晶格反演修正型嵌入原子势函数理论及应用研究

摘要

随着计算机软硬件性能的提升和互联网技术的发展，计算材料学在新材料研发中起到了越来越重要的作用。作为其中的一个重要分支，分子动力学在进行原子尺度上模拟中得到了广泛的应用。尽管分子动力学方法涉及到众多的技术，但势函数因着其对计算结果可靠性的决定性作用而成为最受人们关注的一个，几乎伴随着分子动力学方法的整个发展历程。时至今日，人们仍在尝试开发出具有更高精度、更高效率和更高扩展性的势函数。本文的主要研究工作也是围绕这一主题展开，特别是引入了晶格反演法作为势函数开发的工具。下面是对本文主要工作的简单总结。
　　本文首先使用晶格反演法，以第一性原理计算的结合能曲线为基础，发展了适用于Pd-Au间的反演对势。然后以该对势为基础，研究了Pd-Au合金纳米颗粒熔化行为的尺寸效应及表面原子偏聚现象。其次，在修正型嵌入原子势（MEAM）的基础上，通过移除其中所使用的复杂的多体屏蔽函数，并使用晶格反演法考虑更多近邻原子对对势和电子密度的贡献，提出了一种新的势函数模型，即晶格反演修正型嵌入原子势（LI-MEAM）。相比于之前的MEAM势函数，LI-MEAM的模型更简单，势参数更少，物理意义更明确，同时精度也有提高。除此之外，在纳米颗粒的应用中，LI-MEAM表现出更好的稳定性。第三，使用粒子群优化算法优化了Fe在LI-MEAM下的势参数。然后使用优化的势参数，计算了Fe的各种物理性质，并将这些结果与实验值及其他势函数的计算结果进行比较。对比结果显示，作为一种简化的MEAM势函数，LI-MEAM仍然具有略高于第二近邻的修正型嵌入原子势（2NN MEAM）的精度。另外还使用LI-MEAM研究了bcc-Fe球形纳米颗粒熔化行为的尺寸效应及熔化机理。最后，使用粒子群优化算法优化了所有过渡族bcc体系（Fe、Cr、Mo、W、V、Nb及Ta）在LI-MEAM下的势参数。然后使用这些优化的势参数，计算了各个过渡族bcc体系的多种物理性质，并将这些结果与实验值及2NN MEAM的计算结果进行比较。结果显示，在LI-MEAM势函数下使用这些参数计算出的各体系的物理性质具有很高的精度。

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1 绪论

1.1 计算材料学

1.2 分子动力学

1.3 本文的贡献和主要研究内容

2 原子间相互作用势

2.1 势函数

2.2 对势

2.3 三体势

2.4 多体势

2.5 本章小结

3 计算方法

3.1 晶格反演法

3.2 势参数的优化方法

3.3 LAMMPS的使用方法

3.4 常见物理性质的计算方法

3.5 本章小结

4 晶格反演法在Pd-Au合金中的应用

4.1 研究背景

4.2 理论与方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 LI-MEAM的提出及在Fe中的应用

5.1 研究背景

5.2 理论与方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 LI-MEAM在过渡族bcc体系中的应用

6.1 研究背景

6.2 理论与方法

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

7 总结及展望

7.1 研究工作的总结

7.2 进一步工作的展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间申请的发明专利和其他成果

附录3 攻读博士学位期间参与的科研项目

附录4 常见晶胞类型的反演参数表

附录5 常见物理性质的LAMMPS计算脚本

5.1 Fe在2NN MEAM势函数下的势参数

5.2 晶格常数及结合能

5.3 弹性常数

5.4 空位形成能

5.5 表面能

5.6 熔点

5.7 热膨胀系数

5.8 比热容