CN109300509A

CN109300509A - 一种构建刃型位错原子结构的方法

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Publication number: CN109300509A
Application number: CN201811183635.4A
Authority: CN
Inventors: 吕柏林; 张艺程; 苏辉; 高学朋; 吴敏
Original assignee: Liaoning Shihua University
Current assignee: Liaoning Shihua University
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2019-02-01

Abstract

本发明公开了一种构建刃型位错原子结构的方法。该方法的主要内容包括，在给定包含晶体原子结构信息的文件的前提下，利用C/C++语言提取该文件中的晶体原子结构信息，自动计算出在该晶体特定位置特定方位包含拟构建刃型位错的原子坐标，然后按分子动力学软件能识别的文件格式输出数据到文件。本发明可方便快捷地在晶体内部任意位置直接构建任意位向、任意组态的一个或多个刃型位错，为分子动力学及其它计算机仿真技术对位错行为的精准研究创造了有利条件。

Description

一种构建刃型位错原子结构的方法

技术领域

本发明涉及分子动力学仿真技术领域，尤其涉及一种构建刃型位错原子结构的方法。

背景技术

晶体宏观上的塑性变形实质是位错在外力作用下运动的结果。晶体的生长、形变强化、滞弹性、断裂、相变、晶体的电磁性能、晶体的光学性质、超导性以及其他许多物理、化学性质都与位错有重要的关联。因此，位错的研究无论对于科学研究还是实际应用都有着重要意义。实验上研究位错的方法有浸蚀法、缀饰法、透射电子显微分析法、X射线衍射分析法、场离子显微分析法等。这些实验技术被广泛地应用于分析研究位错的密度、分布和组态以及它们的运动和交互作用等。但是在原子尺度上的研究（比如位错芯的研究），分子动力学模拟具有重要的地位。各种位错原子结构的直接构建有利于分子动力学对位错行为更为精准的研究。本发明公开了一种构建刃型位错原子结构的方法，解决了分子动力学及其它计算机仿真研究中刃型位错建模的问题，本发明公开的方法可方便快捷地在晶体内部任何位置构建任意方位、任意组态的刃型位错，而且可在一个晶体内创建多个不同位向和组态的刃型位错。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种方便快捷地构建刃型位错原子结构的方法，本方法在给定包含晶体的原子结构信息的文件的前提下，使用编程语言提取晶体的原子结构信息，自动计算出在晶体内部包含拟构建的刃型位错的原子坐标，然后按分子动力学软件能识别的文件格式输出文件。

本发明采用的技术解决方案如下：

步骤一：准备包含晶体模型原子结构信息的文件。

步骤二：使用编程语言提取上述文件中的原子结构信息，将坐标系原点移动到拟构建的刃型位错线上。旋转坐标系，使x轴在位错线的滑移方向上，y轴垂直于位错滑移面，然后计算晶体模型内所有原子在新坐标系中的坐标值。

步骤三：设定刃型位错周围晶格扭曲明显的区域在x和y方向的范围为2a×2b，根据下面的计算公式计算晶体模型内所有原子在x方向的位移q，y方向和z方向不发生位移，计算公式如下：

当-a≤x≤a且0≤y≤b时，q=-d/4×x/a×(1-y/b)，

当x>a且0≤y≤b时，q=-d/4×(1-y/b)，

当x<-a且0≤y≤b时，q=d/4×(1-y/b)，

当y>b时，q=0，

当-a≤x≤a且-b≤y<0时，q=d/2+d/4×x/a×(1+y/b)，

当x>a且-b≤y<0时，q=d/2+d/4×(1+y/b)，

当x<-a且-b≤y<0时，q=d/2-d/4×(1+y/b)，

当y<-b时，q=d/2，

其中，d为拟构建位错的Burgers矢量的长度。

步骤四：根据上面计算得到的每个原子的位移值，计算晶体模型内所有原子位移后的坐标值，由此在指定的位置构建出相应位向的刃型位错。

步骤五：按照步骤二的逆向移动坐标系，使坐标系恢复成原来的位向，为新的操作做准备。

步骤六：按分子动力学软件能识别的格式输出数据到文件。

以上内容即为本发明公开的构建刃型位错原子结构方法的主要内容。

本发明所公开的构建刃型位错原子结构的方法，可方便快捷地在晶体内部任何位置直接构建任意方位、任意组态的刃型位错，而且可在一个晶体内直接创建多个不同位向和组态的刃型位错，有利于分子动力学及其它计算机仿真技术对位错行为更为精准的研究。

附图说明

图1是本发明实施实例中创建的不含刃型位错的B2型NiAl金属间化合物20×20×20超胞的原子结构图。

图2是本发明实施实例中在超胞内构建有刃型位错(011)1/2[1-11]的原子结构图。

图3是本发明实施实例中在超胞内构建有两个刃型位错(011)1/2[1-11]和(001)[100]的原子结构图。

图4是本发明实施实例中在超胞内构建有两个刃型位错(011)1/2[1-11]和(001)[100]的原子结构的前视图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

实施例：

本实例公开了一种构建刃型位错原子结构的方法。本实例在一个B2型NiAl金属间化合物20×20×20超胞内创建两个刃型位错：经过超胞中心点的刃型位错(011)1/2[1-11]和经过点(15, 15, 15)的刃型位错(001)[100]。

（1）构建经过晶体中心(28.82, 28.82, 28.82)的刃型位错 (011)1/2[1-11]。

步骤一：采用Materials Studio创建20×20×20超胞，如图1所示，然后以car的格式输出数据文件。

步骤二：提取上述文件中的原子结构信息，将坐标原点移到超胞的中心点(28.82,28.82, 28.82)（原坐标系的原点在超胞的一角，x轴在晶向[100]，y轴在晶向[010]，z轴在晶向[001]），旋转坐标系，使x轴沿着晶向[1-11]，y轴沿着晶向[011]。

步骤三：设定刃型位错周围晶格扭曲明显的区域在x和y方向的范围为2a×2b，本实例取a和b为Burgers矢量的长度的4倍，计算晶体超胞内所有原子在x方向的位移q，y方向和z方向不发生位移，主要程序代码如下：

for(k = 0; k < total_no_atoms; k++){

d = 4.99177 / 2; a = 8 * d; b = 8 * d;

if ((atoms[k].x[0] >= -a) &&(atoms[k].x[0] <= a) && (atoms[k].x[1] >= 0)&& (atoms[k].x[1] <= b)) {q = -d / 4 * atoms[k].x[0] / a * (1 - atoms[k].x[1]/ b);}

if ((atoms[k].x[0] > a) && (atoms[k].x[1] <= b) && (atoms[k].x[1] >= 0)){q = -d/4*(1 - atoms[k].x[1] / b);}

if ((atoms[k].x[0] < -a) && (atoms[k].x[1] <= b) && (atoms[k].x[1] >= 0)){q = d/4*(1 - atoms[k].x[1] / b);}

if ((atoms[k].x[1] > b)) {q = 0;}

if ((atoms[k].x[0] >= -a) &&(atoms[k].x[0] <= a) && (atoms[k].x[1] < 0)&& (atoms[k].x[1] > -b)) {q = d / 2 + d / 4 * atoms[k].x[0] / a * (1 + atoms[k].x[1] / b);}

if ((atoms[k].x[0] > a) && (atoms[k].x[1] >= -b) && (atoms[k].x[1] < 0)){q = d / 2 + d / 4 * (1 + atoms[k].x[1] / b);}

if ((atoms[k].x[0] < -a) && (atoms[k].x[1] >= -b) && (atoms[k].x[1] < 0)){q = d / 2 – d / 4 * (1 + atoms[k].x[1] / b);}

if ((atoms[k].x[1] < -b)) {q = d / 2;}}。

步骤四：根据上面计算得到的每个原子的位移值q，计算晶体超胞内所有原子位移后的坐标值，由此构建出相应位向的刃型位错，程序代码如下：

atoms[k].x[0] += q。

步骤五：按照步骤二的逆向移动坐标系，使坐标系恢复成原来的位向。

步骤六：不进行任何操作，因为还要继续在这个超胞内构建另一个刃型位错。

由此，在B2型NiAl金属间化合物20×20×20超胞内构建了一个经过晶体中心的刃型位错(011)1/2[1-11]。图2为使用Ovito软件显示的位错识别图。

下面在此超胞内再构建一个经过点(15, 15, 15)的刃型位错(001)[100]。

（2）构建经过点(15, 15, 15)的刃型位错(001)[100]。

步骤一：不进行任何操作，因为是在上述晶体超胞内继续操作。

步骤二：将坐标原点移到点(15, 15, 15)位置，旋转坐标系，使x轴沿着[100]方向，y轴沿着[001]方向。

步骤三：设定刃型位错区在x和y方向的范围为2a×2b，，取a和b为Burgers矢量的长度的4倍，计算晶体超胞内所有原子在x方向的位移q，y方向和z方向不发生位移，程序主要代码如下：

for(k = 0; k < total_no_atoms; k++){

d = 2.882; a = 8 * d; b = 8 * d;

if ((atoms[k].x[1] > b)) {q = 0;}

if ((atoms[k].x[1] < -b)) {q = d / 2;}}。

步骤四：根据上面计算得到的每个原子的位移值q，计算晶体超胞内所有原子位移后的坐标值，由此构建出经过点(15,15,15)的刃型位错(001)[100]。程序代码如下：

atoms[kk].x[0] += q。

步骤六：按分子动力学软件能识别的格式输出数据到文件。

由此，在B2型NiAl金属间化合物20×20×20超胞内构建了两个刃型位错：经过晶体中心的(011)1/2[1-11]和经过点(15, 15, 15)的(001)[100]。图3和图4为使用Ovito软件显示的不同视角的位错识别图。

Claims

1.一种构建刃型位错原子结构的方法，其特征在于该方法在给定包含晶体的原子结构信息的文件的前提下，使用编程语言提取晶体的原子结构信息，自动计算出在晶体内部包含拟构建的刃型位错的原子坐标，然后按分子动力学软件能识别的文件格式输出文件，包含以下主要步骤：

步骤一：准备包含晶体模型原子结构信息的文件；

步骤二：使用编程语言提取上述文件中的原子结构信息，将坐标系原点移动到拟构建的刃型位错线上；旋转坐标系，使x轴在位错线的滑移方向上，y轴垂直于位错滑移面，然后计算晶体模型内所有原子在新坐标系中的坐标值；

当-a≤x≤a且0≤y≤b时，q=-d/4×x/a×(1-y/b)，

当x>a且0≤y≤b时，q=-d/4×(1-y/b)，

当x<-a且0≤y≤b时，q=d/4×(1-y/b)，

当y>b时，q=0，

当-a≤x≤a且-b≤y<0时，q=d/2+d/4×x/a×(1+y/b)，

当x>a且-b≤y<0时，q=d/2+d/4×(1+y/b)，

当x<-a且-b≤y<0时，q=d/2-d/4×(1+y/b)，

当y<-b时，q=d/2，

其中，d为拟创建位错的Burgers矢量的长度；

步骤四：根据上面计算得到的每个原子的位移值，计算晶体模型内所有原子位移后的坐标值，由此构建出相应位向的刃型位错；

步骤五：按照步骤二的逆向移动坐标系，使坐标系恢复成原来的位向，为新的操作做准备；

步骤六：按分子动力学软件能识别的格式输出数据到文件。