JP4491548B2 - Corresponding grain boundary model creation program and operation method - Google Patents

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Description

本発明は、対応粒界モデルの生成法に関するものであり、更に詳しくは、原子レベルの材料シミュレーション分野において、周期的構造を持つ対応粒界モデルのセル形状と原子座標を容易かつ効率的に生成する方法に関するものである。   The present invention relates to a method for generating a corresponding grain boundary model. More specifically, in the field of atomic level material simulation, the cell shape and atomic coordinates of a corresponding grain boundary model having a periodic structure are generated easily and efficiently. It is about how to do.

従来から、結晶界面を含むモデルの生成法として、例えば、先行技術文献に示されるような、指定した界面方位に応じて2つの結晶の原子配列を回転させ、粒界面で接合する方法が知られている(非特許文献1参照)。同様の機能を持つプログラムには、例えば、Cerius2−Interface Builder(モレキュラー・シミュレーション・インク(MSI)社製)がある。そこで用いられている手法は、図1(a)に示すように、2つの結晶A,Bにおける粒界面指数及び面内基準方位を6つのミラー指数XA ,YA ,ZA ;XB ,YB ,ZB で指定し、それらのベクトルに対応する平行6面体と座標変換操作RA ,RB から2つの結晶セルと内部の原子座標を生成し、粒界面で接合して界面モデルとするものである。 Conventionally, as a method for generating a model including a crystal interface, for example, as shown in the prior art document, a method of rotating an atomic arrangement of two crystals according to a specified interface orientation and joining at a grain interface is known. (See Non-Patent Document 1). A program having the same function is, for example, Cerius2-Interface Builder (manufactured by Molecular Simulation Inc. (MSI)). As shown in FIG. 1 (a), the technique used there is a method in which the grain interface index and the in-plane reference orientation in the two crystals A and B are changed to six Miller indices X A , Y A , Z A ; X B , Y B, specified by Z B, their corresponding vector parallelepiped and coordinate transformation operation R a, generates two crystal cell and internal atomic coordinates from R B, and the interface model by joining in the grain boundary To do.

本発明で問題とするのは対応粒界モデルの生成法である。従来技術で界面モデルを生成する場合には6個のミラー指数を指定する必要があるが、それらのミラー指数は、対応粒界を第一に特徴づける値であるΣ値と一対一的対応関係になく、粒界面指数や対称要素変換によって様々に変化する。そのため、指定すべきミラー指数が分かりにくく、利用が難しいという問題があった。   The problem in the present invention is the method of generating the corresponding grain boundary model. When generating an interface model with the prior art, it is necessary to specify six Miller indices, but these Miller indices have a one-to-one correspondence with the Σ value, which is the value that first characterizes the corresponding grain boundary. However, it varies in various ways depending on the grain interface index and symmetric element conversion. Therefore, there is a problem that the Miller index to be specified is difficult to understand and is difficult to use.

また、従来技術で生成されるモデルは、孤立系のモデルであり、連続体の材料シミュレーションで常用されている周期的境界条件を課すと、原子配列の不整合や空白領域の発生、境界上での原子の重複などが起こった。更に、従来技術では、周期モデルの場合に不可避的に発生する第2の粒界面について考慮されていない。そのため、生成したモデルに周期的境界条件を課しても、第2の粒界面での原子の対応関係が保持されないため、シミュレーション結果に悪影響を及ぼす可能性があった。   In addition, the model generated by the prior art is an isolated system model. When periodic boundary conditions commonly used in continuum material simulations are imposed, atomic alignment mismatches, generation of blank areas, The duplication of atoms occurred. Furthermore, in the prior art, the second grain interface inevitably generated in the case of the periodic model is not considered. For this reason, even if a periodic boundary condition is imposed on the generated model, the correspondence of atoms at the second grain interface is not maintained, which may adversely affect the simulation result.

M. J. Weins et al. (1971), "Computer calclations of the structure and energy of high-angle grain boundaries", Journal of Applied Physics, Vol. 42, pp. 2639-2645M. J. Weins et al. (1971), "Computer calclations of the structure and energy of high-angle grain boundaries", Journal of Applied Physics, Vol. 42, pp. 2639-2645

本発明の目的は、対応粒界を特徴づける量であるΣ値と粒界面方位を直接指定することによって、周期的境界条件を満たし、かつモデル内に発生する第2の粒界面における原子の対応関係を保持した対応粒界モデルを容易かつ効率的に作成できるようにした対応粒界作成プログラム及びその操作方法を提供することである。   The object of the present invention is to directly specify the Σ value, which is a quantity characterizing the corresponding grain boundary, and the grain interface orientation, thereby satisfying the periodic boundary condition and corresponding atoms in the second grain interface generated in the model. To provide a corresponding grain boundary creation program capable of easily and efficiently creating a corresponding grain boundary model maintaining the relationship, and an operation method thereof.

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)対応粒界モデルを作成するために、コンピュータを、
指定された対応粒界のΣ値から粒界面方位の候補を表示画面上にリストアップする手段、
指定された粒界方位から対応粒界モデルの並進ベクトルの候補をリストアップする手段、
指定された並進ベクトルとそのサイズから、対応粒界モデルの周期セル形状を決定する手段、
空間群、格子定数、元素と原子座標のデータからなる結晶構造データに基づいてモデル内の原子座標を計算する手段、
その結果を、表示画面とファイルに出力する手段、
として機能させるための対応粒界モデル作成プログラム。
(2)粒界面方位が、粒界面上の対応格子点密度や粒界構造の対称性により抽出された、有限個数の候補の中から指定されたものである前記(1)記載のプログラム。
(3)粒界面方位が、基本方位と独立対称要素変換の積に分解し、個々に指定されたものであり、かつ対称変換によって生じる同種異型界面の生成を容易にしたものである前記(1)又は(2)記載のプログラム。
(4)コンピュータが、周期セル形状を、対応粒界モデルの周期セルの各辺を対応格子間ベクトルに一致させて決定する処理を実行することによって、モデルの周期性とモデル内の2つの粒界面の同等性を確保する前記(1)記載のプログラム。
(5)上記プログラムが、空間群、格子定数、元素と原子座標のデータからなる結晶構造データから結晶原子座標を生成するプログラムと組み合わせて一つのコンピュータ内で実行されるものである前記(1)記載のプログラム。
(6)上記プログラムが、サーバー機能を持つコンピュータに入力され、インターネットを経由してユーザー側のコンピュータのウェブブラウザ上で実行されるものである前記(1)記載のプログラム。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) To create a corresponding grain boundary model,
Means for listing candidates for grain interface orientation on the display screen from the Σ value of the specified corresponding grain boundary,
Means for listing translation vector candidates of a corresponding grain boundary model from a specified grain boundary orientation;
Means for determining the periodic cell shape of the corresponding grain boundary model from the specified translation vector and its size;
Means for calculating the atomic coordinates of the model based on the space group, lattice constants, the crystal structure data comprising data elements and atomic coordinates,
Means for outputting the result to a display screen and a file;
Corresponding grain boundary model creation program to function as
(2) The program according to (1), wherein the grain interface orientation is specified from a finite number of candidates extracted based on the corresponding lattice point density on the grain interface and the symmetry of the grain boundary structure.
(3) The grain interface orientation is decomposed into the product of the basic orientation and the independent symmetric element transformation, specified individually, and facilitates the generation of the homogeneous interface produced by the symmetric transformation (1 ) Or (2).
(4) The computer executes the process of determining the periodic cell shape by matching each side of the periodic cell of the corresponding grain boundary model with the corresponding interstitial vector, whereby the periodicity of the model and the two grains in the model are determined. The program according to (1), which ensures interface equivalence.
(5) The program, which is executed in the space group, lattice constants, one in combination with a program that generates a crystal structure data or al crystal atomic coordinates comprising data elements and atomic coordinates computer the ( 1) The program described.
(6) The program according to (1), wherein the program is input to a computer having a server function and executed on a web browser of a user computer via the Internet.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明では、モデルの指定をΣ値と粒界面指数で行い、必要となる座標変換操作やセル形状の選択を自動又は半自動で決定する処理アルゴリズムを採用する。まず、指定されたΣ値から対応格子理論に基づき、2つの結晶A,Bの方位差マトリクス及び結晶座標系における対応格子点配列を求める。次に、指定された粒界面上における対応格子点配列を調べ、その並進ベクトルから粒界モデルの周期セル形状を決定する。この周期セルと内部の原子座標に対して、粒界面がモデル座標系の基準面と平行になるよう座標変換を行い、対応粒界モデルの周期セルと原子座標を得る。これにより、従来手法における6個のミラー指数の代わりに、対応粒界固有の量であるΣ値と粒界面指数を指定することができるため、対応粒界モデルの生成が容易となる。
Next, the present invention will be described in more detail.
In the present invention, a processing algorithm is employed in which a model is specified by a Σ value and a grain interface index, and a necessary coordinate conversion operation and cell shape selection are automatically or semi-automatically determined. First, the orientation difference matrix of the two crystals A and B and the corresponding lattice point array in the crystal coordinate system are obtained from the designated Σ value based on the corresponding lattice theory. Next, the corresponding lattice point arrangement on the specified grain interface is examined, and the periodic cell shape of the grain boundary model is determined from the translation vector. Coordinate transformation is performed on the periodic cell and the internal atomic coordinates so that the grain interface is parallel to the reference plane of the model coordinate system, thereby obtaining the periodic cell and atomic coordinates of the corresponding grain boundary model. Thereby, instead of the six Miller indices in the conventional method, the Σ value and the grain interface index, which are specific quantities of the corresponding grain boundary, can be specified, so that the corresponding grain boundary model can be easily generated.

一方、周期モデルで発生する第2の粒界面については、周期セルの基本並進ベクトルを対応格子点間ベクトルに一致させることにより、粒界面での原子の対応関係を保持することが可能となる。また、粒界面の対称要素変換やセル形状など、モデル生成に当たって複数の可能性が考えられるものについては、結晶構造の対称性や並進ベクトルの直交性を基に、指定可能な選択肢をプログラム内で自動的に抽出する。これにより、ユーザーは、同種異型界面を含む多様な対応粒界モデルを効率的に選択・生成することができる。   On the other hand, for the second grain interface generated in the periodic model, it is possible to maintain the correspondence of atoms at the grain interface by matching the basic translation vector of the periodic cell with the vector between corresponding lattice points. In addition, for the possibility of multiple models generation such as grain boundary symmetry element transformation and cell shape, selectable options in the program based on crystal structure symmetry and translation vector orthogonality Extract automatically. As a result, the user can efficiently select and generate a variety of corresponding grain boundary models including the homogeneous interface.

本発明の実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。本発明では、理論的には、図1(b)に示すような界面を挟んだ2つの結晶A、Bを考える。対応粒界ではA、Bの結晶方位はある一定の回転関係にあり、例えば、立方晶の〔111〕を軸とした60回転はΣ3対応粒界を与える。但し、同一のΣ値をもたらす回転操作は複数あり(文献2:P. H. Pumphrey and K. M. Bowkett, (1971) "Axis/angle pair descriptions of coincidence site lattice grain boundaries", Scripta Metallurgica, Vol. 5, pp. 365-370 )、結晶構造の異方性によっては異なる粒界構造が発生する。同一Σ値における複数の回転操作は、ある一つの代表回転操作とその対称要素変換の積で表現できる。先行技術文献にはΣ≦49における代表回転操作が与えられており、立方晶では24個の対称要素(E,9C4,8C3,6C2)が知られている(文献3:H. Grimmer et al. (1974), "Coincidence-site lattices and complete pattern-shift lattices in cubic crystals", Acta Crystallographica, Vol. A30, pp. 197-207)。この代表回転操作と対称要素変換操作を、それぞれ3×3の座標変換マトリクスRΣ,RV で表す。 Embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the present invention, theoretically, two crystals A and B sandwiching an interface as shown in FIG. At the corresponding grain boundary, the crystal orientations of A and B have a certain rotational relationship. For example, 60 rotations with the cubic [111] as an axis gives a Σ3 corresponding grain boundary. However, there are multiple rotation operations that produce the same Σ value (Reference 2: PH Pumphrey and KM Bowkett, (1971) "Axis / angle pair descriptions of coincidence site lattice grain boundaries", Scripta Metallurgica, Vol. 5, pp. 365. -370), different grain boundary structures occur depending on the anisotropy of the crystal structure. A plurality of rotation operations at the same Σ value can be expressed by a product of one representative rotation operation and its symmetric element transformation. In the prior art document, a representative rotation operation at Σ ≦ 49 is given, and 24 symmetrical elements (E, 9C4, 8C3, 6C2) are known in the cubic (Reference 3: H. Grimmer et al. (1974), "Coincidence-site lattices and complete pattern-shift lattices in cubic crystals", Acta Crystallographica, Vol. A30, pp. 197-207). This representative rotation operation and symmetrical element conversion operation are represented by 3 × 3 coordinate conversion matrices RΣ and R V , respectively.

次に、粒界面指数であるが、対応格子理論では粒界面に関する規定がないため、粒界面選択とそれに伴う粒界構造変化には無限の可能性がある。しかし、現実に多く存在し材料シミュレーションの対象となるのは、粒界の対称性や整合性の良い低エネルギー粒界粒界である。粒界の整合性は、粒界面上の対応格子点(2つの結晶の原子座標が一致する点)の密度で評価できる。そこで、対応格子理論で求まる対応格子点の中から、次の関係を満たす Gijk kを検索する。


ijk = iCx + jCy + kCz , (1a)

ijk ・ FA = 0 (1b)
Next, regarding the grain interface index, there is no limit on the grain interface in the corresponding lattice theory, so there is an infinite number of possibilities for grain boundary selection and accompanying grain boundary structure changes. However, in reality, there are many low-energy grain boundary grain boundaries with good grain boundary symmetry and consistency that are subject to material simulation. The consistency of grain boundaries can be evaluated by the density of corresponding lattice points on the grain interface (points where the atomic coordinates of two crystals match). Therefore, G ijk k satisfying the following relationship is searched from the corresponding lattice points obtained by the corresponding lattice theory.


G ijk = iC x + jC y + kC z , (1a)

G ijk · F A = 0 (1b)

ここで、Cx 、Cy 、Cz は結晶座標系での対応格子の基本並進ベクトル、FA は結晶Aの粒界面指数である。ちなみに、立方晶では粒界面指数で表したミラー指数ベクトルは粒界面に垂直である。Gijk は粒界面上で2次元グリッドを形成する。このグリッドの基本並進ベクトルを結晶B側から見て左回りにGY 、GZ とする。粒界面上の対応格子点密度ρG は、

ρG = │ GY ×GZ-1 (2)

で求められる。文献3には単純立方晶のΣ≦49におけるCx 、Cy 、Cz が与えられている。なお、結晶格子が体心格子や面心格子の場合には対応格子点が追加され、ρG 、GY 、Gz は変化する。
Here, C x , C y , and C z are basic translation vectors of the corresponding lattice in the crystal coordinate system, and F A is the grain interface index of the crystal A. By the way, in the cubic crystal, the Miller index vector expressed by the grain interface index is perpendicular to the grain interface. G ijk forms a two-dimensional grid on the grain interface. The basic translation vectors of this grid are G Y and G Z in the counterclockwise direction when viewed from the crystal B side. The corresponding lattice density ρ G on the grain interface is

ρ G = │G Y × G Z-1 (2)

Is required. Reference 3 gives C x , C y , and C z in a simple cubic Σ ≦ 49. If the crystal lattice is a body-centered lattice or a face-centered lattice, corresponding lattice points are added, and ρ G , G Y , and G z change.

周期的境界条件を満たす粒界モデルのセル形状と座標変換操作は、次のようにして求められる。まず、粒界面上の対応格子点から結晶B側の任意の対応格子点へのベクトルをGxとする。対応格子は結晶A、Bの結晶格子の超格子であるから、Gx 、GY 、Gz からできる平行6面体は、結晶A、B及び粒界面上の原子配列の周期性を満足する周期セルとして使用できる。その場合、セルの各頂点が原子対応位置となるため、周期化によって発生する第2の粒界面における原子の対応関係も保持される。 The cell shape and coordinate conversion operation of the grain boundary model satisfying the periodic boundary condition are obtained as follows. First, let Gx be a vector from a corresponding lattice point on the grain interface to an arbitrary corresponding lattice point on the crystal B side. Since the corresponding lattice is a superlattice of the crystal lattice of crystals A and B, the parallelepiped made of G x , G Y , and G z has a period that satisfies the periodicity of atomic arrangement on the crystal A, B, and grain interface. Can be used as a cell. In that case, since each vertex of the cell is an atom corresponding position, the correspondence relationship of atoms at the second grain interface generated by periodicity is also maintained.

次に、結晶座標系からモデル座標系への変換を考える。粒界面の連続性を満たすためには、粒界面がモデル座標系の基準面に平行である必要がある。粒界面をyz面に、GY をy方向とする座標変換マトリクスRA は、

A = (FA * │ GY * │ GZ*-1 (3)

で求められる。ここで (a│b│c)は列ベクトルa、b、cを横に並べてできるマトリクス、GZ †はGZ のz軸方向への射影ベクトル、* は単位ベクトルを表す。この座標変換によりモデル座標系における基本並進ベクトルX、Y、Z、及び結晶A,Bの原子座標riA、riBが以下の式で求められる。
Next, consider the transformation from the crystal coordinate system to the model coordinate system. In order to satisfy the continuity of the grain interface, the grain interface needs to be parallel to the reference plane of the model coordinate system. The coordinate transformation matrix RA with the grain interface in the yz plane and G Y in the y direction is

R A = (F A * | G Y * | G Z* ) -1 (3)

Is required. Here, (a | b | c) is a matrix in which column vectors a, b, and c are arranged horizontally, G Z † is a projection vector of G Z in the z-axis direction, and * is a unit vector. By this coordinate transformation, the basic translation vectors X, Y, Z in the model coordinate system and the atomic coordinates r iA , r iB of the crystals A, B are obtained by the following equations.

X = RAX (4a)
Y = RAY (4b)
Z = RA (4c)
i A = RAi + ΔA (5a)
i B = RAΣ Vi + ΔB (5b)
X = R A G X (4a)
Y = R A G Y (4b)
Z = R A G (4c)
r i A = R A r i + Δ A (5a)
r i B = R A RΣR V r i + Δ B (5b)

ここでri は結晶座標系における(周期構造も含めた)i番目の原子座標、ΔA 、ΔB はモデル座標原点に対する結晶A,Bの並進移動成分である。X、Y、Zでできる平行6面体内のriA、riBを抽出することにより、最小サイズの対応粒界モデルに対応する基本周期構造が得られる。なお、ゼロ以外のΔA 、ΔB を指定した場合には粒界面での対応原子位置がずれるため、粒界付近で近接原子の発生や、モデル内の2つの粒界の構造類似性の喪失などの問題が起こる。 Here, r i is the i-th atomic coordinate (including the periodic structure) in the crystal coordinate system, and Δ A and Δ B are translational components of the crystals A and B with respect to the model coordinate origin. By extracting r iA and r iB in a parallelepiped made of X, Y, and Z, a basic periodic structure corresponding to the corresponding grain boundary model of the minimum size can be obtained. In addition, when Δ A and Δ B other than zero are specified, the corresponding atom position shifts at the grain interface, so the generation of adjacent atoms near the grain boundary and the loss of structural similarity between the two grain boundaries in the model Problems occur.

実際のシミュレーションでは、目的に応じた大きさのモデルが必要である。そこで、上で求めた基本周期構造を各軸方向に整数倍積み重ねて目的のサイズとする。−X方向へ結晶Aをl倍、+X方向へ結晶Bをmx 倍、Y、Z方向へそれぞれly 倍、lz 倍し、相当する並進成分をriA、riBに加える。その際に、境界(粒界面を含む)での原子の重複を避けるため、境界面上の原子がどちらのセルに帰属するかを予め決めておく。こうしてできた対応粒界モデル全体の並進ベクトルは、(lx +mx )X、ly Y、lz Zである。なお、lx とmx への実数の指定も可能であり、その場合には、モデル内の第2の粒界面での原子対応関係は崩れるが、ゼロ以外のΔA 、ΔB によって失われた2つの粒界の構造類似性を回復することも可能である。 In an actual simulation, a model having a size corresponding to the purpose is required. Therefore, the basic periodic structure obtained above is stacked in an integral multiple in each axial direction to obtain a desired size. L x times the crystal A in the -X direction, + X m x times the crystal B direction, Y, respectively l y times the Z-direction, multiplied by l z, adding translation component corresponding to r iA, the r iB. At that time, in order to avoid the overlap of atoms at the boundary (including the grain interface), it is determined in advance to which cell the atom on the boundary surface belongs. The translation vectors of the entire corresponding grain boundary model thus formed are (l x + mx ) X, l y Y, and l z Z. It is also possible to specify real numbers for l x and m x , in which case the atomic correspondence at the second grain interface in the model is broken, but it is lost due to Δ A and Δ B other than zero. It is also possible to restore the structural similarity between the two grain boundaries.

以上をまとめると、周期的境界条件を満たす対応粒界モデルは、以下の手順で生成できる。
(1)指定されたΣ値から、代表回転操作マトリクスRΣと結晶座標系の対応格子基本並進ベクトルCx 、Cy 、Cz を求める。
(2)指定された粒界面指数と式(1a,b)を基に、結晶座標系における並進ベクトルGx 、GY 、Gz を求める。
(3)式(4a,b,c)により、モデル座標系での周期セルの基本並進ベクトルX、Y、Zを求める。
(4)各結晶の並進移動成分ΔA 、ΔB を指定する。
(5)式(5a,b)により、X、Y、Zを辺とする平行6面体セル内の原子座標riA、riBを求める。
(6)求まった基本構造を周期的に積み上げて、目的に合った規模のモデルとする。
In summary, the corresponding grain boundary model that satisfies the periodic boundary condition can be generated by the following procedure.
(1) From the designated Σ value, the representative rotation operation matrix R Σ and the corresponding lattice basic translation vectors C x , C y , C z of the crystal coordinate system are obtained.
(2) The translation vectors G x , G Y , G z in the crystal coordinate system are obtained based on the specified grain interface index and the formula (1a, b).
(3) The basic translation vectors X, Y, and Z of the periodic cell in the model coordinate system are obtained by the equations (4a, b, c).
(4) Specify translational movement components Δ A and Δ B of each crystal.
(5) The atomic coordinates r iA and r iB in the parallelepiped cell having X, Y, and Z as sides are obtained by the equation (5a, b).
(6) The obtained basic structure is periodically piled up to make a model of a scale suitable for the purpose.

本発明によれば、1)高度な専門知識なしに、周期的境界条件を満たす対応粒界モデルを容易に生成できる対応粒界モデル作成プログラム及びその操作方法を提供できる、2)周期的構造を持つ対応粒界モデルのセル形状と原子座標を生成するソフトウエアを提供できる、3)ネットワークを経由した動作を可能とする対応粒界モデリングの方法を実現できる、等の効果が得られる。   According to the present invention, 1) it is possible to provide a corresponding grain boundary model creation program that can easily generate a corresponding grain boundary model that satisfies a periodic boundary condition and a method for operating the same without a high level of expertise. It is possible to provide software that generates cell shapes and atomic coordinates of the corresponding grain boundary model, and 3) it is possible to realize a corresponding grain boundary modeling method that enables operation via a network.

次に、上記方法の基本動作について説明する。
本発明のプログラムの処理アルゴリズムを図2に示す。以下、その流れに沿って説明する。
[入力1] プログラムを開始し、目的とする結晶の結晶構造データ(空間群、格子定数、元素と原子座標)を入力する。
[処理1] 入力された結晶構造データに基づき、結晶単位セル内の全ての原子座標を計算し、独立対称要素変換操作RV をリストアップする。
Next, the basic operation of the above method will be described.
The processing algorithm of the program of the present invention is shown in FIG. Hereinafter, it demonstrates along the flow.
[Input 1] Start the program and input the crystal structure data (space group, lattice constant, element and atomic coordinates) of the target crystal.
[Process 1] Based on the inputted crystal structure data, all atomic coordinates in the crystal unit cell are calculated, and the independent symmetric element conversion operation R V is listed.

[入力2] 目的とする対応粒界のΣ値を入力する。同一Σ値に複数の対応関係があるもの(Σ13など)についてはその種別も指定する。
[処理2] 指定されたΣ値における対応格子Cx 、Cy 、Cz を求める。この格子に対して粒界面上の対応格子密度ρGが大きい粒界面の組を検索し、候補としてリストアップする。その際、対称変換で同一粒界面となるものは候補から除外する。この過程で並進ベクトルGx 、GY 、Gz も得られる。
[Input 2] Input the Σ value of the target corresponding grain boundary. For those having a plurality of correspondence relationships with the same Σ value (such as Σ13), the type is also specified.
[Process 2] Corresponding grids C x , C y , and C z at the specified Σ values are obtained. A set of grain interfaces having a larger corresponding lattice density ρG on the grain interface with respect to this lattice is searched and listed as a candidate. At that time, those which become the same grain interface by symmetrical transformation are excluded from the candidates. In this process, translation vectors G x , G Y and G z are also obtained.

[入力3] 処理2でリストアップした粒界面ペアの選択肢から目的のものを選択する。また、結晶A,Bに対する対称要素変換の選択によって同種異型界面を指定する。選択肢にない粒界面指数を直接入力できるようプログラミングすることも可能である。
[処理3] 指定された粒界面について、並進ベクトルGx 、GY 、Gz の選択肢について検討する。それらのベクトルが直交している場合はそのままで良い。非直交の場合には、直交となるようなGY 、Gz の線形結合やGx の別の選択肢もリストアップすれば、実際のシミュレーション上有用である。
[Input 3] Select the target one from the grain interface pair options listed in Process 2. In addition, the same type / different interface is designated by selecting the symmetry element transformation for the crystals A and B. It is also possible to program to directly input a grain interface index that is not an option.
[Process 3] For the specified grain interface, the options of translation vectors G x , G Y , and G z are examined. If these vectors are orthogonal, they can be left as they are. In the case of non-orthogonal, it is useful in actual simulation if a linear combination of G Y and G z that are orthogonal and other options of G x are listed.

[入力4] 2つの結晶の並進移動量を入力する。粒界面上で原子が対応している基本的なモデルでは全てゼロである。
[入力5] 処理3でリストアップした並進ベクトル選択肢の中から、目的とするモデルセル形状に合うものを選択する。更に、シミュレーションの規模に応じてセルサイズlx 、ly 、lz 、mx を指定する。
[処理4] 入力2−5で指定された値を基に、モデル内の原子座標を計算する。
[処理5] 処理4で得られた原子配列やセル形状を画面に表示する。結果に満足であれば入力6に進む。モデルを修正する場合は入力2−5に戻る。
[Input 4] Input the translation amount of two crystals. The basic model with atoms on the grain interface is all zero.
[Input 5] From the translation vector choices listed in the process 3, the one that matches the target model cell shape is selected. Furthermore, cell sizes l x , l y , l z , and mx are designated according to the scale of simulation.
[Process 4] The atomic coordinates in the model are calculated based on the value specified by the input 2-5.
[Process 5] The atomic arrangement and cell shape obtained in Process 4 are displayed on the screen. If the result is satisfactory, go to input 6. If the model is to be modified, return to input 2-5.

[入力6] 原子座標データを出力するファイル名とファイル形式を入力する。
[処理6] 指定された名前のファイルに指定された形式で、原子座標、元素、周期セル形状の情報などを出力する。
[Input 6] Enter the file name and file format for outputting atomic coordinate data.
[Process 6] Output atomic coordinates, elements, periodic cell shape information, etc., in the format specified in the file with the specified name.

次に、上記方法の基本動作についての所定のソフトウェアによる処理をハードウェア資源と協働させた具体的手段について説明する。
[入力1] プログラムされたコンピュータによってプログラムを開始し、目的とする結晶の結晶構造データ(空間群、格子定数、元素と原子座標)を入力手段によって入力し、記憶手段に記憶させる。
[処理1] 入力された結晶構造データに基づき、結晶単位セル内の全ての原子座標をデータ処理手段で計算し、データ交換手段で処理して、独立対称要素変換操作RV をリストアップし、結晶原子座標を生成させ、記憶手段に記憶させる。
Next, specific means in which processing by predetermined software for basic operation of the above method is performed in cooperation with hardware resources will be described.
[Input 1] The program is started by a programmed computer, and crystal structure data (space group, lattice constant, element and atomic coordinates) of the target crystal is input by the input means and stored in the storage means.
[Process 1] Based on the inputted crystal structure data, all atomic coordinates in the crystal unit cell are calculated by the data processing means, processed by the data exchange means, and the independent symmetric element conversion operation R V is listed. Crystal atom coordinates are generated and stored in storage means.

[入力2] 目的とする対応粒界のΣ値を入力手段で入力する。同一Σ値に複数の対応関係があるもの(Σ13など)についてはその種別も指定し記憶手段に記憶させる。
[処理2] 指定されたΣ値における対応格子Cx 、Cy 、Cz を求め、対応格子点情報として記憶手段に記憶させる。この格子に対して粒界面上の対応格子密度ρGが大きい粒界面の組を検索手段で検索し、データを読み出し、候補としてリストアップし記憶手段に記憶させる。その際、対称変換で同一粒界面となるものは候補から除外する。この過程で並進ベクトルGx 、GY 、Gz も得られる。
[Input 2] The Σ value of the target corresponding grain boundary is input by input means. For those having a plurality of correspondence relationships with the same Σ value (such as Σ13), the type is also specified and stored in the storage means.
[Process 2] Corresponding grids C x , C y , C z at the specified Σ values are obtained and stored in the storage means as corresponding grid point information. A search means searches for a set of grain interfaces having a larger corresponding lattice density ρG on the grain interface than the lattice, reads out data, lists them as candidates, and stores them in the storage means. At that time, those which become the same grain interface by symmetrical transformation are excluded from the candidates. In this process, translation vectors G x , G Y and G z are also obtained.

[入力3] 処理2でリストアップした粒界面ペアの選択肢から目的のものを選択し、入力手段で入力する。また、結晶A,Bに対する対称要素変換の選択によって同種異型界面を指定し、記憶手段に記憶させる。選択肢にない粒界面指数を直接入力できるよう情報処理手段によりプログラミングすることも可能である。
[処理3] 指定された粒界面について、並進ベクトルGx 、GY 、Gz の選択肢につい検索手段で検索し、データを読み出す。それらのベクトルが直交している場合はそのままで良い。非直交の場合には、直交となるようなGY 、Gz の線形結合やGx の別の選択肢もリストアップし、記憶手段に記憶させれば、実際のシミュレーション上有用である。
[Input 3] A target one is selected from the grain interface pair options listed in the process 2 and input by an input means. Further, the same type / different interface is designated by selecting the symmetric element conversion for the crystals A and B, and stored in the storage means. It is also possible to program by an information processing means so that a grain interface index that is not an option can be directly input.
[Process 3] The specified grain interface is searched by the search means for options of translation vectors G x , G Y , G z , and data is read out. If these vectors are orthogonal, they can be left as they are. In the case of non-orthogonal, it is useful in actual simulation if a linear combination of G Y and G z that are orthogonal and another option of G x are listed and stored in the storage means.

[入力4] 2つの結晶の並進移動量を入力し、記憶手段に記憶させる。粒界面上で原子が対応している基本的なモデルでは全てゼロである。
[入力5] 処理3でリストアップした並進ベクトル選択肢の中から、目的とするモデルセル形状に合うものを選択し、記憶手段に記憶させる。更に、シミュレーションの規模に応じてセルサイズlx 、ly 、lz 、mx を指定し、記憶手段に記憶させる。
[処理4] 入力2−5で指定された値を基に、モデル内の原子座標をデータ処理手段で計算する。
[処理5] 処理4で得られた原子配列やセル形状を表示装置の画面に表示する。結果に満足であれば入力6に進む。モデルを修正する場合は入力2−5に戻る。
[Input 4] The translational movement amounts of the two crystals are input and stored in the storage means. The basic model with atoms on the grain interface is all zero.
[Input 5] From the translation vector choices listed in the process 3, one that matches the target model cell shape is selected and stored in the storage means. Furthermore, cell sizes l x , l y , l z , and mx are designated according to the scale of simulation and stored in the storage means.
[Process 4] Based on the value specified by the input 2-5, the atomic coordinates in the model are calculated by the data processing means.
[Process 5] The atomic arrangement and cell shape obtained in Process 4 are displayed on the screen of the display device. If the result is satisfactory, go to input 6. If the model is to be modified, return to input 2-5.

[入力6] 原子座標データを出力するファイル名とファイル形式を入力手段で入力し、記憶手段に記憶させる。
[処理6] 指定された名前のファイルに指定された形式で、原子座標、元素、周期セル形状の情報など出力手段で出力する。
次に、スタンドアローンでの動作について説明すると、以上のアルゴリズムに従って書いたソースコードをコンパイルし、得られた実行モジュールをコンピュータにインストールすることによって、本プログラムは動作する。
[Input 6] The file name and file format for outputting atomic coordinate data are input by the input means and stored in the storage means.
[Process 6] Output information such as atomic coordinates, element, and periodic cell shape information in the format specified in the specified file.
Next, the stand-alone operation will be described. The program operates by compiling the source code written according to the above algorithm and installing the obtained execution module in the computer.

次に、ネットワーク上での動作について説明すると、本プログラムをJava(登録商標)アプレットなどの機種依存のない形態で作成し、サーバーに入力し、ネット上に開示することにより、ネットワークを経由した動作が可能となる。すなわち、利用者のサーバーが、手許のコンピュータのウェブ・ブラウザからサーバ・コンピュータ上のアドレスを指定し、所定のアドレスを取得するステップにより、本プログラムを動作させることができる。この場合、利用者のコンピュータへのインストール作業や、機種に応じた再コンパイル作業が不要となるため、負担を大幅に軽減することができる。実際にJava(登録商標)アプレットで動作している様子を図3に示す。   Next, the operation on the network will be described. This program is created in a machine-independent form such as a Java (registered trademark) applet, input to the server, and disclosed on the network, so that the operation via the network is performed. Is possible. That is, the user's server can operate the program by the step of specifying an address on the server computer from the web browser of the computer at hand and obtaining a predetermined address. In this case, the installation work on the user's computer and the recompilation work according to the model are not required, and the burden can be greatly reduced. FIG. 3 shows a state in which a Java (registered trademark) applet is actually operating.

本発明の手法で書かれたプログラムで生成された、シリコンΣ15(1−2 0)/(2−4 5)非対称対応粒界モデルの出力結果を図4に示す。入力データは表1の通りである。   FIG. 4 shows the output result of the silicon Σ15 (1-20) / (2-4 5) asymmetric grain boundary model generated by the program written by the method of the present invention. The input data is as shown in Table 1.

表1
空間群 Fd3m
結晶原子座標 0
Σ値 15
粒界面指数(A/B) (1−2 0)/(2−4 5)
対称要素(A/B) E/E
結晶A並進成分 ΔA
結晶B並進成分 ΔB
並進ベクトルGx ,GY ,Gz 〔3−6 0〕,〔210〕,〔003〕(3軸直交)
セルサイズ lx 、ly
、lz 、mx 1,2,2,1
Table 1
Space group Fd3m
Crystal atom coordinates 0
Σ value 15
Grain interface index (A / B) (1-20) / (2-4 5)
Symmetric element (A / B) E / E
Crystal A translational component Δ A 0
Crystal B translational component Δ B 0
Translation vectors G x , G Y , G z [3-60], [210], [003] (3-axis orthogonal)
Cell size l x , l y
, L z, m x 1,2,2,1

以上詳述したように、本発明は、対応粒界モデル作成のプログラムと操作方法に係るものであり、本発明によれば、1)高度な専門知識なしに、周期的境界条件を満たす対応粒界モデルを容易に生成できる対応粒界モデル作成プログラム及びその操作方法を提供できる、2)周期的構造を持つ対応粒界モデルのセル形状と原子座標を生成するソフトウエアを提供できる、3)ネットワークを経由した動作を可能とする対応粒界モデリングの方法を実現できる、等の効果が得られる。   As described above in detail, the present invention relates to a program and an operation method for creating a corresponding grain boundary model. According to the present invention, 1) corresponding grains satisfying the periodic boundary condition without advanced expertise. It is possible to provide a corresponding grain boundary model creation program that can easily generate a boundary model and its operation method, 2) to provide software that generates cell shapes and atomic coordinates of the corresponding grain boundary model having a periodic structure, and 3) a network. It is possible to achieve a corresponding grain boundary modeling method that enables operation via the.

粒界モデルの形状(従来技術、及び本発明)を示す。The shape of a grain boundary model (prior art and the present invention) is shown. 本発明における処理アルゴリズムを示す。The processing algorithm in this invention is shown. Java(登録商標)アプレットによりウェブ・ブラウザ上で動作させた例(モデル座標軸の取り方は本文記述と異なる)を示す。An example in which a Java (registered trademark) applet is operated on a web browser (how to take model coordinate axes is different from the text description) is shown. 実際に生成したシリコンΣ15(1−2 0)/(2−4 5)非対称対応粒界モデルの例を示す。An example of an actually generated silicon Σ15 (1-20) / (2-4 5) asymmetric correspondence grain boundary model is shown.

Claims (6)

対応粒界モデルを作成するために、コンピュータを、
指定された対応粒界のΣ値から粒界面方位の候補を表示画面上にリストアップする手段、
指定された粒界方位から対応粒界モデルの並進ベクトルの候補をリストアップする手段、
指定された並進ベクトルとそのサイズから、対応粒界モデルの周期セル形状を決定する手段、
空間群、格子定数、元素と原子座標のデータからなる結晶構造データに基づいてモデル内の原子座標を計算する手段、
その結果を、表示画面とファイルに出力する手段、
として機能させるための対応粒界モデル作成プログラム。
To create a corresponding grain boundary model,
Means for listing candidates for grain interface orientation on the display screen from the Σ value of the specified corresponding grain boundary,
Means for listing translation vector candidates of a corresponding grain boundary model from a specified grain boundary orientation;
Means for determining the periodic cell shape of the corresponding grain boundary model from the specified translation vector and its size;
Means for calculating the atomic coordinates of the model based on the space group, lattice constants, the crystal structure data comprising data elements and atomic coordinates,
Means for outputting the result to a display screen and a file;
Corresponding grain boundary model creation program to function as
粒界面方位が、粒界面上の対応格子点密度や粒界構造の対称性により抽出された、有限個数の候補の中から指定されたものである請求項1記載のプログラム。   2. The program according to claim 1, wherein the grain interface orientation is designated from a finite number of candidates extracted by the density of the corresponding lattice points on the grain interface and the symmetry of the grain boundary structure. 粒界面方位が、基本方位と独立対称要素変換の積に分解し、個々に指定されたものであり、かつ対称変換によって生じる同種異型界面の生成を容易にしたものである請求項1又は2記載のプログラム。   3. The grain interface orientation is decomposed into a product of a basic orientation and an independent symmetric element transformation, specified individually, and facilitates the generation of a homogeneous interface produced by symmetry transformation. Program. コンピュータが、周期セル形状を、対応粒界モデルの周期セルの各辺を対応格子間ベクトルに一致させて決定する処理を実行することによって、モデルの周期性とモデル内の2つの粒界面の同等性を確保する請求項1記載のプログラム。   The computer executes the process of determining the periodic cell shape by matching each side of the periodic cell of the corresponding grain boundary model with the corresponding interstitial vector, so that the periodicity of the model is equivalent to the two grain interfaces in the model. The program according to claim 1, wherein the program is secured. 上記プログラムが、空間群、格子定数、元素と原子座標のデータからなる結晶構造データから結晶原子座標を生成するプログラムと組み合わせて一つのコンピュータ内で実行されるものである請求項1記載のプログラム。 The program, space group, lattice constants, elemental and combined with atomic coordinates crystal structure data or program from which produce crystals atomic coordinates consisting of data which is executed in one computer of claim 1, wherein program. 上記プログラムが、サーバー機能を持つコンピュータに入力され、インターネットを経由してユーザー側のコンピュータのウェブブラウザ上で実行されるものである請求項1記載のプログラム。   2. The program according to claim 1, wherein the program is input to a computer having a server function and executed on a web browser of a user computer via the Internet.
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