分子动力学在非晶中研究.doc

PAGE  PAGE 10 分子动力学在非晶中的应用 摘要：为非晶材料以特殊的结构和优异的性能而受到广泛关注，本文简要介绍了非晶材料和分子动力学的发展以及分子动力学的计算分析方法，重点说明分子动力学在非晶材料研究中的应用，概述了运用分子动力学对非晶材料的结构、晶化行为、凝固过程以及原子团簇的研究，对分子动力学在非晶中的运用和未来发展做了展望。 关键词：非晶材料 分子动力学 应用 Application of Molecular Dynamics on Amorphous Abstract: Amorphous materials attract wide interest because of their unique structures as well as super properties.The development of amorphous materials and molecular dynamics and the simulation andanalysis methods are briefly introduced in this article. The applications of molecular dynamics on amorphous were mainly described. The structure, crystallization, solidification and atomic clusters of amorphous investigated by molecular dynamics are introduced in detail. The further development and the application of molecular dynamics on amorphous were prospected. Keywords: Amorphous , Molecular Dynamics, Application 引言 非晶材料作为新型材料领域中的一种，它起源于20世纪60年代。1960年，美国加州理工学院的杜威等[1]采用极速冷却法制备出了第一片厚度只有20μm的Au75Si25非晶合金（金属玻璃）薄片，这标志着非晶合金这种新型材料的诞生。它与普通的晶体材料相比，具有结构简单、无取向等特点，同时它比晶体材料具有更加优异的性能，如高强度、高硬度、高耐磨性和高耐蚀性能等，是潜力极大的工程结构材料。而这些优异的力学、物理和化学性能，主要由其特殊的微观结构决定。非晶合金的性能受到成分和微观结构的制约。不同成分的非晶合金具有不同的团簇结构和团簇堆垛方式。因此非晶态材料微观结构、非晶形成过程及其内在机制是现在的研究热点， 但是由于实验方法和实验条件的局限性，仅仅通过实验方法不能彻底了解非晶态材料的微观结构、非晶形成过程及其内在机制。当实验研究方法不能满足研究工作的需求时，用计算机模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材料科学研究中显得非常有吸引力[2]。 分子动力学是一种用牛顿力学规律来模拟分子运动的方法，可以计算体系的热力学量和其他宏观性质，根本问题是要确定一群有相互作用的粒子在时空中的演化规律，即确定各个粒子在什么时刻什么位置是怎么样的运动状态。其步骤为：首先建立数学模型，指定粒子运动时遵循的规律以及粒子间相作用的方式，然后用计算机计算这些粒子的运动轨道，分析出系统的各种性质。1957年Alder 等首先在硬球模型下采用分子动力学研究气体和液体的状态方程,开创了用分子动力学模拟方法研究物质宏观性质的先例。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[3]创造了恒压分子动力学方法。1983年Gillan等将该方法推广到具有温度梯度的非平衡系统,从而形成了非平衡系统分子动力学方法体系。1984年Nose等完成了恒温分子动力学方法的创建。1985年针对势函数模型化比较困难的半导体和金属等，Car等[4]提出了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力学方法。1991年Cagin等[5]进一步提出了应用于处理吸附问题的巨正则系综分子动力学方法。 计算与分析方法 计算方法 2.1.1 第一性原理分子动力学 第一性原理[6]计算是指仅仅利用普朗克常数、电子质量和电量三个基本物理常数以及元素的原子序数，不借助于任何经验参数，计算体系全部电子的分子积分，求解