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atk:生成无定形结构

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atk:生成无定形结构 [2016/10/10 16:25] – [HfO2] dong.dongatk:生成无定形结构 [2018/03/20 22:23] (当前版本) – liu.jun
行 1: 行 1:
-======生成无定形结构======+======创建无定形材料结构模型======
  
 =====引言===== =====引言=====
  
  
-无定形固体材料在广泛的技术领域里的重要性越来越高。晶体结构通常都能够很好的定义和描述，而要对特定无定形材料进行原子尺度的模拟，建立结构模型是相当困难的一件事。本例示范如何使用 VNL 创建无定形结构，并使用 ATK 在不同精度下进行分子动力学模拟。+无定形固体材料在广泛的技术领域里的重要性越来越高。晶体结构通常都能够很好的定义和描述，而要对特定无定形材料进行原子尺度的模拟，建立结构模型是相当困难的一件事。本例示范如何使用 VNL 创建无定形结构，并使用 QuantumATK 在不同精度下进行分子动力学模拟。
  
 无定形结构，顾名思义就是组分原子、分子没有任何周期性顺序的结构。无定形结构常见于各种材料中，例如玻璃、聚合物。其力学性质、电子性质，通常与晶体区别很大。一个典型的例子是无定形二氧化硅的热胀系数比对应的石英晶体要小一个数量级。 无定形结构，顾名思义就是组分原子、分子没有任何周期性顺序的结构。无定形结构常见于各种材料中，例如玻璃、聚合物。其力学性质、电子性质，通常与晶体区别很大。一个典型的例子是无定形二氧化硅的热胀系数比对应的石英晶体要小一个数量级。
行 16: 行 16:
 本例模拟无定形二氧化硅，也就是熔融的二氧化硅（石英）。这是应用最广泛的无定形材料，比如用于常规或特种玻璃，或者半导体工业。本例还会介绍如何创建晶体区域和无定形区域之间的界面。 本例模拟无定形二氧化硅，也就是熔融的二氧化硅（石英）。这是应用最广泛的无定形材料，比如用于常规或特种玻璃，或者半导体工业。本例还会介绍如何创建晶体区域和无定形区域之间的界面。
  
-如果你不熟悉分子动力学模拟，那么可以从 [[atk:分子动力学基础|【教程：分子动力学基础】]] 开始，这样可以帮助你熟悉 VNL-ATK 的分子动力学功能。+如果你不熟悉分子动力学模拟，那么可以从 [[atk:分子动力学基础|【教程：分子动力学基础】]] 开始，这样可以帮助你熟悉 QuantumATK 的分子动力学功能。
  
 <WRAP center box 100%> <WRAP center box 100%>
行 29: 行 29:
 您应该从 SiO<sub>2</sub> 晶体出发，本例使用方石英晶体结构。之所以选用方石英，是因为方石英的晶体结构很容易转换成正交盒子，这样进行模拟会更方便，石英就没有这么方便。另外，方石英的密度与实验测量的无定形二氧化硅密度很接近，为 2.2g/cm<sup>3</sup>。 您应该从 SiO<sub>2</sub> 晶体出发，本例使用方石英晶体结构。之所以选用方石英，是因为方石英的晶体结构很容易转换成正交盒子，这样进行模拟会更方便，石英就没有这么方便。另外，方石英的密度与实验测量的无定形二氧化硅密度很接近，为 2.2g/cm<sup>3</sup>。
  
-打开 Builder，点击 Add ‣ From Database，搜索 SiO2。选择 cristobalite，点击右下角“➕”将其添加到 Builder 窗口中：+打开 Builder，点击 Add ‣ From Database，搜索 SiO2。选择 cristobalite，点击右下角“＋”将其添加到 Builder 窗口中：
  
 {{ :atk:amorphous01.png?600 |}} {{ :atk:amorphous01.png?600 |}}
行 38: 行 38:
  
 ====设置模拟==== ====设置模拟====
-将结构拖到 ScriptGenerator，添加一个 NewCalculator，以及 Optimize ‣ MolecularDynamics 到 Script 面板。双击 NewCalculator，选择 ATK-Classical 计算器，使用 Pedone_Fe2_2006 力场((A. Pedone, et al: A New Self-Consistent Empirical Interatomic Potential Model for Oxides, Silicates, and Silica-Based Glasses. J. Phys. Chem. B 110, 11780, 2006))。去掉 Print 和 Save 的 ☑️，点击 OK 结束 NewCalculator 设置。+将结构拖到 **ScriptGenerator**，添加一个 NewCalculator，以及 Optimize ‣ MolecularDynamics 到 Script 面板。双击 NewCalculator，选择 **ATK-Classical** 计算器，使用 Pedone_Fe2_2006 力场((A. Pedone, et al: A New Self-Consistent Empirical Interatomic Potential Model for Oxides, Silicates, and Silica-Based Glasses. J. Phys. Chem. B 110, 11780, 2006))。去掉 Print 和 Save 的 ☑️，点击 OK 结束 NewCalculator 设置。
  
-双击 MolecularDynamics，为了熔化晶体，需要将温度设置的非常高，比如 5000K。因为这个初始的模拟主要的目的是为了将原子的排布随机化，因此这一步不需要固定压强。因此 Type 选择 NVT 系综（关于 ATK 分子动力学模拟的系综，更详细的文档参考【[[atk:分子动力学基础]]】）。NVT 系综中，Langevin 是一个很好的选择，系统与热浴紧密耦合，因此不会出现某个原子过热而导致系统不稳定的情况。+双击 **MolecularDynamics**，为了熔化晶体，需要将温度设置的非常高，比如 5000K。因为这个初始的模拟主要的目的是为了将原子的排布随机化，因此这一步不需要固定压强。因此 Type 选择 NVT 系综（关于 QuantumATK 分子动力学模拟的系综，更详细的文档参考【[[atk:分子动力学基础]]】）。NVT 系综中，Langevin 是一个很好的选择，系统与热浴紧密耦合，因此不会出现某个原子过热而导致系统不稳定的情况。
  
 设置 Steps 为 20000，Log interval 为 5000，保存轨迹的文件名为 SiO2_5000K_low_density_traj.nc。在 Initial Velocity 栏，选择Maxwell-Boltzmann，并设置温度为 5000K。 设置 Steps 为 20000，Log interval 为 5000，保存轨迹的文件名为 SiO2_5000K_low_density_traj.nc。在 Initial Velocity 栏，选择Maxwell-Boltzmann，并设置温度为 5000K。
行 48: 行 48:
 {{ :atk:amorphous02.png?600 |}} {{ :atk:amorphous02.png?600 |}}
  
-使用{{:atk:amorphous04.png?30|}}按钮，将 Script 送到 Editor，这样可以进行手动修改脚本。+使用{{:atk:amorphous04.png?30|}}按钮，将脚本送到 **Editor** 进行手动修改。
  
  
 ====修改脚本==== ====修改脚本====
-有的时候，尤其是当你试图熔融、随机化相对较小的超胞的晶体结构，即使温度远高于实验熔点也会比较困难。抛开力场，这种现象的原因是盒子的周期性边界条件实际上为晶体增加了额外的“稳定”性。一般而言，超胞越小，这种周期边界带来的人为“稳定”效果就越强。另外，要记得 NVT 系综的体积是固定的，因此在高温的时候，体系的压强非常大，这实际上也提升了熔点，对某些情况可能会导致倾向于其他的晶相而不是液相。+有的时候，尤其是当你试图熔融、随机化相对较小的超胞的晶体结构，即使温度远高于实验熔点也会比较困难。除力场的因素外，这种现象的原因是盒子的周期性边界条件实际上为晶体增加了额外的“稳定”性。一般而言，超胞越小，这种周期边界带来的人为“稳定”效果就越强。另外，要记得 NVT 系综的体积是固定的，因此在高温的时候，体系的压强非常大，这实际上也提升了熔点，对某些情况可能会导致倾向于其他的晶相而不是液相。
  
 修改脚本中定义晶格的部分，如下所示： 修改脚本中定义晶格的部分，如下所示：
行 69: 行 69:
 比例因子 scale_cell 在这里不太重要。如果你发现 5000K 熔化之后还残余部分晶体特征，那么可以适当增大。 比例因子 scale_cell 在这里不太重要。如果你发现 5000K 熔化之后还残余部分晶体特征，那么可以适当增大。
  
-把修改后的脚本发送到 Job Manager 并运行。+把修改后的脚本发送到 **Job Manager** 并运行。
  
-大约需要几分钟时间，计算就能完成。在 LabFloor 中选择生成的轨迹文件，使用右侧的 Movie Tool 可以看到原子以混乱的方式到处运动，频繁地穿越盒子的边界。为了看的更清楚，可以把动画的最后一帧，通过 Movie Tool 窗口右下角的{{:atk:amorphous04.png?30|}}按钮送到 Builder 里面。+大约需要几分钟时间，计算就能完成。在 **LabFloor** 中选择生成的轨迹文件，使用右侧的 **Movie Tool** 可以看到原子以混乱的方式到处运动，频繁地穿越盒子的边界。为了看的更清楚，可以把动画的最后一帧，通过 **Movie Tool** 窗口右下角的{{:atk:amorphous04.png?30|}}按钮送到 Builder 里面。
  
-在 Builder 里面，点击 Bulk Tools ‣ Wrap ‣ Apply，可以将所有穿过周期性边界的原子都投射回到盒子中。+在 **Builder** 里面，点击 Bulk Tools ‣ Wrap ‣ Apply，可以将所有穿过周期性边界的原子都投射回到盒子中。
  
 最后的结构看起来类似如下： 最后的结构看起来类似如下：
行 81: 行 81:
 由于局部区域原子簇的密度发生了这种人为性的降低，所以分布不变得均匀。不过对之前的晶体结构进行完全的随机化这个目的完全达到了。 由于局部区域原子簇的密度发生了这种人为性的降低，所以分布不变得均匀。不过对之前的晶体结构进行完全的随机化这个目的完全达到了。
  
-为了恢复到最初的密度，将该结构发送到 ScriptGenerator，完全一样的重复上面的步骤（即，准备 NewCalculator 和 MolecularDynamics 脚本，并送到 Editor 中），但比例因子 scale_cell 设置为 1.1，而不像之前那样，为了降低密度而设置成几倍。这个过程将会压缩体系的密度到原先的较为均匀的密度（总体密度实际上没有改变）。温度仍然设置为 5000K、20000 步运行计算，达到平衡，将 Movie Tool 中最后一帧结构送到 Builder 中，并 Wrap 结构。+为了恢复到最初的密度，将该结构发送到 **ScriptGenerator**，完全一样的重复上面的步骤（准备 **NewCalculator** 和 **MolecularDynamics** 脚本，并送到 **Editor** 中），但比例因子 scale_cell 设置为 1.1，而不像之前那样，为了降低密度而设置成几倍。这个过程将会压缩体系的密度到原先的较为均匀的密度（总体密度实际上没有改变）。温度仍然设置为 5000K、20000 步运行计算，达到平衡，将 **Movie Tool** 中最后一帧结构送到 **Builder** 中，并 Wrap 结构。
 ====冷却结构、调整密度==== ====冷却结构、调整密度====
 观察生成的结构的局部原子排布，你会看到大量的结构缺陷，例如配位缺失的原子（例如氧原子周围只有一个硅原子）。 观察生成的结构的局部原子排布，你会看到大量的结构缺陷，例如配位缺失的原子（例如氧原子周围只有一个硅原子）。
行 257: 行 257:
 最后，这一节在技术上，提供其他产生无定形结构的例子，包括三氧化二铝、二氧化钛、二氧化铪。 最后，这一节在技术上，提供其他产生无定形结构的例子，包括三氧化二铝、二氧化钛、二氧化铪。
 ====Al2O3==== ====Al2O3====
-创建三氧化二铝无定形结构，基本流程可以参考文献<sup>3</sup> 和((G. Gutierrez and B. Johansson: Molecular dynamics study of structural properties of amorphous Al2O3. Phys. Rev. B 65, 104202, 2002))。使用相同的经典力场，可以选择 Matsui_CaMgAlSiO_1994，或者可以使用比较早的不包含该力场的 VNL-ATK 版本，下载该操作向导附录的python文件。如果将其拷贝并粘贴到脚本的最前面，模拟需要的力场就有了。+创建三氧化二铝无定形结构，基本流程可以参考文献<sup>3</sup> 和((G. Gutierrez and B. Johansson: Molecular dynamics study of structural properties of amorphous Al2O3. Phys. Rev. B 65, 104202, 2002))。使用相同的经典力场，可以选择 Matsui_CaMgAlSiO_1994，或者可以使用比较早的不包含该力场的 QuantumATK 版本，下载该操作向导附录的python文件。如果将其拷贝并粘贴到脚本的最前面，模拟需要的力场就有了。
  
 为了设置这个体系，你需要导入 α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>，因此需要下载文件 {{ :atk:al2o3_corundum_ams_data.zip |}}。在 **Builder** 里面，点击Add ‣ From Files，选中该文件。为了更方便的控制 MD 模拟，三角晶系盒子需要改为立方盒子。有几种方式。可能的一种：Builders ‣ Surface(Cleave) tool。选择（10-10）米勒指数点击 Next 并选择 3x1 表面晶格。点击 Next 选择 Periodic (bulk-like) ，厚度为 4 层。点击 Finish 的到正交的超胞结构，包含 360 原子。 为了设置这个体系，你需要导入 α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>，因此需要下载文件 {{ :atk:al2o3_corundum_ams_data.zip |}}。在 **Builder** 里面，点击Add ‣ From Files，选中该文件。为了更方便的控制 MD 模拟，三角晶系盒子需要改为立方盒子。有几种方式。可能的一种：Builders ‣ Surface(Cleave) tool。选择（10-10）米勒指数点击 Next 并选择 3x1 表面晶格。点击 Next 选择 Periodic (bulk-like) ，厚度为 4 层。点击 Finish 的到正交的超胞结构，包含 360 原子。
行 280: 行 280:
 为了人为地降低密度，需要再次将三个晶格常数改为原先的 1.1 倍。 为了人为地降低密度，需要再次将三个晶格常数改为原先的 1.1 倍。
  
-第一个 MolecularDynamics 产生 3000K 的液态结构，密度被降低。基于这个体系，密度需要被调整到目标密度 3.175 g/cm<sup>3</sup>。通常收工计算微观单胞的宏观密度，以及找到晶格矢量的精确比例因子比较麻烦。通过插入如下ATK单元引擎代码到脚本中，第二个 MolecularDynamics 之前，可以很方便的实现（也就是bulk_configuration = md_trajectory.lastImage()这一行之后的内容）：+第一个 MolecularDynamics 产生 3000K 的液态结构，密度被降低。基于这个体系，密度需要被调整到目标密度 3.175 g/cm<sup>3</sup>。通常收工计算微观单胞的宏观密度，以及找到晶格矢量的精确比例因子比较麻烦。通过插入如下QuantumATK单元引擎代码到脚本中，第二个 MolecularDynamics 之前，可以很方便的实现（也就是bulk_configuration = md_trajectory.lastImage()这一行之后的内容）：
  
 <code pyhton> <code pyhton>
行 338: 行 338:
  
 ====HfO2==== ====HfO2====
-对于二氧化铪，可以使用 Wang //et al// 力场((Y. Wang, F. Zahid, J. Wang, H. Guo: Structure and dielectric properties of amorphous high-k oxides: HfO2 , ZrO2 , and their alloys. Phys. Rev. B 85, 224110, 2012))，在 VNL－ATK 中名 为Wang_HfOZr_2012。+对于二氧化铪，可以使用 Wang //et al// 力场((Y. Wang, F. Zahid, J. Wang, H. Guo: Structure and dielectric properties of amorphous high-k oxides: HfO2 , ZrO2 , and their alloys. Phys. Rev. B 85, 224110, 2012))，在 QuantumATK 中名 为Wang_HfOZr_2012。
  
 同样的，可以从 database 中添加 HfO2 结构。通过 Bulk tools ‣ Supercell plugin，点击 Conventional 和 Transform，将 FCC 晶格转为常规单胞。对体系进行 3x3x3 重复，得到合适的超胞尺寸。 同样的，可以从 database 中添加 HfO2 结构。通过 Bulk tools ‣ Supercell plugin，点击 Conventional 和 Transform，将 FCC 晶格转为常规单胞。对体系进行 3x3x3 重复，得到合适的超胞尺寸。
atk/生成无定形结构.1476087947.txt.gz · 最后更改: 2016/10/10 16:25 由 dong.dong

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