Модели молекулярной динамики: обзор EAM-потенциалов. Часть 1: потенциалы для однокомпонентных систем

Модели молекулярной динамики: обзор EAM-потенциалов. Часть 1: потенциалы для однокомпонентных систем

Автор: Волегов П.С., Герасимов Р.М., Давлятшин Р.П.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2017 года.

Бесплатный доступ

Статья является первой частью обзора современных подходов к построению потенциалов межатомного взаимодействия на базе метода погруженного атома ( embedded atom method, EAM ) для различных однокомпонентных материалов. Приведены основные положения и соотношения метода молекулярной (атомарной) динамики, отмечены недостатки подхода к моделированию атомных систем с использованием классических парных потенциалов взаимодействия. Приведены основные положения и соотношения метода погруженного атома, а также различные модификации метода. Рассмотрен алгоритм использования EAM-потенциалов в расчетах молекулярно-динамических систем, а также способы повышения эффективности вычислительных алгоритмов, в том числе, связанные с введением радиуса обрезания и обоснованием его выбора для тех или иных материалов. В рамках обзора особое внимание уделено способам построения и видам функции погружения для различных материалов, а также физико-механическим свойствам материалов, которые хорошо описываются тем или иным видом потенциала. Приведен краткий обзор способов получения параметров потенциалов: из квантово-механических расчетов (часто в иностранной литературе называемых «из первых принципов», « ab initio ») либо с использованием экспериментально определяемых свойств (дифракционными, рентгеновскими методами или при помощи электронной микроскопии), а также перечень физико-механических свойств, которые возможно определять для материала с использованием методов молекулярной динамики с применением современных EAM-потенциалов. Сделана попытка подробно рассмотреть работы, в которых предложены потенциалы, в настоящий момент наиболее точно описывающие свойства таких сложных (для прямого моделирования) материалов, как бериллий, железо, вольфрам, ниобий, титан, уран, и некоторые другие. Актуальность исследований структуры и свойств именно этих материалов обусловлена во многом перспективностью их применения в деталях и конструкциях для атомной энергетики, аэрокосмической промышленности, в биомедицине. Отдельно рассмотрены работы, посвященные построению EAM-потенциалов, позволяющих описывать структуру и свойства ряда металлов (лития, никеля, меди, алюминия и других) как в состоянии расплава, так и после кристаллизации.

Еще

Молекулярная динамика, потенциал взаимодействия, метод погруженного атома

Короткий адрес: https://sciup.org/146211702

IDR: 146211702   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.14

Список литературы Модели молекулярной динамики: обзор EAM-потенциалов. Часть 1: потенциалы для однокомпонентных систем

  • Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: пер. с англ. -М.: Мир, 1985. -509 с.
  • Кривцов А.М. Теоретическая механика. Упругие свойства одноатомных и двухатомных кристаллов: учеб. пособие. -СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. -126 c.
  • Кривцов А.М., Кривцова Н.В. Метод частиц и его использование в механике деформируемого твердого тела//Дальневосточный математический журнал. -2002. -Т. 3, № 2. -С. 254-276.
  • Мейз Дж. Теория и задачи механики сплошных сред: учеб. -М.: Мир, 1974. -319 с.
  • Хартри Д. Расчеты атомных структур. -М.: Изд-во Иностранной литературы, 1960. -272 с.
  • An embedded atom method potential of beryllium/A. Agrawal, R. Mishra, L. Ward, K.M. Flores, W. Windl//Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. -2013. -Vol. 21. -No 8 DOI: 10.1088/0965-0393/21/8/085001
  • Alder B.J., Waingwright T.E. Phase Transition for a Hard Sphere System//J. Chem. Phys. -1957. -Vol. 27. -No. 5. -P. 1208-1209.
  • Allen M.P., Tildesley A.K. Computer Simulation of Liquids. -Oxford: Clarendon Press, 1987. -385 p.
  • An analytic MEAM model for all BCC transition metals/Z. Bangwei, O. Yifang, L. Shuzhi, J. Zhanpeng//Physica B: Condensed Matter. -1999. -Vol. 262. -No. 3-4. -P. 218-225 DOI: 10.1016/S0921-4526(98)01156-9
  • Baskes M.I. Application of the Embedded-Atom Method to Covalent Materials: A Semiempirical Potential for Silicon//Physical Review Letters. -1987. -Vol. 59. -No. 23. -P. 2666-2669 DOI: 10.1103/PhysRevLett.59.2666
  • Baskes M.I. Determination of modified embedded atom method parameters for nickel//Materials Chemistry and Physics. -1997. -Vol. 50. -No. 2. -P. 152-158 DOI: 10.1016/S0254-0584(97)80252-0
  • Baskes M.I. Modified embedded-atom potentials for cubic materials and impurities//Physical Review B. -1992. -Vol. 46. -No. 5. -P. 2727-2742 DOI: 10.1103/PhysRevB.46.2727
  • Baskes M.I., Johnson R.A. Modified embedded atom potentials for HCP metals//Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. -1994. -Vol. 2. -No. 1. -P. 147-163 DOI: 10.1088/0965-0393/2/1/011
  • Trapping of hydrogen to lattice defects in nickel/Baskes M.I., Sha X., Angelo J.E., Moody N.R.//Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. -1995. -Vol. 5. -No. 6. -P. 651-652 DOI: 10.1088/0965-0393/3/3/001
  • Belashchenko D.K. Embedded Atom Method Potentials for Liquid Copper and Silver//Inorganic Materials. -2012. -Vol. 48. -No. 9. -P. 940-947 DOI: 10.1134/S002016851209004X
  • Belashchenko D.K., Smirnova D.E., Ostrovski O.I. Molecular-Dynamic Simulation of the Thermophysical Properties of Liquid Uranium//High Temperature. -2010. -Vol. 48. -No. 3. -P. 363-375 DOI: 10.1134/S0018151X10030107
  • Belashchenko D.K., Zhuravlev Yu.V. Application of the embedded-atom method to liquid copper//Inorganic Materials. -2008. -Vol. 44. -No. 9. -P. 939-945 DOI: 10.1134/S0020168508090082
  • Belashchenko D.K., Ostrovskii O.I. Application of the embedded atom model to liquid metals: Liquid lithium//High Temperature. -2009. -Vol. 47. -No. 2. -P. 231-237 DOI: 10.1134/S0018151X09020102
  • Brommer P., Gahler F. Effective potentials for quasicrystals from ab-initio data//Philosophical Magazine. -2006. -Vol. 86. -No. 6-8. -P. 753-758 DOI: 10.1080/14786430500333349
  • Cai J., Ye. Y.Y. Simple analytical embedded-atom-potential model including a long-range force for fcc metals and their alloys//Physical Review B. -1996. -Vol. 54. -No. 12. -P. 8398-8410 DOI: 10.1103/PhysRevB.54.8398
  • Embedded-atom potential for Fe and its application to self-diffusion on Fe(100)/H. Chamati, N.I. Papanicolaou, Y. Mishin, D.A. Papaconstantopoulos//Surface Science. -2006. -Vol. 600. -No. 9. -P. 1793-1803 DOI: 10.1016/j.susc.2006.02.010
  • Chandler D. Introduction to Modern Statistical Mechanics. -New York, Oxford University Press, 1987. -274 p.
  • Chantasiriwan S., Milstein F. Embedded-atom models of 12 cubic metals incorporating second-and third-order elastic-moduli data//Physical Review B. -1998. -Vol. 58. -No. 10. -P. 5996-6005 DOI: 10.1103/PhysRevB.58.5996
  • Cherne F.J., Baskes M.I., Deymier P.A. Properties of liquid nickel: A critical comparison of EAM and MEAM calculations//Physical Review B. -2002. -Vol. 65. -No. 2. -024209 DOI: 10.1103/PhysRevB.65.024209
  • Clementi E., Roetti C. Roothaan-Hartree-Fock atomic wavefunctions: Basis functions and their coefficients for ground and certain excited states of neutral and ionized atoms, Z≤54//Atomic Data and Nuclear Data Tables. -1974. -Vol. 13. -No. 3-4. -P. 177-478 DOI: 10.1016/S0092-640X(74)80016-1
  • Copper A.S. Precise Lattice Constants of Germanium, Aluminum, Gallium Arsenide, Uranium, Sulphur, Quartz and Sapphire//Acta Crystallographica. -1962. -Vol. 15. -P. 578-582 DOI: 10.1107/S0365110X62001474
  • Dalgic S. The EAM based effective pair potentials for the dynamic properties of liquid Cu//Materials Chemistry and Physics. -2007. -Vol. 39. -No. 16. -P. 183-189 DOI: 10.1016/j.matchemphys.2007.02.013
  • Dalgic S., Colakorullari M. Self-Diffusion Coefficients in Liquid Ag Using the Embedded Atom Model Based Effective Pair Potentials//Turkish Journal of Physics. -2006. -Vol. 30. -No. 4. -P. 303-310.
  • Daw M.S., Baskes M.I. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals//Physical Review B. -1984. -Vol. 29. -No. 12. -P. 6443-6453.
  • Daw M.S., Baskes M.I. Semiempirical, Quantum Mechanical Calculation of Hydrogen Embrittlement in Metals//Physical Review Letters. -1983. -Vol. 50. -No. 17. -P. 1285-1288 DOI: 10.1103/PhysRevLett.50.1285
  • Application of the Born-Mayer potential with a Hard-Sphere scattering kernel to rarefied hyperthermal gas flow modeling/W.L. Dimpfl, I.J. Wysong, S.F. Gimelshein, M. Braunstein, L.S. Bernstein//AIP Conference Proceedings. -2009. -Vol. 1084. -P. 323-328 DOI: 10.1063/1.3076494
  • Doyama M., Kagure Y. Embedded atom potential in fcc and bcc metals//Computational Materials Science. -1999. -Vol. 14. -No. 1-4. -P. 80-83 DOI: 10.1016/S0927-0256(98)00076-7
  • Calculation of the structure factors of harmonic and anharmonic Fibonacci chains with molecular dynamics simulations/M. Engel, S. Sonntag, H. Lipp, H.-R. Trebin//Physical Review B. -2007. -Vol. 75. -No. 15. -144203 p DOI: 10.1103/PhysRevB.75.144203
  • Ercolessi F., Adams J.B. Interatomic Potentials from First-Principles Calculations: The Force-Matching Method//Europhysics Letters. -1994. -Vol. 26. -No. 8. -P. 583-588.
  • Fellinger M.R., Park H., Wilkins J.W. Force-matched embedded-atom method potential for niobium//Physical Review B. -2010. -Vol. 81. -No. 14 DOI: 10.1103/PhysRevB.81.144119
  • Finnis M.W., Sinclair J.E. A simple empirical N-body potential for transition metals//Philosophical Magazine A. -1984. -Vol. 50. -No. 1. -P. 44-55 DOI: 10.1080/01418618408244210
  • Foiles S.M. Application of the embedded-atom method to liquid transition metals//Physical Review B. -1985. -V. 32, No. 6. -pp. 3409-3415 DOI: 10.1103/PhysRevB.32.3409
  • Foiles S.M., Baskes M.I., Daw M.S. Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys//Physical Review B. -1986. -Vol. 33. -No. 12. -P. 7983-7991 DOI: 10.1103/PhysRevB.33.7983
  • Energetics of Surface Multilayer Relaxation on W(QQ1): Evidence for Short-Range Screening/Fu C.L., Ohnishi S., Wimmer E., Freeman A.J.//Physical Review B. -1984. -Vol. 53. -No. 7. -P. 675-678 DOI: 10.1103/PhysRevLett.53.675
  • Gelatt C.D., Ehrenreich H., Weiss J.A. Transition-metal hydrides: Electronic structure and the heats of formation//Physical Review B. -1978. -Vol. 17. -No. 4. -P. 1940-1957 DOI: 10.1103/PhysRevB.17.1940
  • Dynamics of Radiation Damage/J.B. Gibson, A.N. Goland, M. Milgram, G.H. Vineyard//Phys. Rev. -1960. -Vol. 120. -No. 4. -P. 1229-1253 DOI: 10.1103/PhysRev.120.1229
  • Gonzalez L.E., Gonzalez D.J., Canales M. Atomic dynamics in liquid lithium//Zeitschrift für Physik B Condensed Matter. -1996. -Vol. 100. -No. 4. -P. 601-611 DOI: 10.1007/s002570050167
  • Gordon P.A., Neeraj T., Mendelev M.I. Screw dislocation mobility in BCC metals: a refined potential description for Fe//Philosophical Magazine. -2011. -Vol. 91. -No. 30. -P. 3931-3945 DOI: 10.1080/14786435.2011.597947
  • Numerical tools for atomistic simulations/P.M. Gullett, G.J. Wagner, A. Slepoy, M.F. Horstemeyer, H. Fang, M. Li, M.I. Baskes. -Livermore, SANDIA National Laboratories, 2003. -68 p.
  • Johnson R.A. Alloy metals with the embedded-atom method//Physical Review B. -1989. -Vol. 39. -No. 17. -P. 12554-12559 DOI: 10.1103/PhysRevB.39.12554
  • Johnson R.A. Analytic nearest-neighbor model for fcc metals//Physical Review B. -1988. -Vol. 37. -No. 8. -P. 3924-3931 DOI: 10.1103/PhysRevB.37.3924
  • Jones J.E. On the Determination of Molecular Fields. II. From the Equation of State of a Gas//Proc. R. Soc. Lond. A. -1924. -Vol. 106. -No. 738. -P. 463-477 DOI: 10.1098/rspa.1924.0082
  • Application of the Embedded Atom Method to Pb and Be/M. Karimi, Z. Yang, P. Tibbits, D. Ila, I. Dalins, G. Vidali//MRS Online Proceedings Library. -1990. -Vol. 193. -No. 1. -P. 83-88 DOI: 10.1557/PROC-193-83
  • Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method//Physical Review B. -1999. -Vol. 59. -No. 3. -P. 1758-1775 DOI: 10.1103/PhysRevB.59.1758
  • Law K., Stuart A., Zygalakis K. Data assimilation: A mathematical introduction. -Springer International Publishing, 2015. -242 p.
  • Second nearest-neighbor modified embedded atom method potentials for bcc transition metals/B.-J. Lee, M.I. Baskes, H. Kim, Y.K. Cho//Physical Review B. -2001. -Vol. 64. -No. 18. -184102 p DOI: 10.1103/PhysRevB.64.184102
  • Interatomic potentials for modelling radiation defects and dislocations in tungsten/M.-C. Marinica, L. Ventelon, M.R. Gilbert, L. Proville, S.L. Dudarev, J. Marian, G. Bencteux, F. Willaime//J. Phys.: Condens. Matter. -2013. -Vol. 25. -No. 39. -395502 p DOI: 10.1088/0953-8984/25/39/395502
  • McClean A.D., McClean R.S. Roothaan-Hartree-Fock atomic wave functions Slater basis-set expansions for Z = 55-92//Atomic Data and Nuclear Data Tables. -1981. -Vol. 26. -No. 3-4. -P. 197-381 DOI: 10.1016/0092-640X(81)90012-7
  • Development of new interatomic potentials appropriate for crystalline and liquid iron/M.I. Mendelev, D.J. Srolovitz, G.J. Ackland, D.Y. Sun, M. Asta//Philosophical Magazine. -2003. -Vol. 83. -No. 35. -P. 3977-3994 DOI: 10.1080/14786430310001613264
  • Mendelev M.I., Underwood T.L., Ackland G.J. Development of an interatomic potential for the simulation of defects, plasticity, and phase transformations in titanium//The Journal of Chemical Physics. -2016. -Vol. 146. -No. 15. -154102 p DOI: 10.1063/1.4964654
  • The interaction of atomic hydrogen with Ni, Pd, and Pt clusters/R.P. Messmer, D.R. Salahub, K.H. Johnson, C.Y. Yang//Chemical Physics Letters. -1977. -Vol. 51. -No. 1. -P. 84-89 DOI: 10.1016/0009-2614(77)85360-8
  • Farkas D., Mehl M.J., Papaconstantopoulos D.A. Interatomic potentials for monoatomic metals from experimental data and ab initio calculations//Physical Review B. -1999. -Vol. 59. -No. 5. -P. 3393-3407 DOI: 10.1103/PhysRevB.59.3393
  • Structural stability and lattice defects in copper: Ab initio, tight-binding and embedded atom method calculations/Y. Mishin, M.J. Mehl, D.A. Papaconstantopoulos, A.F. Voter, J.D. Kress//Physical Review B. -2001. -Vol. 63. -No. 22. -224106 p DOI: 10.1103/PhysRevB.63.224106
  • Moitra A., Kim S.-G., Horstemeyer M.F. Structural and thermal properties of calcium using an MEAM potential//Calphad. -2001. -Vol. 35. -No. 2. -P. 262-268 DOI: 10.1016/j.calphad.2011.01.002
  • Morse P.M. Diatomic Molecules According to the Wave Mechanics. II. Vibrational Levels//Physical Review. -1929. -Vol. 34. -No. 1 -P. 57-64 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.34.57
  • Niklasson A.M.N., Cawkwell M.J. Fast method for quantum mechanical molecular dynamics//Physical Review B. -2012. -Vol. 86. -No. 17. -174308 p DOI: 10.1103/PhysRevB.86.174308
  • Norskov J.K., Lang N.D. Effective-medium theory of chemical binding: Application to chemisorption//Physical Review Letters. -1980. -Vol. 21. -No. 6. -P. 2131-2136 DOI: 10.1103/PhysRevB.21.2131
  • Rapaport D.C. The Art of Molecular Dynamics Simulation. -Cambridge University Press, 2004. -549 p.
  • Universal features of the equation of state of metals/J.H. Rose, J.R. Smith, F. Guinea, J. Ferrante//Physical Review B. -1984. -Vol. 29. -No. 6. -P. 2963-2969 DOI: 10.1103/PhysRevB.29.2963
  • Schommers W. Pair potentials in disordered many-particle systems. A study for liquid gallium//Physical Review A. -1983. -Vol. 28. -No. 6. -P. 3599-3605 DOI: 10.1103/PhysRevA.28.3599
  • Slater J.C. Quantum Theory of Matter, 2nd edition. -New York, McGraw-Hill, 1968. -321 p.
  • Smirnova D.E., Starikov S.V., Stegailov V.V. Interatomic potential for uranium in a wide range of pressures and temperatures//J. Phys.: Condens. Matter. -2012. -Vol. 24. -No. 14. -015702 DOI: 10.1088/0953-8984/24/14/149501
  • Stockmayer W.H. Second Virial Coefficients of Polar Gases//J. Chem. Phys. -1941. -Vol. 9. -No. 5. -P. 398-402 DOI: 10.1063/1.1750922
  • Stott M.J., Zaremba E. Quasiatoms: An approach to atoms in nonuniform electronic systems//Physical Review B. -1980. -Vol. 22. -No. 4. -P. 1564-1583 DOI: 10.1103/PhysRevB.22.1564
  • Thomas J.F. Third-Order Elastic Constants of Aluminum//Physical Review. -1968. -Vol. 175. -No. 3. -P. 955-962 DOI: 10.1103/PhysRev.175.955
  • Vicente J., Lanchares J., Hermida R. Placement by thermodynamic simulated annealing//Physics Letters A -2003. -Vol. 317. -No. 5-6. -P. 415-423 DOI: 10.1016/j.physleta.2003.08.070
  • Warshel A, Levitt M.J. Theoretical studies of enzymic reactions: Dielectric, electrostatic and steric stabilization of the carbonium ion in the reaction of lysozyme//Journal of Molecular Biology. -1976. -Vol. 103. -No. 2. -P. 227-249 DOI: 10.1016/0022-2836(76)90311-9
  • Winey J.M., Kubota A., Gupta Y.M. A thermodynamic approach to determine accurate potentials for molecular dynamics simulations: thermoelastic response of aluminum//Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. -2010. -Vol. 18. -No. 5. -029801 DOI: 10.1088/0965-0393/17/5/055004
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp