全势能线性Muffin一Tin轨道组合分子动力学方法及其在 - 物理学进展.PDF

④ 7 2／ (=) 第 20卷 第 3期 物 理 学 进 展 V0l-20．No．3 加00年 9月 PRoGRESSIN PHYSICS Sept．，2OOO 文章缡号 ：1000-0542(2000)03-027615 全势能线性 Muffin—Tin轨道组合分子 动力学方法及其在半导体 团簇结构计算 中的应用 苎 0}，6zJ‘ (浙江大学物理系和硅国家重点实验室，杭螂 310027) 摘 要： 研究原子团簇的结构及其与之相关的物理和化学的性质是当前国际上一个活跃 的研究前沿。全势能线性 Muffin-Fin轨道组合法是 目前国际上最先进的第一性原理分子动 力学方法之一。本文简要地阐述了全势能线性 Muffin-Tin轨道组合法的原理 ，以及本研究小 组用此方法在半导体原子团簇结构研究中的部分结果。 关键词 ： 全势能线性 Muffin-Tin轨道组合分子动力学方法；稳定结构；半导体原子团族 中医分类号： 041 文献标识码 ： A 1 引 言 FP—L 坛 原子团簇 ，简称团簇 (clusters)，是介于原子和固体之问的一个中间态，指几个到几百 个乃至上千个原子通过物理或化学的结合力组成相对稳定的亚微观集体_1j。团簇的空 间尺度是几 A至几百A的范围，其物理和化学性质随所包含的原子数 目而变化。团簇的 许多性质既不同于单个原子分子 ，又不同于固体或液体 ，也不能由两者性质作简单线性外 延和内插而得到。因此 ，人们把团簇看作是介于原子分子和宏观固体之间物质结构 的新 层次 ，有人称之为物质的 第五态”j。正因为如此，团簇可以看作是各种物质 由原子分 子向大块物质转变过程中的特殊物相，或者说它如同胚胎与成熟的有机体一样 ，代表了凝 聚态物质的初始状态。就象胚胎学以其特殊的、许多情况下甚至是唯一的方式说 明生物 学规律一样 ，团簇的研究有助于我们认识大块凝聚态物质的某些性质和规律 “0J。 团簇科学是研究圃簇的原子组态和电子结构 ，物理和化学性质及其向大块物质演化 过程中与尺寸的关联．团簇同外界环境的相互作用规律等等的一门前描科学。近年来，研 究圃簇的结构和特性是一个相当活跃的科学分支。加深对 团簇的特性的理解 ．有助于解 释许多微观现象 ：如晶体生长 ，表面催化 ，表面重构等等。这种研究的最终 目的是为了理 解团簇包含的原子数 目增长时，其从分子行为向固体行为转变时的特性。在实验上获得 收稿 日期 ：2000-07-24 基金项 目教育部留学回国人员科研启动基金 、浙江大学曹光彪科研基金和国家 自然科学基金贷助项耳 3期 宋斌等：全势能线性Mu~fin-Th轨道组 中的应用 277 原子团簇的主要方法是激光剥离(1aserabhti~)和高能电子束轰击l6j。理论上对团簇 的研究采用的方法繁多，主要有量子化学方法_8】，局域密度泛函计算方法_9．1…，广义价带 理论方法 【“]，分子动力学计算方法Ll2一 和其它一些方法L”．1。从发展趋势看 ，由于分 子动力学研究的优点_I，分子动力学的研究正在被越来越多的研究者所采用。 全势能线性 Mu~{in-Tin轨道组合法 (FP-LMTO)法_1是继 Car-Parrinel|o法_1以来 目前 国际上最先进 的第 一性原理分子 动力学方法之一 。该方法是 Methfessel和 Schil~ganrde在 1993年提 出的。该方法的特点是采用 由Muffin-Tin势所决定的Muffin- Tin轨道渡函数L2o-23]作为基函数的基础上 ，引入全势能方法井导出了与之相适应 的简单 般力的表达式_1 J，使该方法可以用最小的基函数，对元素周期表中的所有元素进行准 确的分子动力学计算成为可能。本文主要的 目的是想对这