分子動力學(xué)模擬實驗報告

分子動力學(xué)模擬實驗報告篇一：分子動力學(xué)實驗報告md2分子動力學(xué)實驗報告（XX至XX學(xué)年第_2_學(xué)期）班級：姓名：學(xué)號：實驗名稱：品體點缺陷成績：一、 實驗?zāi)康挠嬎憧瘴恍纬赡芎烷g隙原子形成能。探究形成的空位和間隙原子所在的位置不同其形成能的變化。以及空位和間隙原子的濃度不同時其空位能和間隙原子形成能的變化。二、 實驗原理點缺陷普遍存在于晶體材料中，它是晶體中最基本的結(jié)構(gòu)缺陷，對材料的物理和化學(xué)性質(zhì)影響很大。根據(jù)點缺陷相對于理想晶格位置可能出現(xiàn)的幾種主要偏差狀態(tài)，可將其命名如下：（1） 空位：正常節(jié)點位置上出現(xiàn)的原子空缺。（2） 間隙原子（離子）：指原子（離子）進入正常格點位置之間的間隙位（本文來自： 小草范文網(wǎng)：分子動力學(xué)模擬實驗報告）1文檔來源為:從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.置。（3）雜質(zhì)原子（離子）：晶體組分意外的原子進入品格中即為雜質(zhì)，雜質(zhì)原子若取代晶體中正常格點位置上的原子（離子）即為置換原子（離子），也可進入正常格點位置之間的間隙位置而成為填隙的雜質(zhì)原子（離子）。一般情況下，空位、間隙原子都是構(gòu)成晶體的原子或離子偏離原有格點所形成的熱缺陷。在一定溫度下，品體中各原子的熱振動狀態(tài)和能量并不同，遵循麥克斯韋分布規(guī)律。熱振動的原子某一瞬間可能獲得較大的能量，這些較高能量的原子可以掙脫周圍質(zhì)點的作用而離開平衡位置，進入到品格內(nèi)的其他位置，于是在原來的平衡格點位置上留下空位。根據(jù)原子進入晶格內(nèi)的不同位置，可以將缺陷分為弗倫克爾（Frenkel）缺陷和肖特基（Schottky）缺陷。點缺陷都只有一個原子大小的尺度，因此不容易通過實驗對其進行直接的觀察。而且實驗方法研究缺陷時利用較多的還是缺陷對晶體性質(zhì)的影響。例如，通過測量晶體的膨脹率和電阻率的變化規(guī)律，即可對點缺陷的存在、運動和相互作用等方面展開間接的研究。分子動力學(xué)方法對金屬材料原子尺度物理和化學(xué)過程的研究具有實驗法無法比擬的優(yōu)勢，可直觀的模擬和分析晶體中的點缺陷。若我們搭建完整晶體的原子個數(shù)為N，能量為E1，通過刪除和增加一個原子得到空位和間隙原子，充分弛豫后體系能量為E2，則空位形成能Ev和間隙原子形成能Ei分別為：三、實驗過程（1） 進入2_point文件夾$cd口2_point（2） 運行er文件，得到Cu的八面體間隙原子的圖像，以及體系的總能量的變化，計算出八面體間隙原子的形成能。$lmp口-i口er（3） 為了使八面體間隙原子的形成能最小，使得八面體間隙原子充分弛豫，修改八面體插入原子的坐標，改為（0.5,0.25,0.5）運行文件，得到相應(yīng)的圖像及體系變化前后的能量，計算出八面體間隙原子的形成能。$gedit口er修改輸入文件in,inter，將增加的原子坐標改為0.250.250.25.之后重復(fù)上述步驟，得到四面體間隙原子的圖像以及體系能量的改變前后的能量，計算出四面體間隙原子的形成能。$gedit口er再次打開er文件，修改原子的位置，將插入的原子坐標修改為(0.5,0.25,0.5)，再次運行文件，得到相應(yīng)的圖像與變化前后的能量，得到體系最穩(wěn)定的狀態(tài)，此時八面體間隙原子的形成能最小。$gedit口er之后繼續(xù)嘗試，加入兩個八面體間隙原子，修改坐標使得兩個八面體間隙原子分別在一個晶胞的體心和棱上(坐標分別為(0.5,0.5，,05)，(1,1,0.5))，兩個八面體間隙原子在相鄰的兩個晶胞中的體心(坐標分別為(0.5,0.5，0.5)，(0.5,1.5,0.5))，兩個八面體間隙原子在同一個晶胞內(nèi)的相鄰的兩條棱上(坐標分別為(1,1,0.5),(1,2,0.5))，兩個八面體間隙原子在相隔較遠的兩個晶胞之內(nèi)(1?5,1.5,1?5)，(3.5,3.5,3.5)。得到相應(yīng)的效果圖并計算出每種情況下的間隙原子的形成能。$gedit口er仿照八面體間隙原子，修改四面體間隙原子的坐標，使得兩個原子的相對位置分別為再同一個晶胞中，兩個四面體間隙原子的插入位置分別為為相鄰(兩個原子的坐標為(0.25,0.25,0.25)，(0.75,0.25,0.25))，在面對角線上(兩個原子的坐標分別為(0.75,0.75,0.25))，在體對角線上(坐標分別為(0.25,0.25,0.25)，(0.75,0.75,0.75))和在相隔較遠的兩個晶胞中的四面體間隙原子(坐標分別為(1.25，1.25,1.25)，(4.25,4.25,4.25))。得到相應(yīng)的效果圖并計算出每一種情況下的間隙原子的形成能。$gedit口er改變體系的大小以改變八面體間隙原子的濃度，將晶胞的個數(shù)分別改為3X3X3,4X4X4,5X5X5,7X7X7,8X8X8，分別運行，分別計算出相應(yīng)的體系的間隙原子的形成能。$gedit口er運行in,vacancy文件，得到空位的圖像和體系改變前后的能量，并計算出空位的行成能。$lmp口-i口in.vacancy修改in.vacancy文件，加入regioncenterpoint2block11.0522.0511.05delete_atomsregioncenterpoint2增加一個空位之后運行文件，得到相應(yīng)的效果圖和體系變化前后的能量并計算空位形成能。$lmp口-i口in.vacancy修改in.vacancy文件，改變體系的大小以改變考位的濃度，將晶胞的個數(shù)分別改為3X3X3,4X4X4,5X5X5,7X7X7,8X8X8,分別運行，計算出每種濃度下空位的形成能。$lmp口-i口in.vacancy四、實驗結(jié)果1.間隙原子（1） 八面體間隙原子效果圖四面體間隙原子效果圖：Ev=3.297eVEv=3.618eV（2） 八面體間隙原子能量最低時效果圖（呈啞鈴形）Ev=3.1197eV（3） 八面體原子對效果圖：a（分別在一個晶胞內(nèi)的體心和棱上），b（在相鄰兩個晶胞的體心），c（一個晶胞內(nèi)的相鄰兩條棱），d（距離較遠的兩個晶胞中）a.Ev=2.92eVb.Ev=3.06eVc.Ev=2.96eVd.Ev=3.15eV（4） 四面體間隙原子對效果圖：a（同一個晶胞中的兩個四面體間隙原子，相鄰），b（同一個晶胞中的兩個四面體間隙原子，面對角線），c（同一個晶胞中的兩個四面體間隙原子，體對角線），d（相隔較遠的兩個晶胞中的四面體間隙原子）a.Ev=3.285eVb.Ev=2.87c.Ev=3.649eVd.Ev=3.645eV篇二：MS計算模擬實驗報告固體結(jié)構(gòu)及電子態(tài)計算模擬實驗報告一、 實驗?zāi)康耐ㄟ^實際操作初步地了解和掌握MaterialsStudio，特別是其中的Dmol3和Castep模塊的工作原理和操作步驟。通過學(xué)習(xí)MaterialsStudio軟件，能夠自己獨立地進行簡單的固體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)造和相關(guān)電子結(jié)構(gòu)的計算和分析。二、 實驗原理第一性原理的理論計算的主要理論基礎(chǔ)是量子力學(xué)的基本方程和相對論效應(yīng)，在第一性原理的發(fā)展過程中，相繼提出了變分原理、泡利不相容原理、Hartree-Fock近似、Slater矩陣、關(guān)聯(lián)相互能、密度泛函理論以及含時密度泛函理論等。其基本思路就是它的基本思想是將多原子構(gòu)成的實際體系理解為由電子和原子核組成的多粒子系統(tǒng)，運用量子力學(xué)等基本的物理原理最大限度地對問題進行“非經(jīng)驗”處理。密度泛函理論現(xiàn)在已經(jīng)成為計算凝聚態(tài)物理的重要理論基礎(chǔ)，并被廣泛應(yīng)用于原子、分子、團簇、固體和表面的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的計算。隨著計算機的高速發(fā)展，使得計算物理成為可能。依靠高性能計算機強大的計算能力，市場上研發(fā)出了很多基于第一性原理計算（尤其是密度泛函理論方法）的軟件包。其中最具代表性的就是Materialsstudio。其模塊中的Dmol3程序是一個先進的密度泛函框架下的量子力學(xué)程序，它不僅可以模擬固體、表面、低維體系，而且能夠模擬氣相和液相。它可以計算體系的能量，能帶結(jié)構(gòu)，態(tài)密度，磁性等。三、 實驗主要步驟⑴建立a石英晶體：選擇P3221空間群；確定晶格參數(shù)；加入Si和O原子，確定相關(guān)參數(shù)；AlAs半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)及相關(guān)計算導(dǎo)入AlAs半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并選擇單胞；在Dmol3模塊中選擇Calculation，設(shè)置能帶結(jié)構(gòu)計算的相關(guān)參數(shù)；計算完畢，選中得到的*.xsd文件；在Dmol3沒款中選擇analysis，選擇Bandstructure后點擊View，得到能帶圖；⑤同理可以計算AlAs的電子態(tài)密度、電子密度等。四、 數(shù)據(jù)分析及實驗結(jié)果展示圖為a石英品體，其中黃色+是硅原子，紅色+是氧原子。如圖是Materialsstudio7中系統(tǒng)自帶的a石英品體的空間結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)跟之前做的略有差別，結(jié)構(gòu)圖中還包含了Si-O鍵，其中各個原子在空間上的位置與上圖是一一對應(yīng)的。為了畫出系統(tǒng)自帶任石英晶體空間結(jié)構(gòu)圖的效果，需要對圖形做一些修飾。右擊背景選擇DisplayStyle可以對atom和lattice的樣式作出修改。在菜單build中選擇bond，畫出Si-O鍵后，與系統(tǒng)自帶的標準圖就十分相似了。左圖是AlAs空間結(jié)構(gòu)圖；右圖是AlAs在單胞中的空間結(jié)構(gòu)圖。如圖，是通過Dmol3模塊計算得到的AlAs能帶結(jié)構(gòu)（縱坐標的能量單位是Hartree，1Hartree=27.2eV）。從圖中可以看出AlAs的價帶頂和導(dǎo)帶底之間存在一定寬度的能隙，寬度大約為0.1Ha（2.2eV），能隙寬度正好是半導(dǎo)體材料范圍，所以從能帶中可以看出AlAs材料是一種半導(dǎo)體。如圖，是通過Dmol3模塊計算得到的AlAs電子態(tài)密度圖。電子態(tài)密度圖在-0.4-0.35Ha之間有一個峰，在0-0.1Ha有個谷，基本上和能帶結(jié)構(gòu)相吻合。如圖，是通過Dmol3計算得到的電子密度圖。五、體會和評論Materialsstudio作為一個成熟的商業(yè)化科研軟件，的確非常好用，大量的圖形界面便于初學(xué)者快速上手。因為研究方向相近（分子動力學(xué)模擬）的緣故，平時也經(jīng)常需要進行大量運算，所用的軟件為Gromacs和NAMD。由于都是開源軟件，其使用起來就沒有那么方便，都需要在Linux系統(tǒng)下通過命令行來完成任務(wù)，圖形顯示也需要借助第三方軟件才能完成。分子動力學(xué)模擬的理論基礎(chǔ)是牛頓第三定律為中心的經(jīng)典力學(xué)，研究原子之間的相互作用，整個體系通常會包含幾千甚至幾萬個原子。而第一性原理計量是基于量子力學(xué)，雖然研究的體系相對小，但是計算量也非常大，對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)單單依靠PC端是無法完成的，所以特別了解了下，Materialsstudio也有Linux系統(tǒng)下的版本，支持多核多節(jié)點運算。分子動力學(xué)模擬在生物領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用，可以模擬多肽、蛋白質(zhì)、甚至一段DNA。隨著納米材料的興起，生物大分子與納米材料相互作用，也成為一個熱門領(lǐng)域?？梢越柚鶰aterialsstudio強大的建模模塊，構(gòu)造出想要的納米材料，再講生成的納米材料參數(shù)輸入分子動力學(xué)模擬軟件，兩款軟件可以配合使用。篇三：分子動力學(xué)的模擬過程分子動力學(xué)的模擬過程分子動力學(xué)模擬作為一種應(yīng)用廣泛的模擬計算方法有其自身特定的模擬步驟，程序流程也相對固定。本節(jié)主要就分子動力學(xué)的模擬步驟和計算程序流程做一些簡單介紹。分子動力學(xué)模擬步驟分子動力學(xué)模擬是一種在微觀尺度上進行的數(shù)值模擬方法。這種方法既可以得到一些使用傳統(tǒng)方法，熱力學(xué)分析法等無法獲得的微觀信息，又能夠?qū)嶋H實驗研究中遇到的不利影響因素回避掉，從而達到實驗研宄難以實現(xiàn)的控制條件。分子動力學(xué)模擬的步驟為：選取所要研究的系統(tǒng)并建立適當?shù)哪M模型。設(shè)定模擬區(qū)域的邊界條件，選取粒子間作用勢模型。設(shè)定系統(tǒng)所有粒子的初始位置和初始速度。計算粒子間的相互作用力和勢能，以及各個粒子的位置和速度。待體系達到平衡,統(tǒng)計獲得體系的宏觀特性。分子動力學(xué)模擬的主要對象就是將實際物理模型抽象后的物理系統(tǒng)模型。因此，物理建模也是分子動力學(xué)模擬的一個重要的環(huán)節(jié)。而對于分子動力學(xué)模擬，主要還是勢函數(shù)的選取，勢函數(shù)是分子動力學(xué)模擬計算的核心。這是因為分子動力學(xué)模擬主要是計算分子間作用力，計算粒子的勢能、位置及速度都離不開勢函數(shù)的作用。系統(tǒng)中粒子初始位置的設(shè)定最好與實際模擬模型相符,這樣可以使系統(tǒng)盡快達到平衡。另外，粒子的初始速度也最好與實際系統(tǒng)中分子的速度相當,這樣可以減少計算機的模擬時間。要想求解粒子的運動狀態(tài)就必須把運動方程離散化，離散化的方法有經(jīng)典Verlet算法、蛙跳算法(Leap-frog)、速度Veriet算法、Gear預(yù)估-校正法等。這些算法有其各自的優(yōu)勢，選取時可按照計算要求選擇最合適的算法。統(tǒng)計系統(tǒng)各物理量時，便又涉及到系統(tǒng)是選取了什么系綜。只有知道了模擬系統(tǒng)采用的系綜才能采用相對應(yīng)的統(tǒng)計方法更加準確，有效地進行統(tǒng)計計算，減少信息損失。分子動力學(xué)模擬程序流程具體到分子動力學(xué)模擬程序的具體流程，主要包括：設(shè)定和模擬相關(guān)的參數(shù)。模擬體系初始化。(3)計算粒子間的作用力。求解運動方程。循環(huán)計算,待穩(wěn)定后輸出結(jié)果。分子動力學(xué)模擬程序流程圖如2.3所示。圖2.3分子動力學(xué)模擬程序的流程圖4.分子動力學(xué)的發(fā)展趨勢分子動力學(xué)的發(fā)展同其他新事物的發(fā)展一樣，都遵循著從簡單到復(fù)雜，從全面到專業(yè)的發(fā)展歷程。從開始只有幾個分子