计算材料学第三章原子间相互作用势
高中化学第三章探索原子构建物质的奥秘3.1原子间的相互作用素材沪科版

第三章探索原子构建物质的奥秘 3.1 原子间的相互作用由量子化学从头计算方法得出不同距离时两个原子间的相互作用能,以势能曲线最低点与量子化学从头计算的最小值相重合的拟合原则,拟合出原子间相互作用对势。
并尝试用原子间相互作用对势研究铁团簇(奥氏体、铁素体和马氏体)的原子平均结合能和最近平衡原子间距。
计算结果表明,这种近似方法对理解金属晶体的相变和许多性能可以提供证据。
如此推断,可以计算Fe-Cr-Mn-C-B系复杂合金的奥氏体的能量变化,并为解释相变的趋势提供参考。
关键词:原子间相互作用势;量子化学从头计算;拟合对势;铁团簇 1.引言由第一性原理量子力学所作的计算可以给出精确的结果。
然而,由于需要很大的计算量来精确求解Schrödinger方程,目前这些方法仅限于研究包含几十个原子的体系。
原子间相互作用势是分子动力学、蒙特卡罗方法模拟计算的基础,也是在原子、分子层次上进行合金设计的重要部分。
原子间相互作用势有很多种,按相互作用的类型划分为两体势(即对势、偶对势)、三体势、四体势、N 体势、嵌入原子势等。
物质(包括各种相,如固相、液相和气相)的许多物理性质既可以通过实验观察和测定,也可以在理论上计算和预测。
另一方面,经验的原子间相互作用势虽不及上述方法精确,但能处理大得多的体系。
对于复杂的材料科学问题的计算机模拟,原子间相互作用势及分子动力学方法占有重要地位[1]。
本文尝试用原子间相互作用对势研究奥氏体、铁素体和马氏体铁团簇的原子平均结合能和最近平衡原子间距,为进行Fe-Cr-Mn-C-B系实用合金的复杂体系的特性的预测提供参考。
2.原子间相互作用对势原子间相互作用对势的简单函数是Lennard-Jones势。
尽管Lennard-Jones型函数仅仅可以用来描述多体势作用最小的稀有气体,而对于象金属晶体这样多体势作用强的晶体被认为是不适用的,但是,作为对复杂体系合金的初步探讨,这种方法很可能对理解许多性能和过程可以提供有益的参考。
原子间相互作用势

h,i j i aj (rij )
微观尺度材料设计原子间相互作用势
原子间相互作用势-基于有效介质方法
二阶动量近似和TB势:二阶动量近似和紧束缚方法起源 于能带理论的紧束缚模型。根据紧束缚理论, 电子态密度 的二阶动量与周围原子的径向函数和有关。带能量近似 地等于电子能带的宽度, 即二阶动量的平方根。
ij 也可以是的函数。
微观尺度材料设计原子间相互作用势
原子间相互作用势-对势
Lennard-Jones势
m r0 n 0 A B r0 (r ) n m m n r nm r r r
(r ) 4 r
微观尺度材料设计原子间相互作用势
原子间相互作用势-对势
对于由N个粒子组成的体系, 对势函数描述的系统总能量 N 为 1
E total
2
i j 1
ij
(rij ) U ()
其中ij(rij)为原子i、j相距为rij时的对势函数。对于第一类 对势U=0, 对于第二类对势U()为原子凝聚对系统总能量 的贡献, 它是原子平均体积或材料平均密度的函数, 同时
微观尺度材料设计原子间相互作用势
晶体的结合-结合力的一般性质
1 N N U (r ) u (rij ) 2 i 1 j i
2 U U U V P V 2 V V V0 V0
V 2U V P K V 2 V0 V V0 V0 0 2U K V 2 V0 V0
微观尺度材料设计原子间相互作用势
原子间相互作用势-对势
对势在早期的材料研究中发挥了极为重要的作用, 并仍 然活跃在计算机模拟的许多领域。 根据对系统总能量的贡献, 可以把对势分为两类。 系统的总能量完全由对势函数决定, 这类对势可以有效 地描述van der Waals相互作用占主导地位的体系; 对势函数仅描述恒定的材料平均密度下系统能量随原 子构型的变化, 这类对势适用于描述sp-价态金属。
12 第三章 原子间的相互作用(教师版)

一、知识梳理(C)物质的硬度差异,在生产、生活、科研中有着广泛的应用(D)金刚砂(SiC)和金刚石具有同样的硬度【解析】A正确,因为指明是天然的。
B正确,相信随着科学技术的不断发展,一定会有新物质被制备出来。
C正确,可以举出许多例子。
D错,据目前报道,硬度大于金刚石的只有氮化碳。
金刚砂的硬度仅次于金刚石。
故选D。
【答案】D【例2】已知乙酸分子的结构可表示为,下列说法正确的是( )(A)氢原子与氢原子之间存在化学键(B)碳原子与碳原子之间存在化学键(C)氧原子与氧原子之间存在化学键(D)乙酸分子之间存在化学键【解析】由于乙酸是由分子构成的物质,在乙酸的分子内只有相邻的原子之间存在化学键,不相邻的原子同就不存在化学键。
但在乙酸的分子与分子之问是由微弱的范德华力结合,范德华力比化学键的能量小得多。
【答案】B【例3】已知水的分解温度高于1 800℃多,难以分解的原因是________________________。
【解析】由于水分子内氢、氧原子之间存在强烈的相互作用——共价键(如图中的实线部分),所以要破坏氢、氧原子间的共价键,就需要吸收很多的能量,才能使其分解成为H2和O2,因而分解温度很高,需要超过1800℃。
但水分子与水分子之间,存在较弱的相互作用力——氢键(如图中的虚线部分),因此要使水蒸发成为水蒸气,只须破坏氢键及范德华力即可,所需能量较小,所以水的沸点是100℃。
【答案】见解析。
【例4】已知二氧化碳和二氧化硅( SiO2)组成相近,二氧化硅俗称石英。
水晶是一种纯度较高的二氧化硅晶体,试从物理性质上分析两者的差异,思考为什么组成相近的物质性质也有那么大的差异。
【解析】二氧化碳是我们熟悉的物质,所以在对比时不难得出结论。
但关键在如何作全面的对比分析,借助我们平时研究物质的物理性质时的规律,从色、态、味,溶解性、熔、沸点着手,就可以发现它们的反差很大,所以用途也完全不同。
组成相近并不代表组成的物质结构相同,所以物质的性质是由多方面因素综合决定的。
兰纳琼斯势基础知识

记 因此有:
另外一种表达式:
h:两表面间的空气间隙; Wad:粘性力做工。 一般,为了简便,采用下式估算来代替兰纳琼斯势。
C U= r 6 r r0 r r0
这种简化对很多重要参数, 如平衡距离和结合能等影响不大, 却有利于计算。
h
单个原子和由相同原子构成的体之间的相互作用能为:
U a s =-
h
Cn Cn dV 2 r6 6h
可以计算两个固体的平行面的想呼呼作用能,假设每个平面都由相同的原子 构成,这种相互作用能是第一个物体沿 z 轴的积分乘以物体表面积 A 和原子密 度 n 得到的。
h
单位面积的相互作用能表示为:
2 Cn US S Cn2 =- dz 3 h A 6z 12h2
根据范德华力,若中性原子之间的距离大于或者等于其本身原子直径,就会 相互吸引。 两个距离为 r 的中性原子之间的相互作用势 Lennard-Jones 势来描述:
:势能阱深度。 :是互相作用的势能正好为零时的两体距离。
在实际应用中,ε、σ 参数往往通过拟合已知实验数据或精确量子计算结果而 确定。两个原子之间的相互作用力为:
当 r r0 1010 m 时,分子间排斥力和吸引力平衡。分子间相互作用力为零,此 时成为平衡位置。
经过推导,两个原子之间的相互作用势能可以表示为两个表面之间的相互牵 引力。由兰纳琼斯势引起的表面作用力表示为
其中: z:两个接触平面面之间的距离。 当两表面之间的作用力为 0 时,其平衡距离 h0 为:
如果将两个物体从很远的地方移动到一起“直接接触”(接近 r0=10-10m),则单 位面积相互作用力做的功为:
2 Cn W Cn 2 =- dz h A 6z3 12r02
计算材料学-14-3-2

Properties of Stilling-Weber potential
• Diamond structure has lowest energy. Other structures are de-stabilized by the three-body U3 term. • If the value of β is cos(109.47°) = −1/3 → U3=0, then the diamond lattice is the energetically favorable structure within SW potential.
共价键合的多体效应
在共价材料中原子间相互作用不仅取决于原子间距,而且与原子 间的成键方向密切相关。为了正确地描述共价键合,不仅要考虑 原子间的距离,而且要体现成键取向的变化对势函数的影响。
Stilling-Weber Potential
• Stillinger-Weber (1985) focused on silicon and constructed two-and three-body terms with 7 adjustable parameters. • The pair potential is a product of inverse powers and an exponential function (attractive and repulsive parts). • The three-body potential is the product of an exponential and a cosine function (this ensures directionality and mechanical stability for ideal tetrahedral angles (109.5°). • The potential is empirical but tested in both the solid and liquid states of Si. • The Stilling-Weber potential has been extended to many other tetracoordinated systems like Ge, GaAs, CdTe, etc.
计算材料学-14-1

2.
M.I. Eremets, V.V. Struzhkin, H.K. Mao, R.J. Hemley, Science 293: 272-274 (2001).
27
材料模拟的重要性-解释相变机制
Two typical reason of pressure-induced metallization 1. Structural transition from low coordination insulator to a high coordination metallic phase (e.g., Si, Ge) Band overlap due to the increased interatomic interactions with pressure (e.g., I)
25
材料模拟的重要性-预言新的结构相
Phys. Rev. B60, 14177(1999). (理论预言)
Germanium Clathrate
A. M. Guloy, et al., Nature 443, 320 (2006). (实验合成)
26
材料模拟的重要性-解释相变机制
1. Boron (in β-phase) transforms from a nonmetal to a metal (superconductor) at about 160 GPa. The critical temperature of the transition increases from 6 K at 175 GPa to 11.2 K at 250 GPa.
Gerbrand Ceder, “COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE: Predicting Properties from Scratch”, Science, Vol 280, Issue 5366, 1099-1100 , 15 May 1998
高一化学上册 3.1《原子间的相互作用》课件 沪科版

二、化学键
相邻原子之间的强烈相互作用称为化学键。 离子键、共价键、金属键
Na
氯化钠的形成
Cl
电子转移
+11② ⑧ ①
⑦⑧②+17
+11 ② ⑧ Na+
⑧ ⑧② +17 +11 ② ⑧
NaCl
⑧ ⑧② +17 Cl–
氯化氢的形成
H +1
Cl +1 HCl
三、原子趋向稳定的途径 得失电子 ----活泼金属元素原子和活泼非金属元素原子间 电子共用 ----非金属元素的原子之间
离子的电荷 阳离子 Mg2+ NH4+ Ca2+ Na+ 阴离子 O2- Cl- SO42-
部分离子的 最外层2个电子 Li+ Be2+ 电子层结构 最外层8个电子 Na+ K+ Mg2+ Cl- O2-
离子的半径
阳离子半径小于相应的原子半径 阴离子半径大于相应的原子半径 电子层结构相同时,核大径小
三.离子化合物
以离子键结合的化合物叫离子化合物
离子化合物一般是晶体 ——离子晶体。
离子晶体的结构
离子晶体中,阴、阳离子按一定规律作空间排列
例 NaCl的晶体结构
离子晶体的性质
熔沸点较高 硬度较大 熔化时导电 溶于水时导电
ClNa+
NaCl是氯化钠的分子式吗?
在氯化钠晶体中, 不存(填在存在或不存在)分子;
物
子 式 表 示
❖ 已知:熔沸点NaCl>CsCl,则推测KCl, LiCl,CsCl熔沸点高低顺序。
答案: LiCl >KCl>CsCl
势晶体总的势能—N个原子两原子相互作用势能

2 j
2
设L是原子链的长度,是质量密度,T0为周期
mnj平方的动能时间平均值为
Knj
1 T0
T0 0
L 0
1 2
dx
dm nj dt
2 dt
w2j 2T0
L
dx
0
T0 a 2 cos2
0j
wjt
naq j
dj
dt
w2j
La
2 j
4
题目告知较高温度下每个格波的能量为kT
j
j
位移平方平均值为
m
2 n
m nj
m*nj
m
2 nj
m nj m*nj'
j
j
j
j j'
mnj取正和取负几率相等,第1项是主要项,忽略2nd项
m
2 n
m
2 nj
j
计算mnj平均值
m
2 nj
1 T0
T0 a 2
0j
sin2
wjt
a
故得证
(b) ul,m u( 0 )exp i lkxa mk ya wt 满足运动方程且
色散关系为 w2M 2c 2 coskxa coskya
M d 2ul,m c dt2
ul1,m ul1,m 2ul ,m
ul ,m1 ul ,m1 2ul ,m
3.1 已知一维单原子链,其中第j个格波,在第n个格点
引起的位移为,mnj=ajsin(wjt+naqj+dj),dj为任意相
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• Reference system: an atom in a FCC crystal. The lattice constant of the reference crystal should match the density of the actual system. Use a measure for the local electron density as the map.
K.W. Jacobsen, M. Puska and J. K. Nørskov, Surf. Sci. 366, 394 (1996); Phys. Rev. B 35, 7423 (1987).
Effective medium theory (EMT)
• •
Blue lines: Electron density from blue atoms. Green line: Sum of contributions from blue atoms. This is the embedding density of red atom.
The Sutton-Chen potential provides a reasonable description of various bulk properties, with an approximate many-body representation of the delocalized metallic bonding. However, it does not include any directional terms, which are likely to be important for transition metals with partially occupied d shells.
Electron density ρ
ion ion
EAM框架下内聚能的一般形式
镶嵌原子势的内聚能表述
电子密度和镶嵌函数
原子的电子密度函数
0.02 (a)
0.02 (b)
ρ(R ) (10 e/nm )
ρ(R) (10 e/nm )
3
3
0.01
←
0.01
←
Pt
3
ACu → 0.00 2.0 3.0
EAM和SC势比较适用于没有成键取向结构的密堆金属; TB和FS势更适用于具有体心立方结构的过渡金属; EMT势的势函数计算往往过于复杂。
Effective medium theory (EMT)
• Energy differences are easier to calculate than energies. Choose a reference system with a known energy, and concentrate on the energy difference.
Glue potential for Au
Phonon dispersion of Au. Lines: glue potential; dots: experiments
Force matching method
http://www.ud.infn.it/~ercolessi/forcematching.html
• • • • • •
Effective medium theory (EMT): Phys. Rev. B26, 2875 (1982). EAM potential: Phys. Rev. Lett. 50, 1285 (1983). Finnis-Sinclair (FS) potential: Philos. Mag. A 50, 45 (1984). Glue potential: Phys. Rev. Lett. 57, 719 (1986). Sutton-Chen (SC) potential: Philos. Mag. Lett. 61, 139 (1990). Tight-binding (TB) potential: Phys. Rev. B 48, 22 (1993).
镶嵌原子方法(embedded atom method, EAM)
EAM的物理图像
镶嵌原子方法的物理思想起源于 Friedel提出的原子嵌入能概念, 即:原子的凝聚能主要取决于该原 子所占据位置的局域电子密度。后 来也和密度范函理论建立了联系。 ion ion ion ion ion ion ion ion
Original ideal: J. K. Nørskov, Phys. Rev. B 26, 2875 (1982).
Effective medium theory (EMT)
Eref: the energy of the reference system; EAS is the correction. • The energy of an atom (and thus its force) is a function of the position of the atoms in a local neighbourhood. • Lessons from quantum mechanics are built into the functional form.
Sutton-Chen potential
• • • •
C: a dimensionless parameter ε: a parameter with dimensions of energy, α: lattice constant, m, n: positive integers with n>m
Effective medium theory (EMT)
Effective medium theory (EMT)
Phonon dispersion relation for Al. Lines: EMT, dots: experiment
Finnis-Sinclair potential
The FS potential incorporates the band character of metallic cohesion and allows to obtain correct values for the vacancy formation and cohesive energy. It reproduces the lattice constants, bulk modulus and surface energy accurately.
Philos. Mag. Lett. 61, 139 (1990).
Tight-binding potential
• Cohesive energy due to d electron
Friedel model of d band
EF=W(Z-5)/10
•
Bandwidth W computed from 2rd moment of density of state for d band
Pd Ni 2.0
→
0.00
4.0 5.0 6.0
3.0
4.0
5.0
6.0
R (0.1 nm)
R (0.1 nm)
“Training” of parameters
拟合EAM参数采用的典型实验数据
EAM在金属中的成功应用
基于镶嵌原子思想的各种经验势
基于镶嵌原子的思想, 先后发展出了描述原子间相互作用势的有效介 质理论(EMT)、镶嵌原子方法(EAM) 、紧束缚势(TB) 、二级矩近似 (SMA) 和胶体模型(Glue model) 等。它们的区别在于镶嵌能的非线性 表述不同或是镶嵌密度的测度不一样。
Glue potential for Au
F. Ercolessi, M. Parrinello and E. Tosatti, Philos. Mag. A 58, 213 (1988)
Glue potential for Au
Glue potential for Au
Lattice parameter of Au as function of temperature. Line: MD simulation using glue potential; Dots: experiment
计算材料学第三章 原子间相互作用势
赵纪军
三束实验室,物理学院&高科技研究院 Email: zhaojj@,电话:84709748
计算材料学第三章
3-2. 金属键合的经验势描述
描述金属键合的基本要求 • The main physical point to model is that bonds become weaker when the local environment becomes more crowded (consequence of the Pauli principle). • The potentials must be able to reproduce the energy difference between FCC, HCP and BCC.
Philos. Mag. A 50, 45 (1984).
Glue potential
In 1983-1986, Ercolessi et al. developed the glue model, a formulation containing a density-dependent many-body term in addition to usual two-body interactions. This term allows to mimic the "gluing" character of the cohesion due to conduction electrons in metals: ions have a low energy as long as they are immersed in the "electron sea", while the exact position of neighbouring ions is relatively unimportant. This led us to write a Hamiltonian where a short-ranged "density function" is attached to atoms, so that for each atom in the system we can compute an effective coordination defined as the sum of all the density contributions coming from neighboring atoms. The energy of this atom will then depend non-linearly upon this effective coordination. The non-linearity of the energy dependence upon coordination essentially models this physical fact, ultimately a consequence of Pauli's principle: the strength of individual bonds decreases as the local environment becomes more crowded. In contrast, with two-body potentials the strength of individual bonds does not depend on the environment. This feature is crucial to capture the physics of bonding in metals. http://www.ud.infn.it/~ercolessi/potentials/