CN114065553A - 各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法 - Google Patents

各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法 Download PDF

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林佳明
徐西鹏
吴跃勤
田子歌
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Abstract

本发明公开了各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法，包括：获取各向异性单晶材料的晶体结构数据文献，数据文献包括晶体的空间群代号及晶胞参数；分析该晶体结构的周期性；确定该单晶材料分子动力学模型的模拟参数；根据分子动力学模拟的边界条件以及晶胞的周期性，确定模型的边界参数值；通过LAMMPS软件建立该各项异性的单晶材料的分子动力学模型。它能产生如下技术效果：能准确获得稳定的分子动力学仿真模型，为扩大分子动力学仿真技术的应用面提供了可靠的建模方法，对分子动力学在各向异性材料的研究应用上具有重要意义，仿真效果好，准确率高。

Description

各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法
技术领域
本发明涉及分子模拟方法技术领域，尤其涉及各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法。
背景技术
分子动力学模拟技术具有节约成本、可重复性好等优点，因此已被广泛应用于材料的表面特性、纳米力学性能、材料相变等问题的研究，在科学研究领域有着广泛且重要的应用前景。各向异性材料由于具有特殊的晶体结构，在分子动力学模拟中很难获得稳定的结构模型，因此解决各项异性单晶材料的分子动力学建模问题，对分子动力学在各向异性材料的研究应用上具有重要意义。
发明内容
本发明提供了各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法，其克服了背景技术中所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法，包括：
第一步，获取各向异性单晶材料的晶体结构的空间群代号及晶胞参数；
第二步，分析该晶体结构的周期性；
第三步，确定该单晶材料分子动力学模型的模拟参数；
第四步，根据分子动力学模拟的边界条件以及晶胞的周期性，确定模型的边界参数值；
第五步，依据边界参数值建立该各项异性的单晶材料的分子动力学模型。
一实施例之中：第二步中，分析晶体结构的周期性是指：根据晶体结构特点，确定其在某个晶体学方向上的周期性特征以获X模型。
一实施例之中：第三步中，确定该单晶材料分子动力学模型的模拟参数，模拟参数包括模型三维尺寸、边界条件和粒子类型。
一实施例之中：第四步中，确定边界参数值是指，根据模拟的边界条件和晶格的周期性特征确定模拟体系的三维边界坐标，该边界条件分为固定边界条件、自由边界条件和周期性边界条件；
当边界条件为固定边界条件和自由边界条件时，在保持模型边界处于周期性的前提下，体系边界大小X体系与模型边界大小X模型关系为：X体系≥X模型；
当边界条件为周期性边界条件时，在保持模型边界处于周期性的前提下，体系边界X模型与模型边界X模型的大小应该相差一个单位的晶面间距a，体系的边界参数值X体系应为：X体系＝X模型+a。
一实施例之中：晶胞参数包括晶格常数和晶格点阵参数。
一实施例之中：各向异性单晶材料分子为单晶氧化铝；
第一步中，获取单晶氧化铝的空间群代号为167：
Figure BDA0003450949450000021
晶胞参数为
Figure BDA0003450949450000022
Figure BDA0003450949450000023
α＝β＝90°，γ＝120°；
第二步中，在x[10-10]上周期性为每6列原子为一个周期，长度为
Figure BDA0003450949450000024
晶面距ax为
Figure BDA0003450949450000025
在y[-12-10]晶向上同样为每6列原子为一个周期，长度为
Figure BDA0003450949450000026
晶面距ay为
Figure BDA0003450949450000027
在z[0001]晶向上每18列原子为一个周期，长度为
Figure BDA0003450949450000028
晶面距az为
Figure BDA0003450949450000029
第三步中，确定的模拟参数包括：模拟维度为三维，块体模型的三维尺寸为在三个方向上分别建立1个周期的大小；建立以单晶氧化铝基面为自由表面的块体模型；在x,y方向上采用周期性边界条件，在z方向上采用固定边界条件；
第四步中，在x，y方向上采用周期性边界条件，z方向上采用固定边界条件，则在三个方向上建立十个周期的原胞大小的模型；
在x方向上模型边界与体系边界分别是：
Figure BDA0003450949450000031
Figure BDA0003450949450000032
在y方向上模型边界与体系边界分别是：
Figure BDA0003450949450000033
Figure BDA0003450949450000034
在z方向上模型边界与体系边界分别是：
Figure BDA0003450949450000035
Xz体系≥Xz模型；
第五步中,依据上述的X体系建立该各项异性的单晶材料的分子动力学模型。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
本发明能解决目前各向异性材料使用分子动力学建模存在的驰豫后结构不稳定的问题，能准确获得稳定的分子动力学仿真模型，为扩大分子动力学仿真技术的应用面提供了可靠的建模方法，对分子动力学在各向异性材料的研究应用上具有重要意义。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本具体实施方式各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法流程图。
图2为本具体实施方式单晶氧化铝的原子排列的周期性特征图。
具体实施方式
各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法，包括：
第一步，获取各向异性单晶材料的晶体结构数据文献，数据文献包括晶体的空间群代号及晶胞参数；
第二步，分析该晶体结构的周期性；
第三步，确定该单晶材料分子动力学模型的模拟参数；
第四步，根据分子动力学模拟的边界条件以及晶胞的周期性，确定模型的边界参数值；
第五步，通过LAMMPS软件建立该各项异性的单晶材料的分子动力学模型。
第一步中，该晶体结构数据文献可通过参阅研究对象的晶体结构数据文献获取。第二步中，分析晶体结构的周期性是指：根据晶体结构特点，确定其在某个晶体学方向上的周期性特征以获X模型。第三步中，确定该单晶材料分子动力学模型的模拟参数，模拟参数包括模型三维尺寸、边界条件和粒子类型。
第四步中，确定边界参数值是指，根据模拟的边界条件和晶格的周期性特征确定模拟体系的三维边界坐标，该边界条件分为固定边界条件、自由边界条件和周期性边界条件；
当边界条件为固定边界条件和自由边界条件时，在保持模型边界处于周期性的前提下，体系边界大小X体系应与模型边界大小X模型保持一致:即：
X体系≥X模型
当边界条件为周期性边界条件时，在保持模型边界处于周期性的前提下，体系边界X模型与模型边界X模型的大小应该相差一个单位的晶面间距a，体系的边界参数值X体系应为：
X体系＝X模型+a。
下面结合具体实例进行说明：
本具体实例建模目标是建立以单晶氧化铝基面为自由表面的块体模型，在x,y方向上采用周期性边界条件，在z方向上采用固定边界条件。请查阅图1，分子动力学模型建立方法，包括：
第一步，获取单晶氧化铝的晶体结构数据文献，通过查阅文献获得单晶氧化铝的空间群代号为167：
Figure BDA0003450949450000051
其晶胞参数为
Figure BDA0003450949450000052
α＝β＝90°，γ＝120°。
第二步，分析单晶氧化铝的晶体结构的周期性以获X模型：
本建模目标为建立以单晶氧化铝的基面为自由面的长方体模型，如图2所示，通过观察单晶氧化铝的基面，寻找点阵在x[10-10],y[-12-10]以及z[0001] 这三个晶向的周期性排列特点，获得X模型，具体为：在x[10-10]上周期性为每 6列原子为一个周期，长度为
Figure BDA0003450949450000053
晶面距ax为
Figure BDA0003450949450000054
在y[-12-10]晶向上同样为每6列原子为一个周期，长度为
Figure BDA0003450949450000055
晶面距ay为
Figure BDA0003450949450000056
在z[0001]晶向上每18列原子为一个周期，长度为
Figure BDA0003450949450000057
晶面距az为0.841
Figure BDA0003450949450000058
第三步，确定该单晶材料分子动力学模型的模拟参数：
确定分子动力学建模所必须的相关模拟参数，包括：模拟维度为三维，块体模型的三维尺寸为在三个方向上分别建立1个周期的大小；建立以单晶氧化铝基面为自由表面的块体模型；在x,y方向上采用周期性边界条件，在z方向上采用固定边界条件。
第四步，依据模拟参数，根据分子动力学模拟的边界条件以及晶胞的周期性，确定模型的边界参数值：
本具体实例，在x，y方向上采用周期性边界条件，z方向上采用固定边界条件，则在三个方向上建立十个周期的原胞大小的模型；
在x方向上模型边界与体系边界分别是：
Figure BDA0003450949450000059
Figure BDA0003450949450000061
在y方向上模型边界与体系边界分别是：
Figure BDA0003450949450000062
Figure BDA0003450949450000063
在z方向上模型边界与体系边界分别是：
Figure BDA0003450949450000064
Xz体系≥Xz模型
第五步,依据上述的X体系建立该各项异性的单晶材料的分子动力学模型。
本发明能解决目前各向异性材料使用分子动力学建模存在的驰豫后结构不稳定的问题，能准确获得稳定的分子动力学仿真模型，为扩大分子动力学仿真技术的应用面提供了可靠的建模方法，对分子动力学在各向异性材料的研究应用上具有重要意义，仿真效果好，准确率高。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法，其特征在于：包括：
第一步，获取各向异性单晶材料的晶体结构的空间群代号及晶胞参数；
第二步，分析该晶体结构的周期性；
第三步，确定该单晶材料分子动力学模型的模拟参数；
第四步，根据分子动力学模拟的边界条件以及晶胞的周期性，确定模型的边界参数值；
第五步，依据边界参数值建立该各项异性的单晶材料的分子动力学模型。
2.根据权利要求1所述的各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法，其特征在于：第二步中，分析晶体结构的周期性是指：根据晶体结构特点，确定其在某个晶体学方向上的周期性特征以获X模型。
3.根据权利要求1所述的各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法，其特征在于：第三步中，确定该单晶材料分子动力学模型的模拟参数，模拟参数包括模型三维尺寸、边界条件和粒子类型。
4.根据权利要求1所述的各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法，其特征在于：第四步中，确定边界参数值是指，根据模拟的边界条件和晶格的周期性特征确定模拟体系的三维边界坐标，该边界条件分为固定边界条件、自由边界条件和周期性边界条件；
当边界条件为固定边界条件和自由边界条件时，在保持模型边界处于周期性的前提下，体系边界大小X体系与模型边界大小X模型关系为：X体系≥X模型；
当边界条件为周期性边界条件时，在保持模型边界处于周期性的前提下，体系边界X模型与模型边界X模型的大小应该相差一个单位的晶面间距a，体系的边界参数值X体系应为：X体系＝X模型+a。
5.根据权利要求1所述的各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法，其特征在于：晶胞参数包括晶格常数和晶格点阵参数。
6.根据权利要求1所述的各向异性单晶材料分子动力学模型建立方法，其特征在于：各向异性单晶材料分子为单晶氧化铝；
第一步中，获取单晶氧化铝的空间群代号为167：
Figure FDA0003450949440000021
晶胞参数为
Figure FDA0003450949440000022
Figure FDA0003450949440000023
α＝β＝90°，γ＝120°；
第二步中，在x[10-10]上周期性为每6列原子为一个周期，长度为
Figure FDA0003450949440000024
晶面距ax为
Figure FDA0003450949440000025
在y[-12-10]晶向上同样为每6列原子为一个周期，长度为
Figure FDA0003450949440000026
晶面距ay为
Figure FDA0003450949440000027
在z[0001]晶向上每18列原子为一个周期，长度为
Figure FDA0003450949440000028
晶面距az为
Figure FDA0003450949440000029
第三步中，确定的模拟参数包括：模拟维度为三维，块体模型的三维尺寸为在三个方向上分别建立1个周期的大小；建立以单晶氧化铝基面为自由表面的块体模型；在x,y方向上采用周期性边界条件，在z方向上采用固定边界条件；
第四步中，在x，y方向上采用周期性边界条件，z方向上采用固定边界条件，则在三个方向上建立十个周期的原胞大小的模型；
在x方向上模型边界与体系边界分别是：
Figure FDA00034509494400000210
Figure FDA00034509494400000211
在y方向上模型边界与体系边界分别是：
Figure FDA00034509494400000212
Figure FDA00034509494400000213
在z方向上模型边界与体系边界分别是：
Figure FDA00034509494400000214
Xz体系≥Xz模型；
第五步中,依据上述的X体系建立该各项异性的单晶材料的分子动力学模型。
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