肥皂泡筏中位错的理论研究

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肥皂泡是我们日常生活中再常见不过的东西,但其中却蕴含了许多深奥的物理学问题,引起无数物理学家的关注。正如开尔文所说:“如果你吹一个肥皂泡对其进行观察,你可以对它进行一生的研究,并从中获得一个又一个的物理规律。”北京奥运会的标志性建筑水立方的建筑灵感就是来自于对肥皂泡的形学和力学的研究成果。1934年位错模型提出后,解决了理论计算所得的切变强度值比实验所测得的切变强度值约高1000倍这个长期困扰着物理学家的问题。但是由于当时没有进行位错的直接实验观察,晶体中是否真的存在位错这个问题一直没有获得实验证明,使得当时一些科学家对位错理论持怀疑态度。1947年Bragg和Nye用肥皂溶液吹制出了由大量相同半径的肥皂泡所组成的一个二维泡筏,从中清晰的看到了位错,晶界等缺陷,为晶体中确实在位错提供了一个有力的证明。肥皂泡筏模型已被广泛的应用于多个领域,但是目前仍然没有一套系统的方法来计算其中的位错芯结构,因此找到一个有效的方法来讨论泡筏中的位错芯是十分必要的。经典的位错模型——P-N模型,是研究晶体中的位错芯结构的一个重要方法,但是由于它并没有充分考虑晶格的离散效应对位错的影响,而肥皂泡筏位错芯地方的离散效应又十分显著,加之肥皂泡之间的相互作用力律十分复杂,正弦力律近似不再适用,因此,很难从传统的P-N模型中得到精确的泡筏位错芯结构。近年来,作者的导师在P-N模型的基础上,基于晶格动力学,建立了全离散位错的晶格理论。该理论充分考虑了晶格的离散效应,提出了一个改进的位错方程,方程中包含对晶格离散效应的修正,已在讨论铁、硅、石墨烯等晶体中的位错中获得成功。本文通过求解泡筏中的改进位错方程,得到了由半径为0.296mm,0.592mm,0.650mm,0.888mm肥皂泡组成的泡筏中的位错芯结构,并将0.650mm的结果与实验值比较,结果两者吻合的非常好。从计算出的肥皂泡筏中的位错芯宽度,可以看到,随着组成肥皂泡筏的肥皂泡半径的减小,肥皂泡筏中的位错芯宽度迅速变宽。此外,我们还讨论了离散修正对泡筏为错芯结构的影响,结果发现组成泡筏的肥皂泡半径越大,离散效应修正越大。
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