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若干二元合金系统原子间相互作用多体势的构建及应用

孔令体  
【摘要】:近几十年来,人们发展出了各种非平衡制备技术并成功地获取了大量具有独特性能的非平衡材料。因此,发展相关的材料科学理论,以阐明非平衡材料的微结构、制备工艺以及性能之间的相关性,就成为材料科学面临的一个巨大挑战。为此,材料科学及凝聚态物理领域的研究者们付出了巨大的努力,发展出基于原子互作用经验势的分子模拟和从量子力学出发的电子结构计算方法,以期能构建一套全新的定量的材料科学理论。 在分子动力学模拟中,模拟结果的可靠性取决于原子间相互作用势的准确性;在金属合金系统中广泛采用的是多体势模型。多体势的构建,主要是通过对合金系统中各合金相物理性能的拟合来确定多体势中各待定参数的具体数值。当人们试图对一些合金系统进行研究时,遇到了“不可逾越”的困难:这些系统要么生成热为正,不存在任何中间化合物,要么生成热为负,存在中间化合物,但无相关物理性能数据,从而无法拟合出真实有效的原子间相互作用多体势。 针对这一困难,本论文结合课题组前期研究成果,提出一种将传统拟合方法与第一性原理计算相结合的拟合方法,即第一性原理辅助构件多体势的方法。基本思路是首先借助第一性原理计算方法,获取合金系统中可能存在的若干非平衡相的相关物理性能,再通过对这些性能的拟合来确定出多体势中各待定参数的具体数值。 遵循这一思路,我们分别选取了两个代表性系统:生成热为负但中间相数据缺乏的Ni-W系统和生成热为正不存在平衡中间相的Cu-Ta系统,分别构建出它们Finnis-Sinclair和嵌入原子形式的多体势。拟合所得多体势能够很好地复制出系统中重要的物理性能,表明多体势能够正确反应系统中原子间的相互作用。此外,基于多体势的分子动力学模拟对这两个系统中一些问题的研究结果与相应实验观测符合得很好,既进一步验证了拟合所得多体势的真实有效性,也证实了第一性原理辅助构建多体势方法的可行性。


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