Calculation of Surface Properties of Cubic and Hexagonal Crystals through Molecular Statics Simulations

Abstract

Surface property is an important factor that is widely considered in crystal growth and design. It is also found to play a critical role in changing the constitutive law seen in the classical elasticity theory for nanomaterials. Through molecular static simulations, this work presents the calculation of surface properties (surface energy density, surface stress and surface stiffness) of some typical cubic and hexagonal crystals: face-centered-cubic (FCC) pure metals (Cu, Ni, Pd and Ag), body-centered-cubic (BCC) pure metals (Mo and W), diamond Si, zincblende GaAs and GaN, hexagonal-close-packed (HCP) pure metals (Mg, Zr and Ti), and wurzite GaN. Sound agreements of the bulk and surface properties between this work and the literature are found. New results are first reported for the surface stiffness of BCC pure metals, surface stress and surface stiffness of HCP pure metals, Si, GaAs and GaN. Comparative studies of the surface properties are carried out to uncover trends in their behaviors. The results in this work could be helpful to the investigation of material properties and structure performances of crystals.

Influence of HiPIMS Pulse Widths on the Structure and Properties of Copper Films

“…This indicates that, as the pulse width increases, the orientation of other oriented crystal planes, such as the (200) and (220) crystal planes, increases. For face-centered cubic lattices, the (111) crystal plane is the most stable because it has the lowest surface energy (γ(111) < γ(100) < γ(110)) [34,35]. This is clearly the result of the interaction between surface energy and strain energy.…”

Зависимость Поверхностной Энергии От Температуры И Давления Для Макро- И Нанокристалла

“…При этом экспериментальные значения для σ и σ ′ (T ) P оценивались, как правило, при T ≫ , а теоретические значения для σ -при T = 0 K. Как В работах [4,6,7,[56][57] точность экспериментального определения величины σ (100) для металлов оценивают в пределах ±(100−200) • 10 −3 J/m 2 . Численные методы расчета σ (100), согласно [6,8,10,[12][13][14]60], имеют точность ±(180−640) • 10 −3 J/m 2 . В связи с этим, определить значение σ ′ (T ) P , которое по величине порядка 10 −(4−5) J/(m 2 • K), экспериментально, либо путем численного моделирования очень проблематично.…”

“…Поэтому прогнозированию значения σ уделяется большое внимание. На сегодняшний день предложено несколько методов расчета величины σ для кристалла простого (однокомпонентного) вещества (см., например, [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15]). Но большинство из этих методов (например, [1,2,5,6,8,9,13,14]) работоспособны только при нулевой температуре (T = 0 K) и нулевом давлении (P = 0).…”

“…На сегодняшний день предложено несколько методов расчета величины σ для кристалла простого (однокомпонентного) вещества (см., например, [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15]). Но большинство из этих методов (например, [1,2,5,6,8,9,13,14]) работоспособны только при нулевой температуре (T = 0 K) и нулевом давлении (P = 0). Поэтому весьма актуальным является вопрос о зависимости функции σ как от температуры T , так и от давления P, при которых находится кристалл.…”