分子动力学综述.doc

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1、分子动力学综述分子动力学模拟方法综述(电子科技大学，微电子与固体电子学院，刘家豪)摘耍：任何物质从微观的角度去看，都是由原子分子或者离子构成。这些原子，分子或离子之间的相互作用，它们之间的关系直接决定了由此原子组成的宏观物质的各种参数，包括热传导性，温度，压力，粘性等等。随着现代计算机技术的发展，利用统计物理学的知识，分子动力学(MolecularDynamics)模拟方法已经成为现代科研过程中除理论研究，实验研究Z外的第三种有效科研手段，61957年发展至今，分子动力学(MD)已经广泛应用于物理，化学，生物，材料等各个学科之中。什么是分子

2、动力学，分子动力学就是利用计算机技术，对由原子核，电子所构成的多体系的整个运动过程进行模拟，从而实时将分子的行为显示在计算机屏幕上,进而从理论上得出宏观物体的各种性质。本文将从理论角度出发简要论述分子动力学模拟方法。关键字：分子动力学，势能函数，势能模型%1.分子动力学基本原则：1.各个原子，分子遵循经典牛顿力学定律：在经典分子动力学模拟方法中，忽略了电子的作用，因此忽略了量子效应，同时各个原子满足牛顿运动学方程满足叠加定理，所以可以使用经典物理学的手段去处理原子的运动问题。2.适用范围：经典的分子动力学模拟只考虑了多体系统中的原子核,忽略

3、了量子效应，这种忽略对于很多经典的材料是十分适用的，当我们要考虑原子核的转动，平动或者频率的时候，才考虑量子效应。1.前提，假设：己知微观粒子的相互作用。分子为球形，之间的相互作用只由其之间的距离决定。、%1.分子动力学模拟主要步骤：1.选取要研究的系统与其边界，根据实际需求建立合理的势能模型:1.1系统：在分子动力学中所研究的系统主要有三种：（1）微正则系宗（NET）：微正则系宗为孤立系统，系统内的原子数，能量，体积等参数不随时间发生改变。（2）正则系宗（NVT）：在正则系宗里，系统的原子数，体积，温度不发生改变，同时系统的总动量为零。（

4、3）巨正则系宗（UVT）：正则系宗用于处理系统内部粒子数发生变化的系统，其中化学势，体积,温度保持不变，但系统不断与外界发生粒子数的交换。1.2边界条件：由于计算机模拟能力的限制，因此所选系统中粒子束只能为几十至几百不等，不可以模拟大量分子，只能模拟有限空间中的有限分子，对于冇限空间，就存在边界的限制。（1）固体边界条件：不仅仅存在分子Z间的相互作用，同时也存在壁面对分子的作用。此种条件在模拟中较为不常用。（2）周期边界条件：为了模拟尽可能多的原子并且减少计算机的计算量，分子动力学模拟通常采用周期性边界条件。首先在模拟体系屮选择合理的原胞，

5、其周围部分为它的镜像。1.3势能函数：势函数表明了原子间的相互作用，针对不同的材料，不同的模拟目的，势函数模型的选取有很多不同的形式。分子动力学模拟的成功与否，很大一部分取决于势能模型选取的成功与否。从最初的钢球模型,斥力力心模型,Southerland模型,到现在的Lennard-Jones模型等,势能模型经历了很长时间的发展。势能函数主要分为两大类：(一)对势模型：分子动力学早起，一般采用对势模型，因为其能很好模拟除了金属，半导体z外的绝大多数无机化合物。其中的势能模型需要根据合理的理论分析得出，但是具体的参数需要更具经验來确定，称为半

6、经验势。主要有：Lennard-Jones势,Morse势，Born-Mayer势等。(-)多体对泛势能：对势模型在分子晶体，离子化合物中的模拟取得了很大的成就，但是对于过渡金属，对于含冇共价键的物质的模拟却多为困难。在20世界80年代后，陆续出现了很多解决这一问题的新型势能模型。主要冇：嵌入原子势，Finnis-Sinclair势等。1.给定系统中粒子的初始位置和动量：分子的初始条件主要由随机法给出除,其主要要求如下:(1)大小：v=Vmax(2*random-l)⑵方向：随机产生(0,1)之间的随机数。方向按照球坐标给出,?=arcos

7、(2*(random-0.5)),??sign(random?0.5)?arccos[2(random?0.5)].vvy?vsin?sin?,vz?vcos?x?vsin?cos?,2.建立合理的模拟算法，计算粒子的速度和相互之间的作用力：由于分子动力学模拟力的计算量工作很大，使用常用的数值算法不在适用。在计算的时候，一般釆用每步只计算一次力的单步算法，以达到省时，稳定和精度高的要求，常用的算法冇以下几种：Verlet算法，leap-frog算法，Velocity-Verlet算法，Gear算法。其中蛙跳算法是Verlet算法的变种，不过

8、其缺点是位置和速度不是同步的，这就意味着在位置…定的吋候，不能计算动能对总动量的贡献。对于Velocity-Verlet算法，其可以给出同一时刻的位置，速度和加速度，同时精度较高