分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告

分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告篇一：分子動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告md2分子動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告（XX至XX學(xué)年第_2_學(xué)期）班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)名稱：品體點(diǎn)缺陷成績(jī)：一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠?jì)算空位形成能和間隙原子形成能。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(shí)其空位能和間隙原子形成能的變化。二、 實(shí)驗(yàn)原理點(diǎn)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(duì)材料的物理和化學(xué)性質(zhì)影響很大。根據(jù)點(diǎn)缺陷相對(duì)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(diǎn)位置上出現(xiàn)的原子空缺。（2） 間隙原子（離子）：指原子（離子）進(jìn)入正常格點(diǎn)位置之間的間隙位（本文來(lái)自： 小草范文網(wǎng)：分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告）1文檔來(lái)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(jìn)入品格中即為雜質(zhì)，雜質(zhì)原子若取代晶體中正常格點(diǎn)位置上的原子（離子）即為置換原子（離子），也可進(jìn)入正常格點(diǎn)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(diǎn)所形成的熱缺陷。在一定溫度下，品體中各原子的熱振動(dòng)狀態(tài)和能量并不同，遵循麥克斯韋分布規(guī)律。熱振動(dòng)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(diǎn)的作用而離開(kāi)平衡位置，進(jìn)入到品格內(nèi)的其他位置，于是在原來(lái)的平衡格點(diǎn)位置上留下空位。根據(jù)原子進(jìn)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(diǎn)缺陷都只有一個(gè)原子大小的尺度，因此不容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行直接的觀察。而且實(shí)驗(yàn)方法研究缺陷時(shí)利用較多的還是缺陷對(duì)晶體性質(zhì)的影響。例如，通過(guò)測(cè)量晶體的膨脹率和電阻率的變化規(guī)律，即可對(duì)點(diǎn)缺陷的存在、運(yùn)動(dòng)和相互作用等方面展開(kāi)間接的研究。分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)金屬材料原子尺度物理和化學(xué)過(guò)程的研究具有實(shí)驗(yàn)法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，可直觀的模擬和分析晶體中的點(diǎn)缺陷。若我們搭建完整晶體的原子個(gè)數(shù)為N，能量為E1，通過(guò)刪除和增加一個(gè)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(shí)驗(yàn)過(guò)程（1） 進(jìn)入2_point文件夾$cd口2_point（2） 運(yùn)行er文件，得到Cu的八面體間隙原子的圖像，以及體系的總能量的變化，計(jì)算出八面體間隙原子的形成能。$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(biāo)，改為（0.5,0.25,0.5）運(yùn)行文件，得到相應(yīng)的圖像及體系變化前后的能量，計(jì)算出八面體間隙原子的形成能。$gedit口er修改輸入文件in,inter，將增加的原子坐標(biāo)改為0.250.250.25.之后重復(fù)上述步驟，得到四面體間隙原子的圖像以及體系能量的改變前后的能量，計(jì)算出四面體間隙原子的形成能。$gedit口er再次打開(kāi)er文件，修改原子的位置，將插入的原子坐標(biāo)修改為(0.5,0.25,0.5)，再次運(yùn)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(shí)八面體間隙原子的形成能最小。$gedit口er之后繼續(xù)嘗試，加入兩個(gè)八面體間隙原子，修改坐標(biāo)使得兩個(gè)八面體間隙原子分別在一個(gè)晶胞的體心和棱上(坐標(biāo)分別為(0.5,0.5，,05)，(1,1,0.5))，兩個(gè)八面體間隙原子在相鄰的兩個(gè)晶胞中的體心(坐標(biāo)分別為(0.5,0.5，0.5)，(0.5,1.5,0.5))，兩個(gè)八面體間隙原子在同一個(gè)晶胞內(nèi)的相鄰的兩條棱上(坐標(biāo)分別為(1,1,0.5),(1,2,0.5))，兩個(gè)八面體間隙原子在相隔較遠(yuǎn)的兩個(gè)晶胞之內(nèi)(1?5,1.5,1?5)，(3.5,3.5,3.5)。得到相應(yīng)的效果圖并計(jì)算出每種情況下的間隙原子的形成能。$gedit口er仿照八面體間隙原子，修改四面體間隙原子的坐標(biāo)，使得兩個(gè)原子的相對(duì)位置分別為再同一個(gè)晶胞中，兩個(gè)四面體間隙原子的插入位置分別為為相鄰(兩個(gè)原子的坐標(biāo)為(0.25,0.25,0.25)，(0.75,0.25,0.25))，在面對(duì)角線上(兩個(gè)原子的坐標(biāo)分別為(0.75,0.75,0.25))，在體對(duì)角線上(坐標(biāo)分別為(0.25,0.25,0.25)，(0.75,0.75,0.75))和在相隔較遠(yuǎn)的兩個(gè)晶胞中的四面體間隙原子(坐標(biāo)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(jì)算出每一種情況下的間隙原子的形成能。$gedit口er改變體系的大小以改變八面體間隙原子的濃度，將晶胞的個(gè)數(shù)分別改為3X3X3,4X4X4,5X5X5,7X7X7,8X8X8，分別運(yùn)行，分別計(jì)算出相應(yīng)的體系的間隙原子的形成能。$gedit口er運(yùn)行in,vacancy文件，得到空位的圖像和體系改變前后的能量，并計(jì)算出空位的行成能。$lmp口-i口in.vacancy修改in.vacancy文件，加入regioncenterpoint2block11.0522.0511.05delete_atomsregioncenterpoint2增加一個(gè)空位之后運(yùn)行文件，得到相應(yīng)的效果圖和體系變化前后的能量并計(jì)算空位形成能。$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(gè)數(shù)分別改為3X3X3,4X4X4,5X5X5,7X7X7,8X8X8,分別運(yùn)行，計(jì)算出每種濃度下空位的形成能。$lmp口-i口in.vacancy四、實(shí)驗(yàn)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(shí)效果圖（呈啞鈴形）Ev=3.1197eV（3） 八面體原子對(duì)效果圖：a（分別在一個(gè)晶胞內(nèi)的體心和棱上），b（在相鄰兩個(gè)晶胞的體心），c（一個(gè)晶胞內(nèi)的相鄰兩條棱），d（距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)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(duì)效果圖：a（同一個(gè)晶胞中的兩個(gè)四面體間隙原子，相鄰），b（同一個(gè)晶胞中的兩個(gè)四面體間隙原子，面對(duì)角線），c（同一個(gè)晶胞中的兩個(gè)四面體間隙原子，體對(duì)角線），d（相隔較遠(yuǎn)的兩個(gè)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(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告固體結(jié)構(gòu)及電子態(tài)計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)實(shí)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(guò)學(xué)習(xí)MaterialsStudio軟件，能夠自己獨(dú)立地進(jìn)行簡(jiǎn)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(jì)算和分析。二、 實(shí)驗(yàn)原理第一性原理的理論計(jì)算的主要理論基礎(chǔ)是量子力學(xué)的基本方程和相對(duì)論效應(yīng)，在第一性原理的發(fā)展過(guò)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(shí)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(shí)際體系理解為由電子和原子核組成的多粒子系統(tǒng)，運(yùn)用量子力學(xué)等基本的物理原理最大限度地對(duì)問(wèn)題進(jìn)行“非經(jīng)驗(yàn)”處理。密度泛函理論現(xiàn)在已經(jīng)成為計(jì)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(tuán)簇、固體和表面的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，使得計(jì)算物理成為可能。依靠高性能計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，市場(chǎng)上研發(fā)出了很多基于第一性原理計(jì)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(gè)先進(jìn)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(jì)算體系的能量，能帶結(jié)構(gòu)，態(tài)密度，磁性等。三、 實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)算的相關(guān)參數(shù)；計(jì)算完畢，選中得到的*.xsd文件；在Dmol3沒(méi)款中選擇analysis，選擇Bandstructure后點(diǎn)擊View，得到能帶圖；⑤同理可以計(jì)算AlAs的電子態(tài)密度、電子密度等。四、 數(shù)據(jù)分析及實(shí)驗(yàn)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(gè)原子在空間上的位置與上圖是一一對(duì)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(duì)圖形做一些修飾。右擊背景選擇DisplayStyle可以對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(guò)Dmol3模塊計(jì)算得到的AlAs能帶結(jié)構(gòu)（縱坐標(biāo)的能量單位是Hartree，1Hartree=27.2eV）。從圖中可以看出AlAs的價(jià)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(guò)Dmol3模塊計(jì)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(gè)峰，在0-0.1Ha有個(gè)谷，基本上和能帶結(jié)構(gòu)相吻合。如圖，是通過(guò)Dmol3計(jì)算得到的電子密度圖。五、體會(huì)和評(píng)論Materialsstudio作為一個(gè)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?yàn)檠芯糠较蛳嘟ǚ肿觿?dòng)力學(xué)模擬）的緣故，平時(shí)也經(jīng)常需要進(jìn)行大量運(yùn)算，所用的軟件為Gromacs和NAMD。由于都是開(kāi)源軟件，其使用起來(lái)就沒(méi)有那么方便，都需要在Linux系統(tǒng)下通過(guò)命令行來(lái)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(dòng)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(gè)體系通常會(huì)包含幾千甚至幾萬(wàn)個(gè)原子。而第一性原理計(jì)量是基于量子力學(xué)，雖然研究的體系相對(duì)小，但是計(jì)算量也非常大，對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)單單依靠PC端是無(wú)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(diǎn)運(yùn)算。分子動(dòng)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(gè)熱門領(lǐng)域?？梢越柚鶰aterialsstudio強(qiáng)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(dòng)力學(xué)模擬軟件，兩款軟件可以配合使用。篇三：分子動(dòng)力學(xué)的模擬過(guò)程分子動(dòng)力學(xué)的模擬過(guò)程分子動(dòng)力學(xué)模擬作為一種應(yīng)用廣泛的模擬計(jì)算方法有其自身特定的模擬步驟，程序流程也相對(duì)固定。本節(jié)主要就分子動(dòng)力學(xué)的模擬步驟和計(jì)算程序流程做一些簡(jiǎn)單介紹。分子動(dòng)力學(xué)模擬步驟分子動(dòng)力學(xué)模擬是一種在微觀尺度上進(jìn)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(wú)法獲得的微觀信息，又能夠?qū)?shí)際實(shí)驗(yàn)研究中遇到的不利影響因素回避掉，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)研宄難以實(shí)現(xiàn)的控制條件。分子動(dòng)力學(xué)模擬的步驟為：選取所要研究的系統(tǒng)并建立適當(dāng)?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(shì)模型。設(shè)定系統(tǒng)所有粒子的初始位置和初始速度。計(jì)算粒子間的相互作用力和勢(shì)能，以及各個(gè)粒子的位置和速度。待體系達(dá)到平衡,統(tǒng)計(jì)獲得體系的宏觀特性。分子動(dòng)力學(xué)模擬的主要對(duì)象就是將實(shí)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(dòng)力學(xué)模擬的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。而對(duì)于分子動(dòng)力學(xué)模擬，主要還是勢(shì)函數(shù)的選取，勢(shì)函數(shù)是分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的核心。這是因?yàn)榉肿觿?dòng)力學(xué)模擬主要是計(jì)算分子間作用力，計(jì)算粒子的勢(shì)能、位置及速度都離不開(kāi)勢(shì)函數(shù)的作用。系統(tǒng)中粒子初始位置的設(shè)定最好與實(shí)際模擬模型相符,這樣可以使系統(tǒng)盡快達(dá)到平衡。另外，粒子的初始速度也最好與實(shí)際系統(tǒng)中分子的速度相當(dāng),這樣可以減少計(jì)算機(jī)的模擬時(shí)間。要想求解粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就必須把運(yùn)動(dòng)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(shì)，選取時(shí)可按照計(jì)算要求選擇最合適的算法。統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)各物理量時(shí)，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(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)方法更加準(zhǔn)確，有效地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，減少信息損失。分子動(dòng)力學(xué)模擬程序流程具體到分子動(dòng)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(jì)算粒子間的作用力。求解運(yùn)動(dòng)方程。循環(huán)計(jì)算,待穩(wěn)定后輸出結(jié)果。分子動(dòng)力學(xué)模擬程序流程圖如2.3所示。圖2.3分子動(dòng)力學(xué)模擬程序的流程圖4.分子動(dòng)力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)分子動(dòng)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(jiǎn)單到復(fù)雜，從全面到專業(yè)的發(fā)展歷程。從開(kāi)始只有幾個(gè)分子