CN114239374A - 基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法 - Google Patents

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姜峰
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Abstract

本发明公开了基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法，包括：步骤一，建立块体纳米材料分子动力学仿真模型；步骤二，设置分子动力学计算参数，它包括势函数参数；步骤三，依据设置的计算参数采用分子动力学模拟的方法计算并且输出体系总势能；步骤四，调整晶格参数并计算总势能，直至获得最低总势能，计算该最低体系总势能所对应的晶格常数；步骤五，判断步骤四所计算得到的晶格常数是否符合晶体数据库中的晶格常数值，如不符合，则执行步骤六，如果符合，则执行步骤七；步骤六，调整势函数参数然后执行步骤三；步骤七，获得修正后的最优计算参数，依据该最优计算参数确定势函数。它具有如下优点：能提高分子动力学仿真中势函数的计算精度。

Description

基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法
技术领域
本发明涉及分子模拟方法技术领域，尤其涉及基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法。
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，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，它在科学研究领域有着广泛且重要应用前景。分子模拟中的势函数描述着原子之间的相互作用，根据分子动力学方法，模拟过程中，所有原子均遵循牛顿第二定律进行运动演化，因此势函数的准确程度决定着模拟结果的可信度。目前被广泛接受的势函数多为经验势，而一个势函数只在某些条件下适用，在势函数的使用中，如何获得符合研究者自身所需的势函数参数值就成为新的问题。
发明内容
本发明提供了基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法，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：基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法，包括：
步骤一，建立块体纳米材料分子动力学仿真模型；
步骤二，设置分子动力学计算参数，该计算参数至少包括势函数参数；
步骤三，依据设置的计算参数采用分子动力学模拟的方法计算并且输出体系总势能；
步骤四，调整晶格参数并计算总势能，直至获得最低总势能，计算该最低体系总势能所对应的晶格常数；
步骤五，判断步骤四所计算得到的晶格常数是否符合晶体数据库中的晶格常数值，如不符合，则执行步骤六，如果符合，则执行步骤七；
步骤六，调整势函数参数然后执行步骤三；
步骤七，获得修正后的最优计算参数，依据该最优计算参数确定势函数。
一较佳实施例之中：步骤一中，采用LAMMPS软件建立仿真模型。
一较佳实施例之中：步骤二中，计算参数还包括模拟维度、模拟粒子类型、边界条件、系综选择、系统控温方式、模拟温度和时间步。
一较佳实施例之中：步骤四中，获取当前计算参数的晶格常数是通过拟合总势能P与晶格常数x之间的关系所得，拟合函数为二次函数P＝ax2+bx+c，式中的a、b、c为总势能系数；拟合曲线的最小势能值为Pmin，所对应的晶格常数为Xmin，模拟体系的最小势能值计算公式：
Figure BDA0003453145120000021
所对应的晶格常数值计算公式：
Figure BDA0003453145120000022
一较佳实施例之中：步骤五中，判断仿真的晶格参数是否符合数据库中的晶格参数值的标准为：仿真所得的晶格参数值与数据库的晶格参数值误差小于1％。
一较佳实施例之中：步骤六中，势函数参数的调整方法为：当仿真的晶格参数值小于数据库中的数值，则增大排斥项参数，减小吸引项参数，当仿真的晶格参数值大于数据库中的数值，则减小排斥项参数，增大吸引项参数。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
通过分子动力学模拟方法对单晶材料的相互作用势函数进行修正，能克服已有实验方法对势函数修正的局限，它不仅能提高分子动力学仿真中势函数的计算精度，提高分子动力学模拟中势函数的适用性与模拟结果的可靠性，而且能降低实验成本，降低测试费用。
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为本具体实施方式的基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法流程图。
图2为本具体实施方式建立的分子动力学仿真模型。
图3为本具体实施方式的体系总势能与晶格参数关系图。
图4为本具体实施方式的体系总势能与晶格参数拟合曲线图。
具体实施方式
请查阅图1，基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法，包括：
步骤一，采用LAMMPS软件建立块体纳米材料分子动力学仿真模型；本具体实施方式之中，请查阅图2，已知单晶铜的晶格类型为面心立方FCC型，利用LAMMPS软件建立一个大小为8×8×8个晶胞的MD区域，该MD区域中共有512个fcc晶胞，因此共有2048个铜原子。
步骤二，设置分子动力学计算参数，即，模拟参数，它至少包括势函数参数；该计算参数还包括模拟维度、模拟粒子类型、边界条件、系综选择、系统控温方式、模拟温度和时间步。本具体实施方式之中，本次分子动力学仿真的模拟维度为三维维度，模拟粒子类型为原子类型，三个维度的边界条件都为周期性边界条件，单晶铜的势函数采用嵌入原子势(EAM势)，仿真条件采用正则系综(NVT)，模拟温度为常温(如：298K)，采用共轭梯度法进行能量最小化弛豫500皮秒，步长为10。
步骤三，依据模拟参数采用分子动力学模拟的方法计算并且输出体系总势能，对于每一个所采用的晶格参数，依据模拟参数都通过分子动力学仿真以得到其对应的体系总势能。
步骤四，调整晶格参数并计算总势能，直至获得最低总势能，然后计算最低体系总势能所对应的晶格常数。获取当前势函数参数的晶格常数是通过拟合总势能P与晶格常数x之间的关系所得，拟合函数为二次函数P＝ax2+b，拟合曲线的最小势能值为Pmin，所对应的晶格常数为Xmin，即为该势函数参数下的晶格常数。模拟体系的最小势能值计算公式：
Figure BDA0003453145120000041
所对应的晶格常数值计算公式：
Figure BDA0003453145120000042
本具体实施方式之中：本次仿真从晶格参数为
Figure BDA0003453145120000043
开始计算，每次增加
Figure BDA0003453145120000044
一直增加到
Figure BDA0003453145120000045
分别得到对应的体系总势能的值，做出体系总势能与晶格参数的关系图，所得到的结果如图3所示，并将总势能P与晶格参数进行二次函数多项式拟合，拟合所得到的曲线如图4所示，拟合得到的二次函数为：
P＝3.67285x2-26.57212x+44.52035 (3)
根据公式(1)和公式(2)可以求得最小势能值Pmin＝-3.54025eV，所对应的晶格常数
Figure BDA0003453145120000046
步骤五，判断步骤四所计算得到的晶格常数是否符合晶体数据库中的晶格常数值；如不符合，则执行步骤六，如果符合，则执行步骤七；上述具体判断标准如为：所述仿真所得的晶格参数值与数据库的晶格参数值误差小于1％。具体如：由步骤四可知本仿真所得到的晶格常数为
Figure BDA0003453145120000047
数据库中单晶铜的晶格参数值为
Figure BDA0003453145120000048
计算其误差为0.0683％＜1％，所以本次仿真所计算得到的晶格常数符合晶体数据库中的晶格常数值，可直接执行步骤七；
步骤六，调整势函数参数，然后执行步骤三；上述具体调整方法如为：当仿真的晶格参数值小于数据库中的数值，则增大排斥项参数，减小吸引项参数；当仿真的晶格参数值大于数据库中的数值，则减小排斥项参数，增大吸引项参数。
步骤七，获得修正后的最优计算参数，依据最优计算参数确定势函数。
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.基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法，其特征在于：包括：
步骤一，建立块体纳米材料分子动力学仿真模型；
步骤二，设置分子动力学计算参数，该计算参数至少包括势函数参数；
步骤三，依据设置的计算参数采用分子动力学模拟的方法计算并且输出体系总势能；
步骤四，调整晶格参数并计算总势能，直至获得最低总势能，计算该最低体系总势能所对应的晶格常数；
步骤五，判断步骤四所计算得到的晶格常数是否符合晶体数据库中的晶格常数值，如不符合，则执行步骤六，如果符合，则执行步骤七；
步骤六，调整势函数参数然后执行步骤三；
步骤七，获得修正后的最优计算参数，依据该最优计算参数确定势函数。
2.根据权利要求1所述的基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法，其特征在于：步骤一中，采用LAMMPS软件建立仿真模型。
3.根据权利要求1所述的基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法，其特征在于：步骤二中，计算参数还包括模拟维度、模拟粒子类型、边界条件、系综选择、系统控温方式、模拟温度和时间步。
4.根据权利要求1所述的基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法，其特征在于：步骤四中，获取当前计算参数的晶格常数是通过拟合总势能P与晶格常数x之间的关系所得，拟合函数为二次函数P＝ax2+bx+c，式中的a、b、c为总势能系数；拟合曲线的最小势能值为Pmin，所对应的晶格常数为Xmin，模拟体系的最小势能值计算公式：
Figure FDA0003453145110000011
所对应的晶格常数值计算公式：
Figure FDA0003453145110000021
5.根据权利要求1所述的基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法，其特征在于：步骤五中，判断仿真的晶格参数是否符合数据库中的晶格参数值的标准为：仿真所得的晶格参数值与数据库的晶格参数值误差小于1％。
6.根据权利要求1所述的基于晶格常数的单晶材料势函数修正方法，其特征在于：步骤六中，势函数参数的调整方法为：当仿真的晶格参数值小于数据库中的数值，则增大排斥项参数，减小吸引项参数，当仿真的晶格参数值大于数据库中的数值，则减小排斥项参数，增大吸引项参数。
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