这是本文档旧的修订版！
模拟气相沉积薄膜生长过程
介绍
在本实例中你将学到如何使用Virtual Nanolab和Atomistic Toolkit中的分子动力学（MD）模拟来模拟在基底上生长气相沉积薄膜。
气相沉积是一种广泛应用的技术，用以在基底材料上生长晶体薄膜或者无定型固态薄膜。模拟这些过程可以帮助理解其生长微观机制，和过程参数（压力，温度等）对原子结构和动力学的影响。
在本实例中你将模拟在晶体碳化硅（SiC）基底上生长SiC，与文献[1]中的研究类似。你将使用半经验势，相比从头算方法（譬如DFT方法），它能进行更大系统和更大时间规模的模拟。本例中的模拟主要是物理气相沉积（PVD）方法。当然，如果包含了描述化学反应的合适的力场，或者有充足的计算资源来使用从头算方法，化学气相沉积（CVD）过程原则上也是可以进行模拟的。
对于本实例来说，你需要熟悉在分子动力学基础中描述的分子动力学基本功能。你将学到如何使用Python脚本语言和ATK分子动力学常规中的挂钩功能（hook functionality）来运行高级的模拟。
小提示 ！ 在文献[1]中使用的修正嵌入原子模型（MEAM）目前在VNL-ATK中不可用。你将使用Tersoff势来代替，它并不会产生如参考文献中那样的层状晶体。模拟技术显然独立于势能的选取，因此对各种材料都适用。
小提示 ！ 限定的可接近的模拟时间需要在蒸汽压值下具有可操作性，而这个蒸汽压比实验值高出很多。当你解读模拟结果时，你应该时刻注意这一点。在remarks部分可以找到与之相关的更细致的讨论。
模拟策略
运行一个沉积模拟需要一些不同的技术。与通常的平衡态分子动力学模拟最主要的不同是，随着蒸汽原子或分子的引入，整个系统的粒子数随之增加。在VNL-ATK中有两种策略来实现：
1.为每个新引进的原子或者分子运行一次新的模拟。通过在已沉积原子/分子上连续添加新的原子/分子可以实现整个沉积的模拟。
2.将所有需要沉积的原子或分子放在模拟晶胞的库（reservoir）中。对于每个新的沉积过程，从库中取出一个原子把它放在基底上方。
第一个方法的好处是只有真正需要的原子才出现在模拟晶胞中，这提高了模拟效率。然而，由于原子数在变化，在VNL-ATK中不可能将整个模拟保存在一个MD Trajectory中用以后续的可视化和分析。所以，本实例选取了第二种方法。当准备模拟时，我们必须注意在库中的原子不会与系统活跃部分有显著的相互作用，尤其是吸附发生的表面。在本实例中，库将会呈现为放在紧挨着基底底部的晶体。
构建系统
碳化硅晶体有很多构型。在本实例中，基底将会以2H-SiC晶体结构来构造，可以在VNL的database里找到。你当然也可以用别的SiC结构来构建你的基底晶体。
打开Builder，点击Add‣From Database，搜索SiC，添加Wurtzite结构。
构建表面和库
对此模拟我们考虑SiC晶体的（0001）表面。使用面板栏（panel bar）右手边的Builders‣Surface（Cleave）插件来构建这个表面。选择（0001）密勒指数和2*2的表面晶格。最后，选择一个Periodic（bulk-like）层外晶胞矢量和包含一层的厚度。点击Finish完成分裂过程。
所得的晶胞在x-y平面上仍具有六角形状，这在分子动力学模拟中会有所不便。
由于六角对称性，表面晶格可以很容易的转化为正交晶格。为此，打开Bulk Tools‣Lattice Parameters，选择Keep‣Cartesian坐标，将B矢量x分量调为0。
使用Bulk Tools‣Wrap插件将原子包入新的模拟晶胞中，你将会看到晶体结构会保持不变。
经过分裂（cleaving）和包裹（wrapping），顶层的终端未必是理想的。在本实例中终端会出现悬挂键，即一重配位的碳原子，这在模拟当中极有可能是不稳定的。为了得到更好的终端，使用Coordinate Tools‣Translate将整个构型平移，使用-0.2Å的z-translation，最后通过Bulk Tools ‣ Wrap将构型包入晶胞里。最终的终端看起来应该如下图，在底部和顶部形成一个更稳定的终端。
接下来通过Bulk Tools ‣ Repeat产生尺寸合适的超胞。在A-B平面使用3*3的重复。C方向矢量必须进行一定的重复，以产生足够晶体层的基底，同时含有足够原子数的库来产生所需厚度的沉积薄膜。对于本例来讲，基底选择3层。为了使模拟时间适度的短，你将使用仅一层的库，从而使C轴总的重复数为4。如果你还想进行实际的生长模拟，你可以增加库的层数（和沉积模拟中的步数）。
现在你需要使用标签（tags）标记系统的不同部分。首先选择系统的上两层作为热化基底，如库（reservoir）方法原理图所示，并将他们标记为“基底”。然后选择接下来的一层晶体层为基底固定的底层，并标记为“bottom”。最后，将下面这些晶体层作为库并标记为“reservoir”。
优化晶格常数
在构建平板构型之前，块体系统需要使用在实际沉积模拟中所使用的势来进行优化，以得到优化的横向晶格常数。为此将所准备的块体晶体送到ScriptGenerator，然后添加一个New Calculator和Optimize ‣ OptimizeGeometry模块。在New Calculator设置中，选择ATK-Classical并选择Parameter set ‣ Tersoff_SiC_2005[2]。点掉Print和Save并关闭窗口设置。在OptimizeGeometry设置中作如下更改。
运行模拟并将最终优化的构型从LabFloor拖至Builder。
设置模拟晶胞
最后，我们需要在块体晶体上产生一个表面。通过增加优化的块体系统晶胞的高度，这将很容易实现。为此，打开Bulk Tools ‣ Lattice Parameters。优化之后，晶胞的一些非对角元可能会不为零。为了方便，将他们重设为零，并保持分数坐标不变。为了调整晶胞高度，确保你选择了Keep ‣ Cartesian坐标。增加C矢量的z分量为100 Å来得到反应表面和库之间足够的真空层。
设置平衡态模拟
在运行沉积模拟之前，表面必须被热化到想要的温度。在本例中，你将控制基底温度为2400K，如文献[1]中所建议。将所准备的构型从Builder送到Script Generator。添加一个New Calculator和Optimize‣MolecularDynamics模块。在New Calculator设置中，做与之前优化模拟相同的设置。在MolecularDynamics设置栏中，选择MolecularDynamics‣Type‣NVT Nose Hoover Chain，steps选择100000，log interval 选择5000步，并输入一个合适的轨迹文件名。选择Initial Velocity‣Type‣Maxwell-Boltzmann初始速度为2400K并设置虚拟热浴温度（reservoir temperature）为2400K。（注意在这里reservoir temperature不是指模拟晶胞中的粒子库，而是指虚拟热浴温度，参见分子动力学基础）。点掉Save和Print复选框。
通过点击Add constraints按钮打开约束窗口栏。基底底层和库原子都应该在平衡过程中保持不动。为此选择Constraint‣Fixed约束这两个标记组并关闭约束窗口栏。 通过Job Manager或者在使用atkpython的终端中来运行模拟，使用Movie Tool将最终的快照送回Script Generator。