有限温度下位错的芯结构与Perierls应力的研究

Temperature in crystalline materials takes the form of the lattice vibrations in microcosmic. There are many defects of dislocation in materials, and the magnitude of lattice vibrations must have an important effect on the properties of dislocation. Over the years, the various theoretical models of dislocation have not include the temperature effects, so the properties related to the structure of dislocation at finite temperature can not be investigated. In this project, we will combine with the lattice theory of dislocation and the phonon spectra from the calculation based on the density functional theory to obtain the method of investigating the properties of dislocation at finite temperature. We will calculate the temperature dependence of the generalized stacking fault energy, the core structure of dislocation, and Peierls stress et.al., and discuss the mechanism of the dislocation mobilities under different temperature conditions. Furthermore, we will try to reveal the thermodynamic mechanism for the reconstruntions of dislocation core and the kink excitation of dislocation at finite temperature.

晶体材料温度的微观表现为晶格振动。材料中存在着大量的位错缺陷，晶格振动的剧烈程度必然对位错性质有着重要的影响。长期以来，关于位错的各种理论模型都不包含温度，无力研究有限温度下与位错结构有关的诸多性质。本项目结合晶格位错理论和基于密度泛函理论计算的声子谱，在理论上获得研究有限温度下位错性质的方法,计算广义层错能、位错芯结构、Peierls应力等性质随温度的变化规律，讨论不同温度下的位错运动机制，进而揭示在有限温度下位错芯重构和位错扭折激发的热力学机制。

晶体材料温度的微观表现为晶格振动，温度越高原子的振动越剧烈。位错是晶体中的本征线缺陷，晶格振动的剧烈程度必然对位错芯结构以及位错运动机制等相关性质有着重要影响。长期以来，关于位错的各种理论模型都不包含温度，无力研究有限温度下与位错结构有关的诸多性质。本项目结合晶格位错理论和基于密度泛函理论的第一性原理计算，在理论上获得研究有限温度下位错性质的方法。经过项目组成员历经三年的努力，取得的主要成果有：1. 明瞭了晶格振动与位错缺陷的关系，确定了研究有限温度下位错性质的准静态近似方法；2.结合第一性原理计算的声子谱，在准谐近似下确定了广义层错能随温度变化的计算方案；3.建立了研究有限温度下位错性质的基本方程，给出了位错方程中相关物理常数和物理量的第一性原理计算方案，包含温度效应的位错基本方程的建立是位错理论的新突破；4.具体研究了FCC金属Al，Ni, Cu的广义层错能随温度的变化的关系，研究了Al（111）面的分解位错，获得了位错芯结构、位错分解宽度、Peierls应力和Peierls势垒与温度的变化关系；5.结合第一性原理计算，研究了二维硅烯(Silicene)和氮化硼（BN）中的位错偶极子的结构、晶格动力学、振动缺陷模，并给出位错偶极子形成能的精确计算方法。.通过基金委对本项目的资助，项目负责人得以迅速成长（晋升副教授），形成了具有自身特色的研究队伍，解决了长期以来位错解析理论不能研究有限温度下位错性质的局限性，完成了预期的目标。本项目资助共发表SCI论文7篇（项目负责人均为通讯作者），协助陪养博士毕业一人（刘利利），陪养硕士毕业生1人（周颖）、在读硕士生1人（杨佳丽），陪养研究生中获得研究生国家奖学金2人次。