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高分子晶体生长机理的分子动力学模拟

作者: 发布时间:2020-01-20 15:44:06 阅读: 39 次

摘要:本文为了能够对高分子晶体生长机理进行分子动力学模拟,主要以RbCl晶体为主要的研究对象,对其生长过程进行分析研究,同时运用晶液两层构型方法进行过程的模拟。通过这种方法能够将晶体结晶时的固液界面过程清晰地看到,所以更好地表现出了离子之间的相互作用。

关键词:分子动力学模拟,晶体生长,RbCl晶体

引言

分子动力学模拟主要是指对原子的运动进行模拟,同时需要按照原子之间的相互作用,这种模拟方式能够很好地研究分子水平上的晶像和液相的情况,并且在现在这种方法有利于辅助材料的设计。同时在现在计算机技术高度发展的时期更是为分子动力学的模拟提供了有利的条件。通过分子动力学模拟粒子的微观运动,不仅能合理地重复一些晶体生长实验结果并加以阐明,并且还能够将一些实验中不能够获得的信息进行研究出来。

现在晶体生长的分子动力学模拟发展并不是很成熟。在上世纪八十年代才出现BroughtonL-J势下液氩的晶体生长的研究。之后在九十年代出现了Okada的离子晶体生长的分子动力学模拟的报道,并且这在当时是次出现的相关报道。这份报道中述说了NaCl晶体在液相表面自由边界的环境中的运动过程的模拟。随后Masahiko等将在Embedded-Atom Method(EAM)势下的离散金属团簇Pdn形成的形状运用动力学的方法进行绘制了出来。同时还对Cu(110)晶面上Pd原子和团簇进行了研究其分散和沉淀的过程。

本文主要以RbCl晶体为主要的研究对象,对其生长过程进行分析研究,同时运用晶液两层构型方法进行过程的模拟,进而将晶体结晶时的固液界面的变化情况能够看清楚,期望能够帮助读者更好地了解到如何运用动力学进行模拟晶体的生长过程。

2 RbCl晶体生长的分子动力学模拟

2.1 模拟方法

RbCl晶体熔解、熔体的模拟方法类似于这个晶体的生长过程进行分析动力学模拟所采用的方法,所以这个过程中所采用的方法是晶液两层构型方法,这样就能够产生足够的热量使得液相和晶相的原子在其中进行变化。晶体的生长过程的模拟需要经历三个过程,就是模拟晶态、模拟熔态和模拟晶体生长。另外需要自己对上述的这些过程进行编制。离子间相互作用势取用Fumi-Tosi形式的有效两体势:

 图片1.png

式中 i,j为离子标号;α,β为i,j离子的种类;eα,eβ分别为α,β离子的电荷。σαβ为离子平衡距离;Aαβ,Bαβ,Cαβ,Dαβ分别为力常数。模拟中使用的势参数取用DixonSangsterRbCl宏观性质给出的数值。采用Ewald求和处理库仑长程力。

在模拟的过程中,矩形是计算原胞,并且x,y,z之间的比例需要控制在113。原胞中存在324的正离子数,负离子数和正离子数相等,还有648个粒子。根据实验的密度值来明确好计算原胞长。粒子在刚开始时候的构成是晶液,共有2层:其中一层有三分之一的晶态,,取自300KRbCl晶体的平衡构型;另外一层就是有三分之二的液态,是根据1023KRbCl熔体过冷获得的。同时还需要注意的是晶态的体积只有液态体积的一半,这样的话才能够将结晶的运动变化看清楚。在温度方面需要保证比熔点的温度要低,不需要改变晶相原子的位置,所以进行热运动的时候能够和液相原子同步。采用三维周期性边界条件,即xy方向常规无限扩展,但z方向则是固液相交替无限扩展,主要是由于对固液两种情况中原子的运动变化,进而将两种不同的情况清晰的反映出来。

2.2 模拟结果

上面的图片中主要是对模拟晶体生长过程中的计算原胞内阴、阳离子在x-z平面投影图。另外为能够清楚的显示出周期性边界条件,需要对晶体进行分层,分别将分好的两个晶体放在两端,这样的话就有两个固液界面存在液相中,并且这两个部分的晶体能够有等效的结晶。下面的图片中(a)是初始构型;(b)中晶相离子受到液相离子和干扰,出现较剧烈的热运动,反映的是固液相对抗的阶段;(c)则是在过冷的情况中,晶相只有较低的能量,液相离子能够进行结晶的过程; (d),(e)反映的则是结晶的转变情况,液相原子向晶相原子缓慢演变;f)全部液相己转变成晶相(晶体生长方向为RbCl晶体的晶相)。这些都表明了对晶体的生长过程进行模拟所采用的晶液两层构型方法非常有效,同时也说明了是可以对晶体的生长模拟程序进行自编的。

 图片2.png

结论

本文最主要是对RbCl晶体的而生长过程进行模拟,并且在模拟的过程中对一系列模拟条件的设置都是比较符合物理真实的。模拟中采用三维周期性边界条件,在过冷环境中,固液相粒子同时进行热运动。RbCl晶体生长过程的成功模拟也就表示了对晶体的生长过程进行模拟所采用的晶液两层构型方法非常有效,同时也说明了是可以对晶体的生长模拟程序进行自编的,所以这些都是可以运用到其他晶体生长过程的模拟中的。RbCl是一种简单离子晶体,晶液两层构型方法很好的模拟给出了RbCl的晶体生长过程,并且能够在最后将在固液界面中的结晶运动清楚地观察到,虽然在最初液相离子有扰乱到晶相离子的运动。所以经过上述的分析得知分子动力学模拟很好的描述了RbCl晶体生长过程。

参考文献:

1、丁弘,程兆年.RbCl 键取向序的分子动力学模拟研究.物理学报,1995441081

2、程兆年,丁弘,雷雨,许立.RbCl 熔解的分子动力学模拟研究.物理化学学报,199511890

3、陈创天,吴柏昌等.新型紫外倍频晶体β-BaB2O4的光学性能和生长.中国科学,1985B28235