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应用极小值跳跃方法对金团簇结构演化和性质以及硼笼缺陷的研究

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【摘要】: 物质的结果决定其性质,确定物质的结构是物理学、化学、生物学等领域的重要课题。理论模拟是确定物质结构的一个重要手段,全局优化算法是通过计算模拟寻找物质结构的方法。本文较系统地介绍了全局优化算法,着重介绍了在本文中计算模拟用到的极小值跳跃方法。极小值跳跃算法的特点是不依赖体系的热力学性质,其通过分子动力方法完成跨越势垒寻找势能面上的各个局域极小值,并通将寻找的极小值过与寻找过程的历史轨迹记录相比照,避免重复访问势能面上已经搜索过的区域,同时计算过程中通过对分子动力学过程中的计算参数不断自动调节,确保搜索过程有一个较高的接受率,以尽快搜索势能平面找到全局能量最小值及相应的结构。本文包含以下主要内容: (一)、应用极小值跳跃方法,对包含N=13-318个原子的金团簇进行了全局优化,获得了能量全局最小值和近能量全局最小值结构,验证了极小值跳跃方法的可行性和效率。计算结果表明这些粒子数范围内的团簇主要有四种几何构型:无定形结构、五重对称结构、简单面心立方结构、旋转面心立方结构,四种结构的交替演化无明显规律;对近能量全局最小值结构分析表明有大量近全局能量最小值的结构存在,从而解释了实验上观察到的团簇结构并不是单一结构的现象。 (二)、深入分析了金团簇的全局能量最小值结构,发现金团簇中存在着与内部原子几何位置相关的能量台阶。某些团簇中包含一些能量远离能量台阶的原子,即所谓的可弃原子,可弃原子的存在将造成理论计算和实验观察团簇构型的差异。团簇内部界面对团簇总能量没有不利影响。由于团簇内部存在能量阶梯,建议在研究团簇的结构时应该考虑更合理的能量层状分布。 (三)、应用极小值跳跃方法与密度泛函理论相结合的方法,应用局域密度近似和PBE型广义梯度近似,对硼笼(B_(80))的全局最小值和近全局最小值结构进行了计算和分析,得到了六种在B_(80)中可能存在的缺陷,计算了包含缺陷的硼笼与理想结构的比照能。并研究了硼笼增加、减少原子以及弹性形变的影响。计算模拟的结果表明B_(80)对这些缺陷和各种弹性破坏有很好的稳定性,表明B_(80)可能是一种超塑性材料。


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