硅熔化特性的分子动力学模拟–-不同势函数的对比研究

分别采用Stillinger-Weber (SW)势、修正的成熟原子嵌入模型(MEAM)势、 Tersoff势和HOEP (highly optimized empirical potential)势来描述硅原子间相互作用, 运用分子动力学方法对比模拟研究了四种势函数的硅晶体的体熔化和表面熔化特性. 结果表明: 四种势函数均能反映出硅的热膨胀、高温熔化和熔化时吸热收缩等基本物理规律. 但综合对比发现, Tersoff势和MEAM势相对更适合描述硅的熔化和凝固过程, SW势次之, HOEP势则不适合描述硅的熔化和凝固过程. 关键词： 硅 势函数 熔化 分子动力学     

辐照损伤模拟中的Zr 原子势函数

以金属Zr 的一种嵌入原子形式(EAM) 的势函数为基础,通过引入一个调制函数的办法,在不同范围内修改了EAM 势函数的对势部分和原子电子密度分布部分,然后采用分子动力学方法计算点缺陷(间隙原子(SIA) 和空位) 形成能和初级离位原子(PKA) 的阈值能,从而探讨这些物理量对势函数的不同部分的敏感程度。计算结果表明:势函数的对势部分长程范围内的形式对缺陷的形成影响较小,其短程范围的形式对SIA 的形成比对空位的形成影响程度更大;对于PKA 的阈值能,其敏感区域来自于势函数的对势部分和原子电子密度分布的短程范围部分,但在不同晶向上的PKA 的阈值能对势函数的敏感程度有所不同。这些研究结果对于在研究Zr 金属的辐照损伤中势函数的选择或构建有指导意义。For the purpose of detecting the sensitive parts of an embedded atom method(EAM) potential which is considered to be used in molecular dynamics simulation of radiation effects of Zirconium, we introduce a modulation function to modify the pairwise potential and the atomic electron-density distribution of the EAM potential. Based on the modified potential function, the formation energies of the self-interstitial atom (SIA) and the vacancy atom are calculated as well as the displacement threshold energy of primary knock-on atom (PKA). The results indicate that the short range part of the pairwise potential has more greater influence on the SIAs formation than the vacancy formation. The defect formation energies are also very sensitive to the behavior of the atomic electron-density function in the range which is close to the cutoff distance. The displacement threshold is sensitive to the short range behaviors of both the airwise potential and the atomic electron-density function, however, the sensitivity is strongly dependent on the crystal-direction.     

BaTiO3晶体结构及弹性的分子动力学模拟

有效的势函数是分子动力学模拟的关键. 引入了一种势函数,该势函数的特点是运用参数r_eff计算原子间的静电作用. 通过分子动力学方法模拟得到了BaTiO₃晶体立方相、四方相结构的对关联函数和X射线衍射谱,计算得出了它们的晶格常数及弹性常数. 模拟结果与实验结果符合较好.该势函数可以有效地模拟BaTiO₃晶体的热学和力学性能. 关键词： 分子动力学模拟 势函数 3铁电晶体')" href="#">BaTiO₃铁电晶体     

双芯光纤孤子开关及其势函数研究

根据耦合非线性薛定谔方程研究孤子在双芯光纤中的传输,讨论了两芯具有不同增益或损耗的双芯光纤孤子开关特性。并用势函数的概念解释孤子在双芯光纤中的传输与开关行为。     

非平衡系统的势函数理论

势函数是在平衡态统计物理中应用得十分成功的理论，将势函数理论推广到非平衡系统是非平衡态统计物理的一项十分重要的任务。本文综述了非平衡态势函数理论的一个重要方面，即利用对随机过程的研究来建立系统的势函数，本文阐述了非平衡系统势函数的定义和概念；论证势函数在系统演化过程中的单调性质；详细介绍了各种计算非平衡势函数的方法；同时介绍了利用势函数解析地研究在噪声作用下的非线性系统的非定态演化行为。整个研究包     

FexO-SiO2-CaO-MgO-“NiO”系镍渣势函数及分子动力学模拟

从非经验参数角度构建基于两原子模型的Fe_xO-SiO₂-CaO-MgO-"NiO"渣的势函数,利用分子动力学模拟揭示调控镍渣组分与结构及物理化学性能之间的关系。结果表明： BMH（Born-Mayer-Huggins）势函数能够较好表征Fe_xO-SiO₂-CaO-MgO-"NiO"系镍渣的势能。当镍渣中CaO含量为15 wt.%时,Si⁴⁺-Si⁴⁺间配位数最小,此时熔渣的聚合度最低,有利于扩散。当Fe元素由Fe²⁺转换为Fe³⁺后,和O^2-结合能力更强,会导致熔渣更难以扩散,因而镍渣的黏度迅速升高,造成冶炼条件恶化,因此在镍闪速熔炼时要严格控制Fe²⁺/Fe³⁺的比例。模拟计算的黏度与实测值吻合较好,表明构建的势函数能够较好地反映镍渣的物化性能。     

纳米多晶铁的冲击相变研究

利用分子动力学方法研究了不同晶粒度的纳米多晶铁在冲击压缩下的结构相变过程,模拟结果表明:纳米多晶铁的冲击结构相变(由体心立方(bcc)结构 α 相到六角密排(hcp)结构 ε 相)发生的临界冲击应力在15 GPa左右.纳米多晶铁在经过弹性压缩变形后,晶界导致的塑性变形开始发生,然后大多数相变从晶界成核并最终发展为大规模相变.不同变形过程在应力和粒子速度剖面上能得到清晰的体现,并通过微观原子结构分析分辨.冲击压缩后的微观结构以晶界原子和以fcc结构原子充当孪晶界的hcp原子为主.晶粒度明显影响晶界变形及相变 关键词： 冲击相变 纳米多晶铁 冲击波 分子动力学     

空位的第一性原理及经验势函数的对比研究

利用第一性原理及Stillinger-Weber（SW）,EDIP和Tersoff经验势函数对比研究了硅中单空位(V₁)、双空位(V₂)和六边形空位环(V₆)的结构特性及形成能.讨论了经验势函数描述空位时的优点和缺点.结果发现,第一性原理方法可以精确描述空位的原子结构及能量特性,而短程有效的经验势函数无法描述空位所固有的量子效应,如Jahn-Teller变形等.另外,由于经验势函数自身的缺陷,EDIP和T3无法应用于空位结构特性的计算.虽然 关键词： 空位 第一性原理 经验势函数     

不同取向下单晶铁纳米线拉伸行为的模拟研究

本文利用分子动力学模拟的方法研究了不同取向、尺寸和温度因素对单晶体心立方铁纳米线的拉伸变形行为的影响.铁纳米线轴向初始取向分别为<001>、<110>、<111>、<102>、<112>,模拟了不同温度(10～700 K)和不同尺寸范围(1.5～5 nm)下的变形机制.研究结果表明取向、尺寸和温度会显著影响单晶体心立方铁纳米线的拉伸变形行为.分子动力学模拟结果表明,直径为2 nm的<001>铁纳米线在300 K的拉伸载荷下,主要通过孪晶的模式发生变形,最后拉伸取向转变为<110>.而在700 K下,<001>铁纳米线的拉伸变形模式由滑移主导.不同初始取向在不同温度和尺寸下其变形机制截然不同,这导致了铁纳米线不同的力学性能.本文系统性地研究了在不同取向下的铁纳米线变形机制随尺寸和温度变化发生的转变.     

外加磁场下铁的形核机理

本文采用直接冷却和两相模拟两种分子动力学方法,研究了外加磁场液态铁凝固过程的影响并将结果与无外加磁场的计算结果进行对比. 外加磁场对凝固过程的影响主要体现在临界温度、能量和径向分布函数. 计算结果表明,铁液的凝固相变过程主要是发生在1500∽1600 K的温度范围;在外加磁场作用下,液态铁的凝固点有明显减小的趋势. 通过对扩散系数和粘度的进一步分析,在外加磁场的存在下,体系的扩散系数增大而粘度减小,研究显示外磁场驱动的铁液原子涨落较强导致凝固点的降低.     

Diffusion in the aged aluminium film on iron

Metallic coatings of many types can be applied to steel to provide outstanding, long-term corrosion protection. A thin Al film is studied at an Fe substrate by the molecular dynamics method at temperatures ranging from 300 K to 1173 K. Al atoms are found to penetrate the Fe matrix at a temperature of 873 K. The potential energy of the system changes step-like at a temperature of 1173 K. At such temperature mean square atomic displacement significantly changes. The behaviors of the Al and Fe diffusion coefficients are mainly determined by the temperature dependence of the diffusion activation energy.     

单晶铁金属表面污染物的激光烧蚀机理

激光惯性约束核聚变装置中要求光学元件能够承受极高的激光通量,因此对装置内部洁净度有很高的要求.研究表明装置内部的颗粒污染物主要来源于装置内的机械结构件,杂散光作用下机械结构件表面的损伤将产生颗粒污染物.精密金属构件的激光诱导损伤问题是制约高功率激光装置超洁净制造的重要因素.由于机械结构件表面不可避免地存在污染物,因此本文基于传统的分子动力学能量耦合方式,模拟了激光与表面吸附污染物单晶铁的相互作用过程,探讨了铁材料在激光作用下的烧蚀行为,并分析了激光加载方式和激光能量密度对铁材料烧蚀的作用情况,对比研究了材料表面有无污染物对材料烧蚀的影响情况.研究表明：激光作用下铁材料表面原子在污染物原子的剧烈碰撞下呈现出不同的运动状态;激光能量瞬时加载时更容易烧蚀铁材料;当激光能量密度低于0.0064 J/cm²时,将去除铁材料表面的污染物并不会对铁材料产生烧蚀现象,进一步分析表明铁材料表面吸附污染物时更容易被激光烧蚀.研究结果可为提高高功率激光装置的内部洁净度、实现系统超洁净控制提供理论依据.     

单轴应变驱动铁bcc—hcp相转变的微观模拟

用分子动力学方法模拟了沿〈001〉晶向应变加载和卸载情况下单晶铁中体心立方(bcc)与六方密排(hcp)结构的相互转变,分析了相变的可逆性和微结构演化特征.微观应力的变化显示样品具有超弹性性质,而温度变化表明在相变和逆相变过程中均出现放热现象.相变起始于爆发式均匀形核,晶核由块状颗粒迅速生长为沿{011}晶面的片状分层结构; 而卸载逆相变则从形核开始就呈现片状形态,且相界面晶面指数与加载相变完全一致,表现出形态记忆效应.在两hcp晶核生长的交界面易形成面心立方(fcc)堆垛层错. fcc通过在hcp晶粒内     

Atomistic simulation of kink structure on edge dislocation in bcc iron

Based on the general theory of dislocation and kink, we have constructed the three kink models corresponding to the 1/2 （111）{011} and 1/2 （111）{112} edge dislocations （EDs） in bcc Fe using the molecular dynamics method. We found that the geometric structure of a kink depends on the type of ED and the structural energies of the atom sites in the dislocation core region, as well as the geometric symmetry of the dislocation core and the characteristic of the stacking sequence of atomic plane along the dislocation line. The formation energies and widths of the kinks on the 1/2 （111）{011} and 1/2 （111）{112} EDs are calculated, the formation energies are 0.05eV and 0.04eV, and widths are 6.02b and 6.51b, respectively （b is the magnitude of the Burgers vector）. The small formation energies indicate that the formation of kink in the edge dislocation is very easy in bcc Fe.     

Self-consistent Shaw optimized model potential: Application to the determination of structural and atomic transport properties of liquid alkali metals by molecular dynamics simulations

The ‘first-principles’ fully non-local and energy-dependent optimized model potential (OMP) derived by Shaw is developed further. In contrast to Shaw's original paper, OMP parameters are derived in a self-consistent manner that does not rely on knowledge of experimental values of the ionization and cohesive energies. To our knowledge, this is the first time that this method has been used for effective potential calculations. In an application to liquid Li, Na, and K alkali metals, we used OMP pseudopotential-based interactions between ions to carry out standard molecular dynamics simulations. In the calculations, the ionic structure for the liquid state was first checked at a temperature near the melting point. Similar accurate calculations, but for atomic transport properties, predict the temperature dependence of the self-diffusion coefficients. The theoretical results obtained are in overall agreement with available experimental measurements. Thus, one can have some confidence in the ability of the optimized model potential to give a good representation of the physical properties of these alkali ions in the liquid environment.     

Sn的分析型键级势

基于类似于Tersoff-Brenner模型的键级势架构, 从Sn的5种几何构型的基本物性第一性原理计算结果和实验结果出发, 通过Levenberg-Marquardt方法建立了Sn的分析型键级势.利用得到的相互作用势和分子动力学方法, 计算了Sn的β 相和体心四方晶体相的晶体结构、结合能、键距、键能以及体变模量, 并进而计算了Sn的α 和β 相的自由能、内能和熵随温度的变化.结果表明, β 相和体心四方晶体相的基本物性以及α↔β 相变温度计算结果与实验值符合良好, 建立的分析型键级势可用于Sn基钎料合金性质的大尺度分子动力学模拟. 关键词： 原子间相互作用势 Sn 分子动力学 第一性原理     

缺陷对铁单质薄膜磁致伸缩与磁矩演化的影响

磁致伸缩材料在传感、控制及能量与信息转换等领域应用前景广阔,此类材料的性能提升及工程应用已成为研究热点,但材料在制备与使用中不可避免会出现缺陷.本文以常用的铁磁性材料铁单质为研究对象,采用分子动力学方法分别建立无缺陷、孔洞缺陷与裂纹缺陷的铁单质磁致伸缩结构模型,分析了缺陷形式对铁单质薄膜磁致伸缩行为的影响,并从微观原子磁矩角度解释缺陷对磁致伸缩行为的影响机理.结果表明:缺陷会对其周围的原子磁矩产生影响,从而影响铁单质薄膜磁致伸缩,其中孔洞形缺陷对磁致伸缩的影响较小,裂纹形缺陷对磁致伸缩的影响较大.裂纹的方向会影响铁单质薄膜的磁致伸缩,与磁化方向平行的裂纹会降低材料在磁化方向上由初始状态至磁化达到饱和的最大磁致伸缩量;与磁化方向垂直的裂纹会提高材料在磁化方向上由初始状态至磁化达到饱和的最大磁致伸缩量.     

Zn-Mg合金的长程Finnis-Sinclair势

通过拟合Mg的晶格能、晶格常数、弹性常数,并将其与前人的结果相比较后获得了描述Mg的最优长程Finnis-Sinclair(F-S)势函数参数,使用同样方法并引入修正因子后得到了Zn的长程F-S势参数.基于单质Zn,Mg的F-S势参数,进一步拟合合金Mg₂₁Zn₂₅,MgZn₂,Mg₂Zn₁₁的晶格常数、晶格能获得Zn-Mg原子对的F-S势参数,构建了整套描述Zn-Mg合金的长程F-S势参数.在此 关键词： 长程Finnis-Sinclair势 Zn-Mg合金 分子动力学模拟