CN111081323A - 一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，属于石墨烯的分子动力学模拟领域。本发明的目的是为了解决大规模石墨烯结构的高效快速准确计算问题，所述方法为：调整原Tersoff势函数参数；探索一级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数；探索二级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数。该计算方法参数选取简单、计算速度快、计算精度高，可以解决大型石墨烯结构的计算问题。本发明的方法参数选取思路简单，无需其他复杂的理论知识与数学推导，符合大型工程计算的要求。该粗粒化方法可以实现多级粗粒化模拟计算，对于具有对称结构的石墨烯材料而言通过选取合适的势函数参数，可以极大地减少计算成本，优化效率可以不断升高。

Description

一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法
技术领域
本发明属于氧化石墨烯计算领域，具体涉及一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法。
背景技术
石墨烯在2004年被Novoselov等人在实验室成功分离出来，是目前人们已知的最坚硬的纳米材料。石墨烯中的每一个碳原子都伸出三条键与周围的3个原子以σ共价键相连，整体呈现出蜂窝状结构。所有碳原子未参与杂化的p轨道整体形成一个大π键，这为石墨烯赋予了独特的电学特性。现有研究表明，石墨烯的理论比表面积可达2630m2g-1，本征电子迁移率可达200000cm2v-1s-1，杨氏模量可达1TPa，还具有优异的导热性3000-5000Wm-1K-1，高达97.7％的光学透明度。由于其独特的力学、电学性能，石墨烯材料被应用于各个领域中。除了实际制备，石墨烯也成为分子模拟算法的主要研究对象。对于大规模分子系统，现已开发出粗粒化算法来优化计算过程。粗粒化算法是一种针对大型、复杂结构设计的节约计算成本提高计算效率的算法。在粗粒化算法中，重复的基团或结构可以用一个粗粒子表示，通过定义粗粒子之间的键长、键角、二面角以及非键范德华作用，就可以得到适用于该粗粒模型的粗粒化函数，主要应用于化学、生物、聚合物等领域中。
Chiu等人提出了一种基于多极展开法的富勒烯粗粒度分子模拟方法，该方法构建了一种近似于原子间相互作用的可转移的统一原子势，辅以经验力场和实验数据与从头算电子结构得到相关参数。他们采用这种函数模拟了富勒烯的缩合机理，与全原子分子动力学模拟结果非常吻合。Gu等人建立了一种新的基于梁单元的粗粒度模型，有效地研究了具有所有边界夹紧支撑的超大石墨烯碳纳米管(SGCNT)网络系统的力学行为。通过所提出的粗粒度模型，得到了不同直径和长度的单壁碳纳米管(SWCNTs)构成的SGCNT网络的固有频率和振型。但是上述对于粗粒化力场参数选择的方法均过于复杂，对力场参数的推导与选取没有有效地与结构本身特点相结合。
为了实现对大规模碳材料系统的高速计算问题，现在普遍采用借助能量守恒或从头算依据的粗粒化算法，从而简化计算量提高运算速度。但是这些方法计算过程十分复杂，需要借助量数学退单完成计算，因此从操作时间来看并没有真正实现优化计算节省时间的目的。
Ruiz等人建立了一种保留石墨烯六元环网状结构和手性特性的粗粒化力场，他们根据粗粒子之间键、键角、二面角和范德华作用与石墨烯宏观力学性质之间的关系完善了粗粒化力场的各项参数。该力场参数应用于多层石墨烯搭接拔出模型具有很好的精确度。Shang等人根据Tersoff势的函数形式提出了一种新的粗粒化势函数，根据几何关系确定Tersoff势函数中的参数变化规律并进行校正。使用该粗粒化势函数对石墨烯气凝胶的验证计算中发现，石墨烯气凝胶的结合处在能量弛豫过程中自动形成化学键，同时石墨烯气凝胶的压缩和回复试验也成功复现了石墨烯气凝胶的高弹性。粗粒化算法参数的选取虽然降低了复杂程度，但是只能实现对结构的一次简化，即优化效率并不高。
综上所述，如何用准确、简易的算法多次提高分子系统的计算效率最大程度上节省计算资源，对于系统地模拟分析碳材料结构体系十分重要，而准确高速的模拟结果对于碳材料未来的发展应用也具有及其重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于解决大规模石墨烯结构的准确快速计算问题，提供一种基于Tersoff势函数的石墨烯多级粗粒化方法，所述方法可以应用于分子动力学模拟中，从而实现对极大规模石墨烯结构的准确模拟。此外该算法原理简单、易于分析。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，所述方法步骤如下：
S1：调整原Tersoff势函数参数；
S2：探索一级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数；
S3：探索二级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数；
其中，首先对选取的原SiC_Erhart-Albe.Tersoff版本势函数进行参数调整来校正模拟精度，然后根据石墨烯六边形网格结构调节与键、几何相关的参数，再根据单轴拉伸的应力应变曲线调节其他参数，从而得出多级粗粒化模型的势函数参数。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
(1)本发明的方法参数选取思路简单，无需其他复杂的理论知识与数学推导，符合大型工程计算的要求。
(2)该粗粒化方法可以实现多级粗粒化模拟计算，对于具有对称结构的石墨烯材料而言通过选取合适的势函数参数，可以极大地减少计算成本，优化效率可以不断升高。
(3)这种基于Tersoff势函数的多级粗粒化方法同时兼顾了模拟的准确性与高效性，非常适用于模拟计算大型石墨烯系统。
附图说明
图1为原级石墨烯模型、一级粗粒化模型与二级粗粒化模型示意图；
图2为多级粗粒化力场应用在原级石墨烯模型、一级粗粒化模型与二级粗粒化模型的单轴拉伸应力应变曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，该方法可扩大计算规模提高计算速度，所述方法步骤如下：
S1：调整原Tersoff势函数参数；
S2：探索一级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数；
S3：探索二级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数；
其中，首先对选取的原SiC_Erhart-Albe.Tersoff版本势函数进行参数调整来校正模拟精度，然后根据石墨烯六边形网格结构调节与键、几何相关的参数，再根据单轴拉伸的应力应变曲线调节其他参数，从而得出多级粗粒化模型的势函数参数。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，S1中，调节原SiC_Erhart-Albe.Tersoff版本势函数校正石墨烯模拟的硬化现象。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，S2中，根据原石墨烯六边形网格进行一级粗粒化，并调节与模型几何相关的参数λ1、λ2、A、B，后又根据拉伸曲线调节其他相关参数R。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，S3中，根据一级粗粒化模型中保留的六边形网格进行二级粗粒化，并调节与模型几何相关的参数λ1、λ2、A、B，并根据拉伸曲线调节其他相关参数R、D。
具体实施方式五：具体实施方式四所述的一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，根据拉伸曲线调节其他相关参数R、D时，所述参数的选取需要考虑原级模型中λ1、λ2、A、B各参数变化对拉伸结果带来的影响。
实施例1：
一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，所述方法为：
S1：调整原Tersoff势函数参数。
其中，选取具有更快速度的SiC_Erhart-Albe.Tersoff版本势函数进行计算，该势函数的具体表达式如下所示：
Figure BDA0002326838560000041
Vij＝fC(rij)[fR(rij)+bijfA(rij)]
fR(rij)＝Aexp(-λ1rij)
fA(rij)＝-Bexp(-λ2rij)
Figure BDA0002326838560000042
上述公式中，E-总能量，i-原子编号，Ei-系统内每个原子能量的遍历求和，Vij-系统内每个键之间能量的遍历求和，fC-规定两原子之间键关系计算范围的截断函数，rij表示原子ij之间的键长，fR-表示两原子之间排斥关系，bij为键序参数，表示周围原子对该原子对的作用系数；fA-表示两原子之间吸引关系；λ1、λ2为函数拟合过程中的系数；通过模拟计算将吸引项指数函数参数B、排斥项指数函数参数A、截断距离函数fC的上下限距离R、D分别由175.426651、2019.8449、2、0.15调整为148.4648、1486.8412、1.95、0.01。
S2：探索一级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数。
其中，以调整准确的SiC_Erhart-Albe.Tersoff版本势函数为基础，将排斥项指数函数指数值λ1、吸引项指数函数指数值λ2、A、B、R分别从4.18426232、1.93090093、1486.8412、148.4648、1.95分别调整为3.09213116、1.965450465、5647.3648、583.8592、3.65，此即为石墨烯的一级粗粒化模型势函数。
S3：探索二级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数。
其中，以调整准确的一级粗粒化模型势函数为基础，将λ1、λ2、A、B、R、D分别从3.09213116、1.965450465、5647.3648、583.8592、3.65、0.01调整为1.94606558、1.482725、38722.08064、3590.8736、7.8、0.0035，此即为二级粗粒化模型势函数。
实施例2：
一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，所述方法为：
S1：调整原Tersoff势函数参数，包括如下步骤：
S1.1：首先通过对同一石墨烯模型单轴拉伸算例进行模拟，对比不同版本Tersoff势函数的计算结果及计算时间，选择效率最高的SiC_Erhart-Albe.Tersoff版本势函数。
S1.2：对SiC_Erhart-Albe.Tersoff版本势函数中的参数进行调整，更正Tersoff势函数随模拟石墨烯时表现出的“硬化”现象，具体为将参数B、R、D、A分别由175.426651、2、0.15、2019.8449调整为148.4648、1.95、0.01、1486.8412。
S2：探索一级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数，包括如下步骤：
S2.1：首先根据一级粗粒化模型中珠子之间距离为原级石墨烯模型碳碳键键长的2倍，将参数A、B分别扩大为原级模型数值的4倍；将参数λ1、λ2分别调节为原级模型数值的二分之一。
S2.2：将参数R首先扩大2倍进行计算，根据得到的应力应变曲线规律，将R的值进行调节，并最后确定为3.65。
S3：探索二级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数，包括如下步骤：
S3.1：首先根据二级粗粒化模型中珠子之间距离为一级粗粒化石墨烯模型质子键距离的2倍，将参数A、B分别扩大为一级粗粒化模型势函数参数值的5倍；将参数λ1、λ2分别调节为一级粗粒化模型势函数参数值的二分之一。
S3.2：对参数R的值进行调整。首先将一级粗粒化模型势函数参数值中R的值扩大2倍进行计算得到拉伸应力应变曲线，根据与原级石墨烯模型的拉伸曲线比价对参数R做出调整，并选择为7.8。
S3.3：对进行变化之后的参数B再一次进行调整，根据曲线趋势再一次将其扩大1.5倍。
S3.4：对进行变化之后的参数A再一次进行调整，根据曲线趋势再一次将其扩大2.7倍。
S3.5：在一级粗粒化模型势函数参数值的基础上对参数D进行调整，根据拉伸应力应变曲线的趋势将其缩小为一级粗粒化模型势函数参数D值的35％。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
S1：调整原Tersoff势函数参数；
S2：探索一级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数；
S3：探索二级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数；
其中，首先对选取的原SiC_Erhart-Albe.Tersoff版本势函数进行参数调整来校正模拟精度，然后根据石墨烯六边形网格结构调节与键、几何相关的参数，再根据单轴拉伸的应力应变曲线调节其他参数，从而得出多级粗粒化模型的势函数参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，其特征在于：S1中，调节原SiC_Erhart-Albe.Tersoff版本势函数校正石墨烯模拟的硬化现象。
3.根据权利要求1所述的一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，其特征在于：S2中，根据原石墨烯六边形网格进行一级粗粒化，并调节与模型几何相关的参数λ1、λ2、A、B，后又根据拉伸曲线调节其他相关参数R。
4.根据权利要求1所述的一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，其特征在于：S3中，根据一级粗粒化模型中保留的六边形网格进行二级粗粒化，并调节与模型几何相关的参数λ1、λ2、A、B，并根据拉伸曲线调节其他相关参数R、D。
5.根据权利要求4所述的一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，其特征在于：根据拉伸曲线调节其他相关参数R、D时，所述参数的选取需要考虑原级模型中λ1、λ2、A、B各参数变化对拉伸结果带来的影响。
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