、实验和模拟参数

实验方面，首先采用磁控溅射方法，在氧化镁（100）基面上镀金属钛薄膜。实验过程主要参数中，沉积温度设置为250摄氏度，沉积速率2mg/S，真空度10-5GPa，镀膜时间三十分钟。首先对真空室进行抽真空，随后将靶材和氧化镁基底放入镀膜腔，镀膜结束后取出样品进行X射线衍射分析。

模拟方面，建立10×10×10 Å的立方盒子，在盒子中间位置放置两个钛原子，原子之间距离长度为R，计算体系能量随距离变化关系。计算采用SISTA软件，基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法，电子交换-关联能采用广义梯度近似（GGA），布里渊区中K点设置为4×4×1，截断能E-cut设置为300.00 eV。本文通过改变两个钛原子之间的距离，通过计算机模拟的方法来测量它们之间的能量，本文一共经过19次模拟实验对钛原子之间不同的距离进行实验，其中计算过程为打开SISTA软件，点击创建一个自己的文件夹，点击Build，找到crystals进入点击Rebuild，点击Add Atoms，修改b为0.6，点击Add，然后再将b修改为0.5点击Add。一共添加两个球，然后将元素为选择为Ti。右键选择Display style.在弹出的界面选择Ball and stick。然后点击Measure点击两个球显示距离，然后开始计算，弹出界面点击Run等待结果，在结果中找到energy记录数值。使用相同的方法记录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组数据。

3、结果与讨论

3.1 钛薄膜结晶取向实验结果

X射线衍射是通过X射线对所需要鉴定的材料进行衍射实验的一门技术，可以在进行衍射试验后的到相应的衍射图谱，而我们能够对得到的图谱进行分析，进而得到研究样品的分子、原子的形态和结构以及样品的成分等信息。样品制备成功后，对样品进行X射线衍射分析，得到了如图1所示的衍射图谱，其中横坐标为衍射角2Ө，纵坐标为强度。实验发现在38.5度有一个高度为一万的峰，采用Jade软件对峰进行物相匹配，得到该峰对应材料为Ti（001），即金属钛的结晶取向方向为（001）方向。另外再42.9度有一个高度超过十四万的峰，对应为基底（substrate）峰，为MgO（100）峰。

3.2 钛原子相互作用模拟结果

采用第一性原理对两个钛原子相互作用进行模拟，得到如图2所示结果。图2中横坐标为原子间的距离，纵坐标为体系能量，图中正方体为原子距离模拟图。由图可知，随着两个钛原子相互距离逐渐减小，体系能量降低。当两个钛原子之间的距离为1.9 Å，体系能量达到最低。继续增加距离，体系能量游少许增加，故两个钛原子之间相互作用，最佳距离是1.90 Å。

4、小结

本实验通过实验加模拟的方法对关于金属钛结晶取向进行了研究，首先在氧化镁基面上镀金属钛薄膜，然后进行X射线衍射实验，结果表明金属钛的金属钛的结晶取向方向为（001），然后本文通过计算机模拟进行钛原子之间相互作用力的模拟实验，结果表明当Ti-Ti间的距离为1.9Å时体系间能量最低结构最稳定，因此Ti-Ti相互作用的最佳距离为1.90Å。

参考文献：

[1]王怀柳.钛及钛合金在船舶工业的应用现状及发展[J].特钢技术，2013，19（04）：1-5.

[2]杨遇春.钛在汽车工业中的应用及降低钛材成本的工艺[J].中国工程科学，2005（08）：9-17.

[3]汪大林，徐君伍，于家斗.钛在口腔修复医学中的应用[J].稀有金属材料与工程，1993（03）：61-67.

[4]朱秀榕，董煜，李晓芬.溅射电流对钛薄膜光电性能的影响[J].赣南师范大学学报，2021，42（06）：30-34.

[5]齐红基，张东平，易葵，邵建达，范正修.溅射过程中粒子能量对钛薄膜表面形貌影响[J].光学学报，2004（11）：1450-1454.