Ⅱ-Ⅵ族化合物中原子间的多体相互作用势及其在分子动力学模拟中的应用

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要进行计算机模拟关键性的一步就是原子间相互作用势的选取,原子间的相互作用势决定了体系的微观结构和物理、化学性质,是所有有关原子水平上的计算机模拟的基础,它不仅决定了计算机模拟时所需的机时,而且还将直接影响着模拟结果的准确性。在一定的物理模型的基础上发展相应的原子间相互作用势,进而研究材料的性质和不同状态下的行为,已经成为材料研究中一种必要的研究手段。原子间的势函数的发展经历了从对势到多体势的过程,对势认为原子之间的相互作用是两两之间的作用,与其它原子的位置无关,而实际上,在多原子体系中,一个原子的位置不同,将影响其它原子间的有效相互作用,所以,多体势能更准确地表示多原子体系势函数。  本文在对CdS,CdSe,CdTe三种闪锌矿结构的Ⅱ-Ⅵ族化合物进行分子动力学模拟,选取了Morse,Stillinger-Weber两种相互作用势进行对比研究,Morse的参数取的是已有研究的参数,Stillinger-Weber势的参数是用已有研究的势能数据模拟得到的,主要研究结果如下:  (1)选取Morse势函数进行模拟时,发现模拟后晶体结构发生了变化,不再是初始的闪锌矿结构。从而得出Morse势不适合用来描述Ⅱ-Ⅵ族化合物,不能使其结构保持稳定。  (2)选取Stillinger-Weber势对CdS进行模拟时,发现其停止标度后,能达到稳定,结构也能保持初始的闪锌矿结构。所以Stillinger-Weber势可以用来描述Ⅱ-Ⅵ化合物,能使其结构保持稳定。  (3)在不考虑三体部分的影响时,在停止标度后,系统的温度也会随着模拟时间的增加而升高,因此Stillinger-Weber势的三体部分是保持闪锌矿结构的关键,这与SW势在C、Si、Ge中的应用结果相似,取cos(θ)=-1/3,从三体部分的数学形式可以看出,它将强烈地维持中心原子与两个近邻原子之间的夹角稳定在109.47°。从而有助于保持金刚石结构的稳定性。  (4)从势能随温度的变化的曲线可以看出,在发生相变的时候,势能突然升高,并出现过热现象。从三体部分占总势能和两体部分势能的绝对值随温度的变化可以看出,在发生相变的时候三体部分所占比例也升高,跟势能随温度变化的趋势一样。三体部分在温度低时所占比例较小,这是由于在温度较低时,分子运动不太激烈,原子偏离闪锌矿结构也不明显,而三体部分是维持这种结构的基础,所以三体部分对势能的贡献也小,当温度升高时,原子运动加剧,偏离闪锌矿结构越多,要维持闪锌矿结构,三体部分的作用就得增加,所以所占比例增加。当发生相变后,物质已由晶体结构边成了液体,不再是闪锌矿结构,所以三体部分所占比例突然增大很多。  (5)从单个原子的运动轨迹图也可以看出,在发生相变前,原子基本在初始位置做微小的振动,当发生相变时,原子运动激烈了很多。  对于CdSe和CdTe具有与CdS相同的各种性质,综上所述,Stillinger-Weber势比Morse更适合用来描述Ⅱ-Ⅵ族化合物。
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