分子动力学模拟.pdf

第??卷第期! !?年?月力学学报?# ??% &# ??()# ??)( )#?+ ,???% ( !!?分子动力学模拟金属纳米杆受压稳定性‘’吴恒安王秀喜倪向贵 2 中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室合肥?! ! ,3 摘要纳米结构2 包括纳米杆3 的力学性能是纳米超微型器件设计的基础分子动力学是研究纳米结构力学行为的有效方法采用&?%势模拟金属铜纳米杆在轴向压力作用下的力学行为结果表明当外力较小时纳米杆受压发生纵向收缩当外力达到某一临界值时纳米杆发生横向弯曲2 即屈曲3 行为稳定的弯曲状态能继续承受外载当外力继续增大时纳米杆发生倾覆而失效关键词纳米杆分子动力学屈曲弛豫态尺寸效应引言纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按照一定规律构筑或营造一种新的体系它包括一维的二维的三维的体系这些物质单元包括纳米微粒稳定的团簇或人造超原子纳米管纳米棒纳米丝以及纳米尺寸的空洞纳米结构具有纳米微粒的特性如量子效应小尺寸效应表面效应等同时又具有由纳米结构组合引起的新的效应如量子祸合效应协同效应 567 纳米结构体系能方便地通过外电磁光场实现对其性能的控制这是纳米超微型器件的设计基础纳米杆是纳米机械的重要组成部分研究其力学性能具有十分重要的理论意义和应用价值本文采用分子动力学方法模拟金属铜纳米杆在轴向力作用下发生屈曲及屈曲后的力学行为探讨结构在纳米尺度下的力学行为及其与宏观尺度下的差异以此指导纳米机械设计背景电子云密度环境下的镶嵌能即考虑了原子间多体相互作用&?%方法势函数参数由实验数据拟合拟合参量包括结合能波恩稳定性弹性常数 2#6 #?仇 3 空位形成能堆垛层错能等叫本文采用文献597 提供的铜的&?%势函数参数动力学方程时间积分格式采用+: 0;:<蛙跳法的速度形式 5!7 如公式263 所示该算法的一个优点是只需要在内存中存储一个时刻的变量 2< =△<3 > 2 <=△<? 3 2 ?3 /2 云=△亡3 2 亡=△<3 2 <3 = 2 <3 △<= 。2 <3 △<?> 2 <3 = /2 <3 △<?一+ &2 叹<=△约3?Β 2 <=△<?3 = /2 <=△艺3 △<??计算方法和模型分子动力学方法通过原子间的相互作用势按照经典牛顿力学运动定律求出原子运动轨迹及其演化过程有助于我们在原子尺度了解物质运动变形的细节分子动力学计算的一个关键是原子势函数的选取镶嵌原子方法2 &ΒΧΔΔΔ?<Β% <ΕΔ&?%3 5/Φ是模拟金属力学行为的有效势函数模型特别是在处理金属表面杂质缺陷问题中取得成功 5?7 & ?%势与对势不同在于它考虑了原子在局域!!???!?收到第一稿!!刁Γ! 8收到修改稿 63国家自然科学基金资助项目2 ?!?Η!Γ?3 方形截面纳米杆初始构型按照理想晶格点阵排列Ι?, Α坐标轴分别对应面心立方晶体的Κ?! !?【! ?!?Λ!! ?」晶向由于是模拟有限长度的纳米杆的力学行为故?个方向都不采用周期边界条件采用(19 :ΜΜ?1?: 方法进行等温调节图温度控制在 1!?Ν以避免热激活引起的复杂影响铜的晶格常数> !.?,?Β计算了,个不同尺寸的纳米杆尺寸分别为2 ?3 ??/ ??/ ?Γ/ 42 3 ?9/ ? 9 ?! 42 ?3 ????Γ, 42 83 8? 8 ?Η8 4 2 ?3 ????ΠΘ! 42