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1、分子动力学模拟及其在材料科学中的应用/赵素等5*分子动力学模拟及其在材料科学中的应用赵素,李金富,周尧和(上海交通大学材料科学与工程学院,上海200030)摘要综述了分子动力学模拟技术的发展,介绍了分子动力学的分类、基本原理、原子间势函数的发展及势参数的确定、相关有限差分算法、初始条件和边界条件的选取、平衡系综及其控制、感兴趣量的提取以及分子动力学模拟在材料科学中的一些应用。关键词分子动力学有限差分法原子间作用势平衡态系综MolecularDynamicsSimulationandItsAppli
2、cationintheMaterialsScienceZHAOSu,LIJinfu,ZHOUYaohe(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030)AbstractTheprogressinmoleculardynamicssimulationisreviewed.Thecontentscomprisetheclassificationandprincipleofmoleculardynamics,t
3、heinteratomicpotential,therelatedfinitedifferencetechnique,thechoiceofinitialandboundaryconditions,therealizationandcontrolofequilibriumensembles,theextractionofusefulinformationandsomeapplicationsinthematerialsscience.Keywordsmoleculardynamics,finitedifference
4、technique,interatomicpotential,equilibriumensemble算机技术飞速发展,加上多体势函数的提出与发展,使分子动力0引言学模拟技术有了进一步的发展。当实验研究方法不能满足研究工作的需求时,用计算机模1分子动力学分类拟却可以提供实验上尚无法获得或很难获得的重要信息;虽然计算机模拟不能完全取代实验,但可以用来指导实验,并验证某分子动力学的目标是研究体系中与时间和温度等有关的性些理论假设,从而促进理论和实验的发展。特别是材料形成过质而不只是静力学模拟中研究的构型方面。分子动力学假定
5、原程中许多与原子有关的微观细节,在实验中无法获得,而在计子的运动是由牛顿运动方程决定的,这意味着原子的运动是与算机模拟中即可以方便地得到。这种优点使分子动力学模拟在特定的轨道联系在一起的。分子动力学模拟的关键问题是原子材料科学研究中显得非常有吸引力。间作用势的确定,主要是求解下述牛顿运动方程组。分子动力学(MolecularDynamics,MD)模拟是指对于原子RM=F(1)t核和电子所构成的多体系统,求解运动方程(如牛顿方程、哈密其中M为原子质量,R为原子空间位置,t表示时间,F为原顿方程或拉格朗日
6、方程),其中每一个原子核被视为在全部其它子间作用力。确定原子间的相互作用力F,也就是确定原子间原子核和电子作用下运动,通过分析系统中各粒子的受力情况,N作用势E(R)。用经典或量子的方法求解系统中各粒子在某时刻的位置和速确定原子间作用势,必须知道相应的电子基态。电子基态度,以确定粒子的运动状态,进而计算系统的结构和性质。的计算是一个非常复杂的量子多体问题,即解多体薛定谔1957年Alder等首先在硬球模型下采用分子动力学研究气体(Schrodinger)方程(式(2)):和液体的状态方程,开创了用分子动力学模拟方法研究物
7、质宏H(ri,R)=Etot(ri,R)(2)观性质的先例。1972年Less等发展了该方法并扩展了存在速度梯度的非平衡系统。1980年Andersen等[1]创造了恒压分子式中:Etot表示系统的总能量,ri表示第i电子的空间坐标,(ri,R)是系统波函数。系统的哈密顿算子(Hamiltonian)H可动力学方法。1983年Gillan等将该方法推广到具有温度梯度表示为:的非平衡系统,从而形成了非平衡系统分子动力学方法体系。22Ppi111984年Nose等完成了恒温分子动力学方法的创建。1985年针
8、H=++-2Mi2m2i,j
9、ri-rj
10、对势函数模型化比较困难的半导体和金属等,Car等[2]提出了1Z1ZZ+(3)将电子论与分子动力学方法有机统一起来的第一性原理分子动2i,
11、ri-R
12、2,
13、R-R
14、[3]力学方法。1991年Cagin等进一步提出了应用于处理吸附
