纳米晶体铜结构和性能的分子动力学模拟.pdf

:现代社会高薪技术领域惊人的飞跃也是和新材料的研制与发展分不丌的。新材料的飞速发展,使传统的研制方法(蕈纯的试验方法)难以应付。最近儿年,由电脑住在的能够模拟真实分子体系的结构与行为的方法形成了新的领域,特别有助于新材料的研制,在学术界与工业界都引起了很大的反响。这个新的领域就是“分子模拟”(molecular simulation or molecular modeling L 近些年对新型的纳米材料以及由其组成的各种结构的研究吸引了科研T 作者的浓厚兴趣,并取得了很大进展¨I。— 100nm的多晶体材料。出于它的特殊的晶粒尺寸及体积分数很大的原子是处在品界位置,纳米晶体就具有一系列不同于传统的粗晶体材料所具有的高新性能¨J。这些高新性能的发现在为高性能材料开拓新途径的同时,也给材料学理论带柬了新课题,如何在原子与纳米尺度上阐述纳米晶体结构~性能的相互关系,成为了一个比较有实际意义的课题。材料结构和性能的计算机模拟可以分为两类:①连续体模型②原子论模型。在连续体模型中,所研究的对象被视为连续介质,所利用的多是有限元法;而在原予论模型罩,则认为研究对象是单个原子的聚集体,并且每一个原予是最为独立的研究单元。目前,经常利用的原子级模拟方法有两种,即分子动力学(MD)方法和蒙特卡罗(MC)方法。在传统意义上的宏观的连续介质力学的研究中,使用的方法是一种近似的唯象的描述方法,对于在纳观或是细观尺度上离散的、非均匀的材料来说,连续介质力学就不适用了。所以,要采用新的方法来研究。本文采用分予动力学汁算机模拟方法,对纳米晶体的结构和性能进行研究。分子动力学方法(Molecular Dynamics)是进行分子模拟的一种常用方法。就是对一些相互作用的分子,原予的运动方程求解。在这种方法中, 我们假设这些分子,原子都遵从经典力学,即牛顿运动定律掣d』∑,(白) m1)t 2 ”7 、‘“式中∑F(‘,)——第i个原子所受的合力: ,就可求出原子的位移。分子模拟的应用十分广泛,下面简要的给出它在一些领域的应用∽流体:分子模拟的方法一开始就用于流体的研究,而且现在仍占有很重要的地位。一些新的更加真实的作用模型的出现,使得这种方法可以研究一些新的系统,或者更基本的问题。缺陷:用分子模拟的方法对于含有缺陷的晶体的力学性能的研究已经进行了很多年了,现在仍然是很热门的课题。但是,研究的方向已经从简单的点缺陷(空穴、裂纹)等转移到线缺陷(位错等)和面缺陷(颗粒边界问题,堆积缺陷等)。它的发展动力就是新的更好的势函数的出现。表面问题:表面学在80年代之所以飞速的发展起来,就是因为新的高解析度显微镜的出现(如扫描隧道显微镜,高解析度电子显微镜等等)。在诸如表面重组、融化、粗糙化、表面模糊等等表面现象的研究中,分子模拟是重要的研究手段,在模拟过程中往往要采用很大的原子数目和更长的模拟时问。摩擦:两种固体之间的相互支撑和摩擦的研究是最近几年爿‘丌始的。主要是由于原子力显微镜(Atomic Force Microscopic)的出现。晶簇问题:晶簇可以是由几个或者几千个原子凝聚而成的,是原子系统和宏观体系之间的过渡,表现出了一些非常吸引人的性质。人们经常惊奇的发现,很多差异很大的结构确有着非常相近的能量,这就使得确定稳定结构的工作变得很难。还由于它们的各向异性,所以其融化性质和宏观固体不同。研究金属的晶簇在催化剂学上有重大的意义,所以这个研究方也很热, 其中分子模拟起着很大的作用。生物分子:分子模拟可以对大的有机物分子,如蛋白质,脱氧核糖核酸(DNA,RNA)和膜进行模拟。现在,在制药业中,用计算机模拟来检测新药的性质已经成为一种很重要的手段,而不再用成本较高的化学分析的方法。电子性质和动力学;,在这种方法中,原子上受到的力是通过对原子的电子结构的分析得到的,而不是通常的对势函数的求导。这样就可以研究相变和一些跟温度有关的材料性质。在美的纳米材料和纳米微结构的计算机模拟l“,这说明,人类已经进入了分子纳米的时代。纳米技术是继微电子技术后的又一项具有革命性的关键技术。利用纳米技术可以通过精确地控制原子或分子定位来制造材料。通常的材料含有大量的杂质和各种微缺陷。例如在IC制造过程中出现的各种点缺陷,使其物性远远低于理想值。采用纳米技术研制的材料可以实现原子的完美占位,最大限度地消除杂质和缺陷。使其物性达到或接近理论值。总之,分子纳米技术将会引发材料科学、生物学、信息科学等领域革命性的突破