基于Tersoff势的晶格中波动传播

在晶格间的Tersoff势作用下分别研究了单晶体系和多晶体系中的波动传播特性。首先,在微振动的情况下,分别基于晶格间线性作用、Tersoff势作用以及含缺陷的Tersoff势作用3种势能函数研究了单晶体系中格波的传播,得到了晶格中的色散关系以及格波波速的表达式。其次,分别以碳晶格和硅晶格为例,运用有限差分方法,研究了3种势能作用下单晶体系中的波动传播过程,对比了压缩和拉伸冲击下晶格的运动差异,并讨论了入射速度对位移峰值和受力峰值的影响,揭示了单晶体系中波动传播与连续介质中波动传播的差异。最后,分别以金刚石和碳化硅为例,采用分子动力学模拟方法,研究了多晶体系中的波动传播特性,讨论了不同空间位置原子的运动差异。结果表明:多晶体系中晶格结构更复杂,其中的波动传播特性与单晶体系存在差异;缺陷的存在对波动传播规律影响显著,这种影响在多晶体系中表现得更加突出。

Tersoff-Brenner势函数在纳米碳管研究中的应用

介绍一种以键序概念来描述原子间作用的势函数—Tersoff Brenner势函数表达式和其碳氢系统中的参数化情况 ,综述了Tersoff Brenner势函数在单壁纳米碳管的几何结构优化、力学性能、生长机理等理论研究中的应用 ,并且讨论了这个函数增加长程作用形式 ,以期能够在单壁纳米碳管储氢的理论研究中得到应用。

基于Tersoff-Brenner势的航天器群图形编队研究

从分子动力学模拟角度提出了一种分布式航天器群导航控制方法,可使行星中心开普勒轨道上的航天器群在有限的感知信息条件下自发实现图形编队.该法基于人工势场技术,主要分为两个部分:改造自C-W方程的外围全局汇聚势场和基于Tersoff-Brenner势的局部塑形势场.前者将各航天器导引至预设汇聚点附近,后者进一步使各航天器自我调整彼此相对位置,最终编成期望构型.此外,引入一速度依赖型耗散项以确保任意初始分布条件下图形编队均收敛.通过地球同步轨道上航天器群正四面体构型(含中心,即金刚石结构单元)编队仿真,验证了所提方法的有效性和优越性.将编队脚本简单修改,该法还可方便用于其它类碳元素同素异形体构型的塑造,如石墨晶体结构单元正六边形等.

Tersoff势在小分子团簇几何优化中的应用

深入分析了Tersoff势,并将Tersoff势用于优化由碳硅锗元素构成的双原子分子团簇(C2、CSi、CGe、Si2、SiGe、Ge2)及三原子分子团簇(C3、C2Si、C2Ge、CSi2、CGe2、CSiGe、Si3、Si2Ge、SiGe2、Ge3)的结构,得到了上述这些分子的最稳定结构,并将其中有些结构与从头计算、密度泛函理论和实验值进行了对比;另外,还分析了所得分子的平均结合能、键长和键角等的特点,并总结出一些规律.

Tersoff势函数的几种修正形式

本文介绍一种以键序概念来描述共价键原子间相互作用的势模型—Tersoff势函数,并综述了几种针对Tersoff势函数的不足所提出的修正形式,最后展望了Tersoff势函数的发展方向。

单晶硅AFM加工过程的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法对AFM针尖加工单晶硅进行了研究.工件内部硅原子间相互作用力采用Tersoff多体势计算,工件原子和金刚石针尖原子的相互作用力采用Morse对势计算.本文分析了在不同切削深度下系统势能和牛顿层温度变化情况,对切削力、切屑、侧向流原子跟切削深度的关系进行了系统研究,并在此基础上,对金刚石针尖在单晶硅上的切削机理进行了讨论.

低能入射Si与Si(001)2×1重构表面相互作用过程的分子动力学模拟

利用Tersoff势函数,对300K时初始入射动能为0.03eV的单个Si原子从6个不同位置轰击Si(001)2×1重构表面的动力学过程进行了模拟.分析了入射Si原子的动能变化、势能变化以及其运动轨迹.结果表明:入射原子与表面原子相互作用几个皮秒后即可进入稳定位置,其与基底原子的结合能最大可以达到2.99eV;从位置1,2,3,4入射的原子不能使基底表面的二聚体键断开,而从位置5和位置6入射时,表面二聚体键的断开在入射原子与基底表面原子发生相互作用几十飞秒后即可完成.

两种势下硅锗合金熔体快速凝固过程的分子动力学模拟

分别采用Stillinger Weber(S-W)势和Tersoff势来描述硅锗原子间相互作用,运用分子动力学方法对比模拟研究了硅锗合金熔体的快速凝固过程.通过对径向分布函数、静态结构因子、键角分布函数、配位数、Voronoi多面体以及宏观密度的研究,综合对比发现,Tersoff势和S-W势相比更适合描述硅锗合金的快速凝固过程.

碳纳米管弹性模量的研究

本文从精巧的实验测量和独到的理论计算两方面对碳纳米管杨氏弹性模量的研究方法、实验原理、基本理论、主要发现及意义等进行讨论。实验测量方法主要包括 CNTs 自由端振动法、AFM 探针偏折或拉伸 CNTs 等;理论计算方法主要涉及到连续体模型,分子动力学模拟或两者相结合的混合方法。

单晶硅和单晶铝纳米切削过程比较

采用分子动力学模拟方法进行了单晶硅和单晶铝纳米切削过程的比较研究,硅原子间相互作用力采用Tersoff势计算,铝原子间和工件与刀具原子间相互作用力采用Morse势计算。通过对切削过程中切屑和加工表面、能量和切削力的分析,发现硅发生非晶态相位变换和切屑体积改变,但没有位错和弹性恢复产生;而铝发生的现象却与硅相反。

SiC短程结构的分子动力学模拟

采用Tersoff势函数对晶体、液态、非昌SiC结构进行了分子动力学模拟。模拟的结果表明 :由于C成键的影响使非晶SiC的结构偏离正四面体构型。在晶体中SiC保持长程排列的闪锌矿型结构。液态SiC的模拟得到Si的配位数为 5 64,C的配位数为 3 67,C -C的键角分布在～66°和～ 12 0°有两个峰值 ,表明有相当一部分C是三次配位 ,形成石墨型结构。非晶SiC的结构基本保持了液态SiC的构型 ,但Si和C的配位数下降 ,Si的配位数为 4 2 4 。

金刚石振动特性的分子动力学模拟

利用分子动力学的计算机模拟方法,分别采用Tersoff-B renner势和Tersoff势研究了金刚石的振动特性及空位对金刚石振动特性的影响。结果表明,Tersoff势不能准确地描述金刚石的振动特性,而用Tersoff-B renner势计算得到的金刚石态密度和拉曼谱图与实验结果符合得很好。空位使金刚石的振动特性发生了变化,在态密度和拉曼谱中金刚石峰的右边出现一个较强峰。

基于分子动力学的纳机电开关的静态分析

采用分子动力学方法分析了纳机电开关中碳纳米管悬臂梁的静态特性。仿真中C—C原子间相互作用采用Tersoff-Brenner势函数,C—Cu及Cu—Cu间相互作用采用L-J势函数,并同时采用截断半径和邻域列表法以提高运算速度。首先模拟了纳机电开关的开和关两种工作状态,得出开关的闭合电压为1.0 V,然后模拟了碳纳米管的弯曲变形情况,结果表明,当电压小于1.0 V时,碳纳米管弯曲符合经典弹性理论;当电压介于1.0 V^1.9 V时碳纳米管中出现Stone-Wales变形;当电压达到1.9 V后,碳纳米管中逐渐出现塌陷结构甚至孔洞;当电压达到2.9 V时,碳纳米管完全断裂。最后分析了碳纳米管原子间的受力情况,结果表明,纳机电开关的最薄弱环节是电极与碳纳米管之间的结合处。所得模拟和分析结果为纳结构器件的进一步设计和优化提供了理论依据。

碳纳米管杨氏模量的模拟计算

使用分子动力学和 Tersoff-brenner 多体势,模拟计算单壁碳纳米管的杨氏模量。所计算的单壁碳纳米管的杨氏模量的平均值为704.5 GPa,计算结果与实验值吻合。

C32C60C180、C60@C180富勒烯分子的压缩力学特性

采用Tersoff-Brenner势与L—J势的分子动力学方法，研究了双石墨层作用下C32、C60、C180以及C60@C180富勒烯分子的压缩力学特性。根据计算结果，讨论了几种富勒烯压缩过程中的变形、能量、压缩栽荷等的变化及其差异。研究表明，由于分子几何构形上的差异，压缩时，C180出现了明显的“塌陷”现象，“塌陷”过程中，能量及外载荷一度下降；几种富勒烯压缩时的能量吸收能力排序为：C32〉C60〉C60@C180〉C180，承载能力的排序为：C60@C180〉C180〉C60〉C32。

碳团簇与硅单晶表面重构的蒙特卡罗模拟探索

利用基于经验势(Tersoff势)的蒙特卡罗方法研究碳团簇稳定结构和硅片(100)表面重构这两个物理过程。模拟结果是含有偶数个原子的小团簇是主要由六圆环平铺而成,像石墨片似的平面结构。而含有奇数个原子的小团簇,会在团簇中心生成碳五圆环,团簇的会围绕五圆环卷曲。得到的结论是碳团簇的结构与团簇的幻数有关。模拟硅片表面重构的结果显示硅单晶表面有五种不同的重构模式,并且在不同的温度条件下,这几种重构模式所占的比重也不一样。低温时,硅单晶表面是以无重构的1×1二聚体为主。随温度升高,硅单晶表面出现2×1、c(2×2)、c(4×2)等重构模式。而在高温时,单晶硅(100)表面将出现的一种新的重构方式———吸附二聚体,它很可能是硅片的外沿生长、成核过程的关键。

SiC沿[100]、[110]和[111]晶向断裂的分子动力学模拟

为进一步了解SiC材料力学性能机理,采用Tersoff势对SiC在不同温度下初裂纹前缘沿[100]、[110]、[111]三个不同晶向的裂纹扩展进行了分子动力学模拟.裂纹前缘方向为[100]、[111]晶向的初裂纹扩展模拟结果表明:裂纹扩展方式为脆性解理断裂,低应力下裂纹尖端表面有无序带形成,在保证裂纹张开力作用下,裂纹尖端存在尖锐—钝化—尖锐的扩展过程.裂纹前缘方向为[110]晶向的初裂纹扩展模拟结果表明:裂纹出现明显“取向效应”,裂纹传播方向脱离了原有晶向(约60度)而选择沿其它晶向传播,裂纹扩展比较容易,裂纹断裂面几乎是完美的平面.

3C-SiC短程结构的分子动力学模拟

采用Tersoff势对晶态3C-SiC结构进行了NEV系综的分子动力学模拟,在合适的步数和步长下选用蛙跳法计算该体系的温度、径向分布函数和键角分布,模拟结果表明常温下3C-SiC晶体保持着长程有序闪锌矿结构。蛙跳法适用于NEV线性系综的计算模拟,而不适用于NTV等非线性系综的恒温分子动力学模拟。最后分析模拟过程中的“四位数灾难”是由积分误差累积所致。

裂纹对石墨烯拉伸力学性能影响的数值仿真

为研究裂纹对石墨烯力学性能的影响,以锯齿型石墨烯为研究对象,基于分子动力学方法,采用Tersoff势函数分析裂纹长度对石墨烯拉伸力学性能的影响以及含有裂纹的石墨烯在不同应变率下的拉伸变形破坏过程.结果表明,裂纹长度的增加大大减小石墨烯的抗拉强度和抗拉应变,对弹性模量有一定影响;裂纹降低石墨烯的抗拉应变对应变率的敏感性,但对于含有裂纹的石墨烯,仍可以增大加载速率来提高石墨烯的抗拉性能.

基于第一原理计算拟合Ag、Si和C原子间作用势的研究

为了实现Ag在SiC晶体中扩散的分子动力学模拟,根据第一性原理计算结果,采用"力匹配"方法对Ag、Si和C原子间相互作用势进行拟合,并用晶格常数、内聚能、体弹性模量、弹性常数和缺陷形成能等进行了势函数的验证.结果表明,拟合所得的势对Si、C和SiC晶体的内聚能、晶格常数和体弹性模量的计算非常准确,最大误差不超过0.6%;并且,该势对Si和C晶体中空位与间隙形成能及SiC晶体中Si与C空位形成能的计算值比采用J.Tersoff给出的势的计算值更精确;此外,该势对16种AgSiC三原子体系缺陷形成能的计算也比较精确.