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硅熔化特性的分子动力学模拟–-不同势函数的对比研究

周耐根 胡秋发 许文祥 李克 周浪

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硅熔化特性的分子动力学模拟–-不同势函数的对比研究

周耐根, 胡秋发, 许文祥, 李克, 周浪

A comparative study of different potentials for molecular dynamics simulations of melting process of silicon

Zhou Nai-Gen, Hu Qiu-Fa, Xu Wen-Xiang, Li Ke, Zhou Lang
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  • 分别采用Stillinger-Weber (SW)势、修正的成熟原子嵌入模型(MEAM)势、 Tersoff势和HOEP (highly optimized empirical potential)势来描述硅原子间相互作用, 运用分子动力学方法对比模拟研究了四种势函数的硅晶体的体熔化和表面熔化特性. 结果表明: 四种势函数均能反映出硅的热膨胀、高温熔化和熔化时吸热收缩等基本物理规律. 但综合对比发现, Tersoff势和MEAM势相对更适合描述硅的熔化和凝固过程, SW势次之, HOEP势则不适合描述硅的熔化和凝固过程.
    Molecular dynamic simulations of bulk melting and surface melting of Si are carried out. The atomic interactions in Si are calculated by stillinger-weber (SW), modified embedded-atom method (MEAM), Tersoff and highly optimized empirical potential (HOEP) potentials respectively. The results show that the four potentials could exhibit the fundamental laws of Si, such as thermal expansion, melting at high temperature, endothermic and volume shrinkage in melting process. However, the detailed analyses demonstrate that the Tersoff and MEAM potentials are best to describe the melting and crystal growth of Si, SW potential is the next. The HOEP potential is even unsuitable for describing the melting and crystal growth of Si.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 51264032)和江西省自然科学基金(批准号: 20114BAB206037)资助的课题.
    • Funds: Project supported by National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51264032) and the Natural Science Foundation of Jiangxi Province, China (Grant No. 20114BAB206037).
    [1]

    Scheel H J, Fukuda T, Wiley J 2003 Crystal Growth Technol (Chichester: John Wiley 8c Sons) p3

    [2]

    Wang Q, Chen Z, Pu S D, Yang Q C 1996 Semicond. Optoelec. 17 224 (in Chinese) [王旗, 陈振, 浦树德, 杨晴初 1996 半导体光电 17 224]

    [3]

    Balamane H, Halicioglu T, Tiller W A 1992 Phys. Rev. B 46 2250

    [4]

    Zhou Z Y, Wang T B, Cheng Z N 1999 Acta Phys. Sin. 48 2228 (in Chinese) [周正有, 王铁兵, 程兆年 1999 物理学报 48 2228]

    [5]

    Stillinger F H, Weber T A 1985 Phys. Rev. B 31 5262

    [6]

    Stich I, Car R, Parrinello M 1991 Phys. Rev. B 44 11092

    [7]

    Wang C Z, Chan C T, Ho K M 1992 Phys. Rev. B 45 12227

    [8]

    Tersoff J 1986 Phys. Rev. Lett. 56 632

    [9]

    Tersoff J 1988 Phys. Rev. B 38 9902

    [10]

    Tersoff J 1989 Phys. Rev. B 39 5566

    [11]

    Baskes M I, Nelson J S, Wright A F1989 Phys. Rev. B 40 6085

    [12]

    Baskes M I 1992 Phys. Rev. B 46 2727

    [13]

    Lee B J 2007 Calphad: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry 31 95

    [14]

    Lenosky T J, Sadigh B, Alonso E, Bulatov V V, de la Rubia T D, Kim J, Voter A F, Kress J D 2000 Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 8 825

    [15]

    Chuang F C, Ciobanu C V, Predescu C, Wang C Z, Ho K M 2005 Surf. Sci. 578 183

    [16]

    Zhou N G, Hong T, Zhou L 2012 Acta Phys. Sin. 61 028101 (in Chinese) [周耐根, 洪涛, 周浪 2012 物理学报 61 028101]

    [17]

    Yaoqi Z, Karplus M, Ball K D, Berry R S 2002 J. Chem. Phys. 116

    [18]

    Nguyen T, Ho P S, Kwok T, Nitta C, Yip S 1986 Phys. Rev. Lett. 57 1919

    [19]

    Lutsko J F, Wolf D, Phillpot S R, Yip S 1989 Phys. Rev. B 40 2841

    [20]

    Wang H L, Wang X X, Liang H Y 2005 Acta Metall. Sin. 41 568 (in Chinese) [王海龙, 王秀喜, 梁海弋 2005 金属学报 41 568]

    [21]

    Oxtoby D W 1990 Nature 347 725

    [22]

    Jakse N, Pasturel A 2005 J. Chem. Phys. 123 244512

    [23]

    Wang J H, Fan K G, Liu Z F, Sun J P, Zhang J G, Wang Z 2007 J. Appl. Opt. 28 645 (in Chinese) [王建华, 范开果, 刘志锋, 孙建平, 张金涛, 王哲 2007 应用光学 28 645]

    [24]

    Huang X M 1997 Physics 26 37 (in Chinese) [黄新明 1997 物理 26 37]

    [25]

    Bazant M Z, Kaxiras E, Justo J F 1997 Phys. Rev. B 56 8542

    [26]

    Howell P C 2012 J. Chem. Phys. 137 224111

    [27]

    Liu Z J, Cheng X L, Zhang H, Cai L C 2004 Chin. Phys. 13 384

    [28]

    Wolf D, Okamoto P, Yip S, Lutsko J, Kluge M 1990 J. Mater. Res. 5 286

    [29]

    He A M, Qin C S, Shao J L, Wang F 2009 Acta Phys. Sin. 58 2667 (in Chinese) [何安民, 秦承森, 邵建立, 王裴 2009 物理学报 58 2667]

    [30]

    Dinsdale A T 1991 Comput. Coupl. Phase Diagram Thermochem. 15 317

    [31]

    Tsao J Y, Aziz M J, Thompson M O, Peercy P S 1986 Phys. Rev. Lett. 56 2712

  • [1]

    Scheel H J, Fukuda T, Wiley J 2003 Crystal Growth Technol (Chichester: John Wiley 8c Sons) p3

    [2]

    Wang Q, Chen Z, Pu S D, Yang Q C 1996 Semicond. Optoelec. 17 224 (in Chinese) [王旗, 陈振, 浦树德, 杨晴初 1996 半导体光电 17 224]

    [3]

    Balamane H, Halicioglu T, Tiller W A 1992 Phys. Rev. B 46 2250

    [4]

    Zhou Z Y, Wang T B, Cheng Z N 1999 Acta Phys. Sin. 48 2228 (in Chinese) [周正有, 王铁兵, 程兆年 1999 物理学报 48 2228]

    [5]

    Stillinger F H, Weber T A 1985 Phys. Rev. B 31 5262

    [6]

    Stich I, Car R, Parrinello M 1991 Phys. Rev. B 44 11092

    [7]

    Wang C Z, Chan C T, Ho K M 1992 Phys. Rev. B 45 12227

    [8]

    Tersoff J 1986 Phys. Rev. Lett. 56 632

    [9]

    Tersoff J 1988 Phys. Rev. B 38 9902

    [10]

    Tersoff J 1989 Phys. Rev. B 39 5566

    [11]

    Baskes M I, Nelson J S, Wright A F1989 Phys. Rev. B 40 6085

    [12]

    Baskes M I 1992 Phys. Rev. B 46 2727

    [13]

    Lee B J 2007 Calphad: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry 31 95

    [14]

    Lenosky T J, Sadigh B, Alonso E, Bulatov V V, de la Rubia T D, Kim J, Voter A F, Kress J D 2000 Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 8 825

    [15]

    Chuang F C, Ciobanu C V, Predescu C, Wang C Z, Ho K M 2005 Surf. Sci. 578 183

    [16]

    Zhou N G, Hong T, Zhou L 2012 Acta Phys. Sin. 61 028101 (in Chinese) [周耐根, 洪涛, 周浪 2012 物理学报 61 028101]

    [17]

    Yaoqi Z, Karplus M, Ball K D, Berry R S 2002 J. Chem. Phys. 116

    [18]

    Nguyen T, Ho P S, Kwok T, Nitta C, Yip S 1986 Phys. Rev. Lett. 57 1919

    [19]

    Lutsko J F, Wolf D, Phillpot S R, Yip S 1989 Phys. Rev. B 40 2841

    [20]

    Wang H L, Wang X X, Liang H Y 2005 Acta Metall. Sin. 41 568 (in Chinese) [王海龙, 王秀喜, 梁海弋 2005 金属学报 41 568]

    [21]

    Oxtoby D W 1990 Nature 347 725

    [22]

    Jakse N, Pasturel A 2005 J. Chem. Phys. 123 244512

    [23]

    Wang J H, Fan K G, Liu Z F, Sun J P, Zhang J G, Wang Z 2007 J. Appl. Opt. 28 645 (in Chinese) [王建华, 范开果, 刘志锋, 孙建平, 张金涛, 王哲 2007 应用光学 28 645]

    [24]

    Huang X M 1997 Physics 26 37 (in Chinese) [黄新明 1997 物理 26 37]

    [25]

    Bazant M Z, Kaxiras E, Justo J F 1997 Phys. Rev. B 56 8542

    [26]

    Howell P C 2012 J. Chem. Phys. 137 224111

    [27]

    Liu Z J, Cheng X L, Zhang H, Cai L C 2004 Chin. Phys. 13 384

    [28]

    Wolf D, Okamoto P, Yip S, Lutsko J, Kluge M 1990 J. Mater. Res. 5 286

    [29]

    He A M, Qin C S, Shao J L, Wang F 2009 Acta Phys. Sin. 58 2667 (in Chinese) [何安民, 秦承森, 邵建立, 王裴 2009 物理学报 58 2667]

    [30]

    Dinsdale A T 1991 Comput. Coupl. Phase Diagram Thermochem. 15 317

    [31]

    Tsao J Y, Aziz M J, Thompson M O, Peercy P S 1986 Phys. Rev. Lett. 56 2712

  • [1] 王鹏举, 范俊宇, 苏艳, 赵纪军. 基于机器学习构建的环三亚甲基三硝胺晶体势. 物理学报, 2020, 69(23): 238702. doi: 10.7498/aps.69.20200690
    [2] 蒋元祺. 难熔金属钒熔化行为的局域原子结构模拟与分析. 物理学报, 2020, 69(20): 203601. doi: 10.7498/aps.69.20200185
    [3] 葛伟宽, 薛纭, 楼智美. 完整力学系统的广义梯度表示. 物理学报, 2014, 63(11): 110202. doi: 10.7498/aps.63.110202
    [4] 惠治鑫, 贺鹏飞, 戴瑛, 吴艾辉. 硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟. 物理学报, 2014, 63(7): 074401. doi: 10.7498/aps.63.074401
    [5] 汪志刚, 黄娆, 文玉华. Pt-Au核-壳结构纳米粒子热稳定性的分子动力学研究. 物理学报, 2013, 62(12): 126101. doi: 10.7498/aps.62.126101
    [6] 李春丽, 段海明, 买力坦, 开来木. Aln(n=13–32)团簇熔化行为的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2013, 62(19): 193104. doi: 10.7498/aps.62.193104
    [7] 张英杰, 肖绪洋, 李永强, 颜云辉. 分子动力学模拟Cu(010)基体对负载Co-Cu双金属团簇熔化过程的影响. 物理学报, 2012, 61(9): 093602. doi: 10.7498/aps.61.093602
    [8] 汪志刚, 黄娆, 文玉华. Au-Pd共晶纳米粒子熔化行为的分子动力学研究. 物理学报, 2012, 61(16): 166102. doi: 10.7498/aps.61.166102
    [9] 兰惠清, 徐藏. 掺硅类金刚石薄膜摩擦过程的分子动力学模拟. 物理学报, 2012, 61(13): 133101. doi: 10.7498/aps.61.133101
    [10] 周耐根, 洪涛, 周浪. MEAM势与Tersoff势比较研究碳化硅熔化与凝固行为. 物理学报, 2012, 61(2): 028101. doi: 10.7498/aps.61.028101
    [11] 田惠忱, 刘丽, 文玉华. [110]Au纳米线在加温过程中结构与热稳定性的原子级模拟研究. 物理学报, 2010, 59(3): 1952-1957. doi: 10.7498/aps.59.1952
    [12] 卢敏, 许卫兵, 刘维清, 侯春菊, 刘志勇. 银纳米杆高温熔化断裂弛豫性能的原子级模拟研究. 物理学报, 2010, 59(9): 6377-6383. doi: 10.7498/aps.59.6377
    [13] 李会山, 李鹏程, 周效信. 强激光场中模型氢原子的势函数对产生高次谐波强度的影响. 物理学报, 2009, 58(11): 7633-7639. doi: 10.7498/aps.58.7633
    [14] 陈育祥, 谢国锋, 马颖, 周益春. BaTiO3晶体结构及弹性的分子动力学模拟. 物理学报, 2009, 58(6): 4085-4089. doi: 10.7498/aps.58.4085
    [15] 文玉华, 孙世刚, 张杨, 朱梓忠. 铂纳米晶在升温过程中结构演化与熔化特征的原子级模拟研究. 物理学报, 2009, 58(4): 2585-2589. doi: 10.7498/aps.58.2585
    [16] 刘建廷, 段海明. 不同势下铱团簇结构和熔化行为的分子动力学模拟. 物理学报, 2009, 58(7): 4826-4834. doi: 10.7498/aps.58.4826
    [17] 孟利军, 张凯旺, 钟建新. 硅纳米颗粒在碳纳米管表面生长的分子动力学模拟. 物理学报, 2007, 56(2): 1009-1013. doi: 10.7498/aps.56.1009
    [18] 王海龙, 王秀喜, 梁海弋. 应变效应对金属Cu表面熔化影响的分子动力学模拟. 物理学报, 2005, 54(10): 4836-4841. doi: 10.7498/aps.54.4836
    [19] 张 林, 王绍青, 叶恒强. 大角度Cu晶界在升温、急冷条件下晶界结构的分子动力学研究. 物理学报, 2004, 53(8): 2497-2502. doi: 10.7498/aps.53.2497
    [20] 戴永兵, 沈荷生, 张志明, 何贤昶, 胡晓君, 孙方宏, 莘海维. 金刚石/硅(001)异质界面的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2001, 50(2): 244-250. doi: 10.7498/aps.50.244
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-12-01
  • 修回日期:  2013-03-15
  • 刊出日期:  2013-07-05

硅熔化特性的分子动力学模拟–-不同势函数的对比研究

  • 1. 南昌大学材料科学与工程学院, 南昌 330031
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 51264032)和江西省自然科学基金(批准号: 20114BAB206037)资助的课题.

摘要: 分别采用Stillinger-Weber (SW)势、修正的成熟原子嵌入模型(MEAM)势、 Tersoff势和HOEP (highly optimized empirical potential)势来描述硅原子间相互作用, 运用分子动力学方法对比模拟研究了四种势函数的硅晶体的体熔化和表面熔化特性. 结果表明: 四种势函数均能反映出硅的热膨胀、高温熔化和熔化时吸热收缩等基本物理规律. 但综合对比发现, Tersoff势和MEAM势相对更适合描述硅的熔化和凝固过程, SW势次之, HOEP势则不适合描述硅的熔化和凝固过程.

English Abstract

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