fcc金属原子间相互作用势及“z”形铜纳米带分子动力学研究

《fcc金属原子间相互作用势及“z”形铜纳米带分子动力学研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、华中科技大学硕士学位论文体系的平衡性质和力学性质问题，是理论和实验的桥梁，在数学、生物、化学、物理学、材料科学、计算机科学等交叉学科中占有重要的地位。简单的说，分子动力学处理的体系中，粒子的运动遵从牛顿方程，即F(t)=ma(t)(1-1)iii式中()Ft为粒子所受的力，m为粒子的质量，a(t)为原子i的加速度。原子i所iii受的力()Ft可表示为iF(t)i=−∂U∂ri(1-2)其中U为势能函数。因此N个粒子的体系，对于每个粒子有∂v∂U∑iLm=F=−+i∂t∂ri.rt=vt()()ii(1-3)v为速度矢量。这些方程的求解一般需要通过数值

2、方法进行，数值解产生一系列i的位置与速度对{xn,vn}，n表示离散时间，t=nVt，Vt表示时间间隔（时间步长）。给出体系中每个粒子的初始坐标和速度，可以解出方程组。分子动力学方法只考虑多体系统中原子核的运动，忽略量子效应。所以对于涉及电荷重新分布的化学反应、键的形成与断裂、解离、极化以及金属离子的化学键等，分子动力学并不适用，分子动力学方法也不适用于高频率运动状况。1.2.2分子动力学与纳米材料经典的分子动力学方法由Alder和Wainwright于20世纪50年代提出[5,6]提出，并应用于理想的“硬球”液体模型。Verlet于1967年给出了著名的Ve

3、rlet算法[7]，即在分子动力学模拟中对粒子运动的位移、速度和加速度的逐步计算法，这种算法后来被分子动力学模拟广泛应用。分子动力学方法是研究纳米尺度物理现象的重要手段。随着越来越多材料的原子间相互作用势（也称势函数）被精确描述，计算机硬件水平的快速提高以及新算法的提出，分子动力学模拟被广泛应用于纳米材料力学性能的研究。在纳米4华中科技大学硕士学位论文尺度下，材料的比表面积大，表面效应明显，其力学性能和力学行为将与宏观材料迥异。基于连续性假设的宏观连续介质理论，仅适用于大量缺陷分布在材料中计算区域情形，难以准确求解纳米尺度的力学问题。同时，如果直接从第一性原理

4、出发进行计算，除了类氢原子以外其他材料的薛定谔方程求解难度都很大，而且局域密度泛函近似理论并不是总能满足实际问题的需要。而直接从头开始的量子力学计算难以很好地应用到几百个原子以上的计算规模中，无法达到一般纳米材料和器件的要求。此外，由于实验条件控制的困难和合成制备方式不同，各种纳米材料力学性能的实验结果分散性较大，以至于目前难以通过纳米力学实验得到普适的力学规律。鉴于理论和实验上的困难，通过分子动力学方法模拟纳米尺度材料的力学性能和行为来探索纳米尺度材料的一般规律，是进行纳米材料力学研究的有效方法。随着嵌入原子理论（Embedded-AtomMethod,EA

5、M）[8]的不断成熟和Baskes等实验室精确测出许多常用材料的EAM参数以后，分子动力学方法能够对固体结构、位错运动、表面界面现象、力学性能、变形机制等方面进行模拟，逐渐被应用于凝聚态物理、材料学、力学、生物学、微电子学和微纳米加工等领域。目前的分子动力学模拟通常在千万原子以内，所以纳电子机械系统、纳米加工和纳米器件等原子数目较少的领域，正处于分子动力学模拟的范围。因此，在原子间相互作用精确描述的前提下，采用分子动力学方法模拟纳米尺度材料的力学性能和力学行为显然是行之有效的方法。而且分子动力学模拟能得到原子运动的细节，可以观察到宏观实验中无法获得的微观运动过

6、程，这种优点使分子动力学在纳米材料科学研究中非常受欢迎[9]。1.2.2本文研究的内容和意义原子间相互作用势是分子动力学方法中最关键的部分，它能否精确描述原子间真实相互作用，决定着分子动力学模拟结果的可靠性。由于EAM理论在面心立方（Face-CenteredCubic,FCC）金属的原子层次模拟中得到近乎完美的应用，在进行FCC金属的分子动力学模拟时，如铜、金、银、铝、镍等纳米材料，选用的原子间相互作用势大多是EAM势模型。而目前势函数的研究结果众多，分散性很大，这给如何选用合适的函数进行研究提出了挑战。已出现的综述文献中5华中科技大学硕士学位论文对特定结构

7、的势函数很少有具有指导意义的总结。为了更充分的利用分子动力学方法进行模拟研究，本课题首先对原子间相互作用势进行研究，本文综述了使用频率较高的FCC金属原子间相互作用势，详见第三章。本文研究工作的另一内容（主要内容），是用分子动力学方法研究Z形铜纳米带在拉伸过程中的结构变化。在超大规模集成电路（UltraLarge-ScaleIntegration,ULSI）中,节点技术已经降到45nm，预计到2022年将会降到10nm，集成电路中元器件之间的互连线为纳米尺度的铜带。铜互连线的尺度决定了目前难以用宏观的实验手段研究其性质，并且其他模拟手段也存在较明显的缺点，比如

8、有限元法不能从原子层面展示结构的变化。