【教程】切割过程的ReaxFF分子动力学模拟

文摘   科技   2023-11-27 16:52   北京  


模型说明

体系分为两部分:切割刀具、被切割材料。

切割刀具是没有周期性的,以团簇代替;被切割材料为一维周期边界,从侧面切割。一般不应该在具有周期性的方向切割,否则容易会出现切割刀具与切割材料本身原子重叠的问题。具体可以参考:周期边界条件

被切割材料一般是固定的,因此需要将体材料底部的几层原子固定住,但是固定住的原子是静止的,因此谈不上系综、温度等,从而设置模型的时候,需要单独将固定的原子之外所有原子设置为一个Region1,设置系综的时候,只对这个Region1包含的原子设置系综;切割刀具也是有温度的,因此属于前面说的Region1的一部分,但是刀具本身有一个整体运动速度,即刀具原子自身除了各向同性的热运动之外,还有一个整体的移动速度,因此需要将刀具设置为Region2。


参数设置

这里我们以金刚石切割 SiC做演示,SiC作为被切割的材料(将底部2层原子固定,防止SiC漂移),金刚石作为“刀具”。


建模的过程这里掠过,参考:建模


View → Axes 显示坐标轴:



垂直于屏幕方向是周期性的,所以这是一根无限长的SiC棒,金刚石从侧面向左切割。力场我们选择的SiC,不过只是为了演示切割的模型,是否该力场最适当,这里不讨论。

因此我们固定SiC底部2层原子:选中底部2层原子 → Model → Geometry Constraints and PES Scan → 点击Fix position前面的 + 将其固定。

然后Selection → Invert Selection反选,然后未固定的所有原子设置为一个Region,命名为 AllExceptFixed,并将金刚石设置为 Region 名为 Move(创建Region的操作如果不熟悉,可以参考:如何创建分区):



设置分子动力学参数:



注意其中Atoms in Region选择的是AllExceptFixed,即除了固定住的2层原子外所有原子。

然后设置刀具运动速度, Model → NEMD vilocities and forces:



其中Region选择的是Move,即金刚石这个Region。速度方向选择XYZ,并输入速度矢量的3个方向分量。

这里为什么知道刀具运动方向是-0.005 0 -0.005呢?我们选中2个原子作为方向,这两个原子的坐标的x、y、z差值为:2.175、0、2.175,因此我们知道这个方向是X、Z相等,Y为0,至于速度具体多大?要么通过实验换算,或者通过多次模拟尝试得到一个比较合理的数值。而根据坐标轴的方向,我们知道向左切割的话,应该是负值。

保存作业并运行即可。


结果查看

SCM → Movie,即可查看:





换个视角:


补充说明

  • “刀具”的移动也可以通过其他方式,例如将刀具的一部分原子踢出系综,例如刀具顶部的2层原子,只对这部分原子设定固定移动速度,从而带动整个“刀具”的移动。SiC底部原子仍然固定。设置系综的原子,就只包含SiC上方的原子,以及刀具下方的原子。

  • 该功能也适用于基于机器学习势、DFTB、BAND-DFT等的分子动力学模拟。

  • 对特定区域施加力与本文中施加速度的设置方式非常相似,只需要在Model → NEMD vilocities and forces中Apply vilocities替换为Apply forces即可。不过注意力的单位牛,是一个宏观单位,因此在微观颗粒上施加的力就非常小,例如:



不过施加力的话,刀具无法被固定,因此是有可能翻滚、跳跃的。对本例而言,可以考虑在切割材料上做一个切口,放入刀具后,再增加一个Y方向的压力,应可避免翻滚、跳跃。总之,应灵活运行施加外力、恒定整体速度等。


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