从头计算分子动力学

Ｃａｒ、Ｐａｒｒｉｎｅｌｏ首次提出的从头计算分子动力学方法有机地结合了密度泛函理论和分子动力学技术，是目前计算机模拟实验中最先进最重要的方法之一。本文简要地阐述了从头计算分子动力学方法的原理和具体实现，以及近年来这一方法的发展和重要应用。     

动力学研究AlN/α-Al2Ｏ3（0001）薄膜生长初期的吸附与扩散

采用基于第一性原理的从头计算分子动力学方法,计算了300—800℃下AlN吸附过程与系统能量、动力学轨迹以及扩散系数.研究表明,吸附过程由物理吸附、化学吸附和表面稳定态三个阶段组成,在吸附成键过程中,温度越高,粒子平均表面扩散能力增强.N原子的扩散系数大于Al原子的扩散系数,尤其是在物理吸附阶段.在较高温度条件下（大于700℃）,N的解吸附作用明显增强,不利于AlN的稳定吸附生长,500—700℃之间的温度有利于AlN在α-Al₂Ｏ₃（0001）表面的稳定吸附生 关键词： 2Ｏ₃（0001）表面')" href="#">α-Al₂Ｏ₃（0001）表面 扩散 吸附生长 从头计算分子动力学     

基于最新势能面的C(~1D)+H_2反应的环聚合分子动力学研究（英文）

本文利用环聚合分子动力学方法对C(~1D)+H_2反应开展了详细的理论研究.计算中使用了最近构建的Zhang-Ma-Bian(ZMB)从头算势能面,该势能面对锥形交叉附近区域以及范德华区域均有精确的描述.环聚合分子动力学计算得到的热反应速率常数与最新实验值吻合很好.与前人计算结果比较,发现在?~1A'电子基态的ZMB-a势能面上获得的反应速率常数远大于前人构建的RKHS势能面上的结果,这是由于ZMB势能面上的范德华鞍具有与之前势能面上的范德华阱完全不同的动态学作用,表明环聚合分子动力学方法能够处理范德华作用引起的势能面拓扑结构所导致的动态学效应.本文还揭示了b~1A"电子激发态ZMB-b势能面以及量子效应对反应的重要性.     

钠原子微团簇Nan（n=2—5）的振动特性

采用距离相关的紧密结合模型，对Ｎａｎ（ｎ＝２－５）的振动特性进行了分析。通过求解Ｈｅｓｓｉａｎ矩阵和对距离相关的紧密结合分子动力学轨道所作的速度自关联函数的福里叶变换分析，得到了这些钠原子微团簇的振动频率。对Ｎａ２和Ｎａ３，这两种计算方法和实验，和从头计算法的计算结果一致，并对Ｎａ４和Ｎａ５的振动频率作了预言。     

硅团族结构和碎片行为的紧束缚理论方法

利用紧束缚分子动力学模拟退火方法研究了硅族Ｓｉ（ｎ＝２－１４）的结构性质和能量。通过与前人工作结果（Ｓｉ２－Ｓｉ１０）的比较,发现本理论方法的结果相当准确地再出了从头计算的结论。对较大的硅团族所作的计算给出了有意义的结构预测。从能量观点出发,计算结果表明原子数分别为４,６,７,１０,１２和１４的硅团族较为稳定。还进一步研究了硅团族的碎片行为,理论计算的结果表明较大的硅团族的稳定碎片产物通常包括一个     

水在金属表面的氢键网络结构振动谱研究

用从头计算分子动力学模拟方法研究了水在Pt(111)表面上的吸附。总能优化和振动谱分析都表明，在这个表面上水以有序的分子态双层结构存在。这一结论和最近对水在Ru(0001)表面上吸附的计算结果相悖，但和已有的实验相符。此外，文章作者首次确定双层结构中存在两种不同的氢键形式。这两种氢键可以通过0H伸缩振动模的振动谱得到直接证实。     

硅团簇结构和碎片行为的紧束缚理论方法

利用紧束缚分子动力学模拟退火方法研究了硅团簇Sin(n=2—14)的结构性质和能量.通过与前人工作结果(Si2—Si10)的比较,发现本理论方法的结果相当准确地再现了从头计算的结论.对较大的硅团簇所作的计算给出了有意义的结构预测.从能量观点出发,计算结果表明原子数分别为4,6,7,10,12和14的硅团簇较为稳定.还进一步研究了硅团簇的碎片行为,理论计算的结果表明较大的硅团簇的稳定碎片产物通常包括一个或两个“幻数”团簇     

基于周期性边界条件的分块量子化学方法对液态水的从头算分子动力学模拟

本文利用分块量子化学方法,实现了在周期性边界条件下应用二阶微扰(MP2)理论对液态水的从头算分子动力学模拟. 通过采用aug-cc-pVDZ基组,MP2理论可以精确地描述水分子之间的相互作用势能面,因而在描述水的各项理化性质方面,MP2有望提供比密度泛函理论更加精确的结果. 本研究计算了多种水的结构及动力学性质,包括径向分布函数,扩散系数,偶极矩,三个临近氧原子的角度分布,氢键结构,都得到了与实验观测一致的结果. 因此,周期性边界量子分块方法可以作为一种研究水的物质结构的可靠理论方法,并且有望促进水科学领域争议性问题的解决. 同时,该方法具有普适性和可扩展性,为有效应用高精度量子化学从头算方法计算其他凝聚态体系提供了理论框架.     

基于周期性边界条件的分块量子化学方法对液态水的从头算分子动力学模拟（英文）

本文利用分块量子化学方法,实现了在周期性边界条件下应用二阶微扰(MP2)理论对液态水的从头算分子动力学模拟.通过采用aug-cc-pVDZ基组,MP2理论可以精确地描述水分子之间的相互作用势能面,因而在描述水的各项理化性质方面,MP2有望提供比密度泛函理论更加精确的结果.本研究计算了多种水的结构及动力学性质,包括径向分布函数,扩散系数,偶极矩,三个临近氧原子的角度分布,氢键结构,都得到了与实验观测一致的结果.因此,周期性边界量子分块方法可以作为一种研究水的物质结构的可靠理论方法,并且有望促进水科学领域争议性问题的解决.同时,该方法具有普适性和可扩展性,为有效应用高精度量子化学从头算方法计算其他凝聚态体系提供了理论框架.     

金属钨中氦行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了氦在金属钨中的扩散聚集行为. 首先,建立了氦与钨原子间相互作用势,短程部分采用ZBL势形式,长程部分采用从头算法数据,实现了两者之间的平滑连接. 通过计算氦在钨中不同间隙位的形成能发现,单个氦原子更易存在于金属钨中的四面体间隙位,这与最新的研究成果是一致的. 在400-1200 K的温度范围内,考察了氦原子在金属钨中的扩散行为,获得了扩散迁移能,其值介于实验值和从头算法结果之间. 最后,研究了氦的聚集行为,从能量的角度考察了氦团簇形成初期的生长机理. 研究发现,在氦团簇形成初期,氦团簇对氦的结合能随着氦团簇的生长有逐渐增大的趋势,说明氦团簇吸收氦的能力逐渐增强. 关键词： 氦扩散 氦团簇 辐照损伤 分子动力学模拟     

并行化光滑分子动力学方法及其与分子动力学的耦合

提出光滑分子动力学方法(SMD)的并行化计算方法,编制光滑分子动力学以及光滑分子动力学-分子动力学(SMD-MD)耦合的并行程序,并分析铜纳米单晶的单向拉伸和带裂纹板的拉伸问题.光滑分子动力学在分子动力学基础上引入背景网格,在背景网格点上求解运动方程,由此将控制MD临界时间步长的因素化为背景网格单元尺寸,扩大可用的时间积分步长,缩短总计算时间.通过单晶拉伸和带裂纹板拉伸等较大规模问题的计算,验证方法的正确性.与传统分子动力学相比,SMD和SMD-MD耦合方法可以节约计算时间.     

基于最新势能面的C(1D)+H2反应的环聚合分子动力学研究

本文利用环聚合分子动力学方法对C(¹D)+H₂反应开展了详细的理论研究. 计算中使用了最近构建的Zhang-Ma-Bian(ZMB)从头算势能面,该势能面对锥形交叉附近区域以及范德华区域均有精确的描述. 环聚合分子动力学计算得到的热反应速率常数与最新实验值吻合很好. 与前人计算结果比较,发现在?¹A′电子基态的ZMB-a势能面上获得的反应速率常数远大于前人构建的RKHS势能面上的结果,这是由于ZMB势能面上的范德华鞍具有与之前势能面上的范德华阱完全不同的动态学作用,表明环聚合分子动力学方法能够处理范德华作用引起的势能面拓扑结构所导致的动态学效应. 本文还揭示了b¹A′′电子激发态ZMB-b势能面以及量子效应对反应的重要性.     

B1结构MgO晶体能带与静态性质的LMTO-ASA研究

本文探讨LMTO-ASA能带从头计算方法在B1结构晶体研究中的应用。着重研究了该结构MgO晶体的晶格常数、体模量和结合能等有关静态性质以及能带结构计算中添加空原子球的重要作用,采用了一种计算量很小而准确度却与计算量很大的从头计算赝势法相当的LMTO研究方法。该方法对B1结构MgO晶体的晶格常数a₀、体模量B₀和结合能E_c的计算结果分别为:4.21?,1.58Mbar和5.73eV/atom,与已有实验结果和其它更为复杂的从头计算方法的计算结 关键词：     

在可扩展机群系统上二维分子动力学问题的并行计算

用分子动力学方法可以有效地研究凝聚介质的激波压缩,并在许多领域得到了广泛应用。由于此方法计算量太大,所以研究并行算法和优化计算就显得特别重要。现在,在可扩展机群系统上,实现了分子动力学程序的并行计算。     

量子化学计算辅助聚（N-异丙基丙烯酰胺）溶液碳谱的归属

测定了聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAM）的溶液高分辨定量¹³C NMR谱,使用γ-gauche效应和Gaussian98从头计算GIAO-CHF两种方法分别计算了各立构序列的化学位移. 结果表明在计算结果与实验数据之间的符合程度方面,从头计算方法明显优于γ-gauche效应方法.利用从头计算的结果对谱图作了相应归属,并分析了PNIPAAM的立构规整度. 结果表明PNIPAAM链的增长服从Bernoulli过程,立构序列满足无规分布.这说明量化计算和NMR相结合是研究高分子高级链结构的有效方法.     

基于串珠分子动力学的Cl+XCl→XCl+Cl(X=H,D,Mu)反应的速率系数和动力学同位素效应研究（英文）

本文用串珠分子动力学计算典型的重-轻-重反应Cl+XCl→XCl+Cl(X=H,D,Mu)的热速率系数和动力学同位素效应.对于Cl+HCl反应,串珠分子动力学方法计算得到的结果与实验值之间的高度一致性为串珠分子动力学理论的准确性提供了有力的证据.串珠分子动力学结果也与其他理论方法的计算结果相一致,包括正则变分过渡态理论和量子动力学方法.Cl+MuCl反应在过渡态附近存在势能双峰,留下了自由能阱,它来自于势能面峰值处反应系统的模式软化.同时,如此明显的自由能阱表明存在反应共振.对于Cl+DCl反应,与实验值相比,串珠分子动力学速率系数再次给出了非常准确的结果.唯一的例外是在312.5K的温度下,串珠分子动力学速率系数和其他理论方法计算得到的结果彼此接近,却略低于实验值,表明误差可能源于实验测量或本文使用的势能面不够精确.     

动力学研究AlN/α-Al2O3(0001)薄膜生长初期的吸附与扩散

采用基于第一性原理的从头计算分子动力学方法,计算了300-800℃下AlN吸附过程与系统能量、动力学轨迹以及扩散系数.研究表明,吸附过程由物理吸附、化学吸附和表面稳定态三个阶段组成,在吸附成键过程中,温度越高,粒子平均表面扩散能力增强.N原子的扩散系数大于Al原子的扩散系数,尤其是在物理吸附阶段.在较高温度条件下(大于700℃),N的解吸附作用明显增强,不利于AlN的稳定吸附生长,500-700℃之间的温度有利于AlN在α-Al2O3(0001)表面的稳定吸附生长.     

于串珠分子动力学的Cl+XCl→XCl+Cl(X=H，D，Mu)反应的速率系数和动力学同位素效应研究

本文用串珠分子动力学计算典型的重-轻-重反应Cl+XCl→XCl+Cl(X=H,D,Mu)的热速率系数和动力学同位素效应. 对于Cl+HCl反应,串珠分子动力学方法计算得到的结果与实验值之间的高度一致性为串珠分子动力学理论的准确性提供了有力的证据. 串珠分子动力学结果也与其他理论方法的计算结果相一致,包括正则变分过渡态理论和量子动力学方法. Cl+MuCl反应在过渡态附近存在势能双峰,留下了自由能阱,它来自于势能面峰值处反应系统的模式软化. 同时,如此明显的自由能阱表明存在反应共振. 对于Cl+DCl反应,与实验值相比,串珠分子动力学速率系数再次给出了非常准确的结果. 唯一的例外是在312.5 K的温度下,串珠分子动力学速率系数和其他理论方法计算得到的结果彼此接近,却略低于实验值,表明误差可能源于实验测量或本文使用的势能面不够精确.     

NaNO2晶体线性和非线性光学系数的计算

使用从头计算平面波赝势方法,计算了NaNO₂晶体电子能带结构,并使用改进的倍频公式计算了它的线性折射率和静态二级非线性系数,所得到的结果和实验值相符.采用实空间原子切割方法分析了阳离子和阴离子基团对光学性质的贡献.计算表明(NO₂)-基团对双折射率和倍频系数的贡献占主要地位,从而进一步验证了阴离子基团理论的正确性 关键词： 电子结构 非线性光学系数 从头计算方法     

Si团簇的结构特性研究

采用由 M.Menon等人的非正交紧束缚模型,结合遗传算法和分子动力学方法,对n=2～20的中小尺寸Si团簇的结构进行了优化,计算了束缚能Eb、平均配位数CN,团簇的裂化能Efrag,总能的二阶差分Δ2E,最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)的能隙Eg, 结合Mullikon集居数分析研究了电子特性,得出了随着团簇尺寸的增加,团簇的构型发生了近球形-长椭球形-近球形的转变、n=4,7,10等团簇具有较强稳定性、团簇中原子之间共价键性结合占支配地位等主要结论.所得的主要结论与已有的从头计算和实验结果相一致.