分子动力学方法ppt课件.pptx

5. 分子动力学原理与方法分子动力学原理与方法2013年年9月月3日日计算材料学本课提纲本节课将向同学位介绍分子动力学的原理和方法。分子动力学简介分子动力学的原本原理分子动力学的计算方法分子运动方程的数值求解边界条件与初值物质的势函数1. 分子动力学简介分子动力学（Molecular Dynamics，简称MD）是用计算机来模拟统计力学的一种计算方法。MD模拟用来研究不能用解析方法来解决的复合体系的平衡性质和力学性质，在数学、生物、化学、物理学、材料科学和计算机科学交叉 学科占据重要地位。对MD使用者来说，牢固掌握经典统计力学、热力学系综、时间关联函数 以及基本模拟技术是非常必要的。分子动力学模拟方法是一种确定性方法，是按照该体系内 部的内禀动力学规律来确定位形的转变，跟踪系统中每个粒子的个体运动；然后根据统计物理规律，给出微观量(分子的坐标、速度）与宏观可观测量（温度、压力、比热容、弹性模量等）的关 系来研究材料性能的一种方法。1. 分子动力学简介分子动力学方法首先需要建立系统内一组分子的运动方程，通过求解所有粒子的 运动方程，来研究该体系与微观量相关的基本过程。根据波恩-奥本海默近似，将电子的运动与原子核的运动分开处理，电子的运动用量子力学的方法处理，而原子核的运动用经典动力学方法处理。原子核的运动满足经典力学规律，用牛顿定律来描述，这对于大多数材料来说是一个很好的近似。 对于一些较轻的原子和分子的平动、转动或振动频率n满hnkBT时，才需要考虑量子效应。1.分子动力学简介使用分子动力学方法计算时，需要三个步骤：建立一个由N个粒子（分子）组成的模型体系，包括系统中的原子，原子间的相互作用势，初始条件和边界条件；求解N个粒子(分子)组成的模型体系的牛顿运动方程，并用统计力学的方法记录每一步原子位置和速度;对模拟结果进行统计分析，得到材料的结构变化和各项性能，如力学性质，物理性能等。1.分子动力学简介Alder和Wainwright于1957年和1959年提出并应用于理想“硬球”液体模型，发现了由Kirkwood在1939年预言的“刚性球组成的集合系统会发生由液相到结晶相的转变”。Rahman于 1963年采用连续势模型研究了液体的分子动力学模拟。Verlet于1967年给出了著名的 Verlet算法，即在分子动力学模拟中对粒子运动的位移、速度和加速度的逐步计算法。1980年Anderson研究了恒压状态 下的分子动力学，提出了等压分子动力学模型。1981年，Parrinello和Rahman给出了恒定压强的分子动力学模型，将等 压分子动力学推广到元胞的形状可以随其中粒子运动而改变的范围。Nose于1984年提出了恒温分子动力学方法。1985年Car和Parrinello 提出了将电子运动与原子核运动一起考虑的第一性原理分子动力学方法。2.分子动力学的原本原理分子动力学模拟是一种用来计算经典多体体系的平衡和传递性质的一种确定性方法。分子动力学中处理的体系的粒子的运动遵从牛顿方程：F=ma。原子i所受的力Fi可以直接用势能函数对坐标r的一阶导数，因此对N个粒子体系的每个粒子有这些方程的求解一般来说需要通过数值方法进行，这些数值解产生一系列的位置与速度对。要求解此方程组，必须要给出体系中的每个粒子的初始坐标和速度。2.分子动力学的原本原理给出原子的初始坐标和初始速度后，以后每一时刻的坐标和速度都可以确定。分子动力学整个运行过程中的坐标和速度称为轨迹（trajectory)。 数值解普通微分方程的标准方法为有限差分法。给定t时刻的坐标和速度以及其他动力学信息，那么就可计算出t + Dt时刻的坐标和速 度。Dt为时间步长，它与积分方法以及体系有关。输人信息包括原子间或分子间相互作用力的势函数， 以及温度和压力等物理环境条件。2.分子动力学的原本原理对得到各时刻的原子位置坐标进行统计计算，则可得到有关的热力学性质(热力学能、比热容等）；同时统计处理各时刻的原子位置坐标和速度，就可得到动力学性质(扩散系数、粘滞系数等)。2.分子动力学的原本原理分子动力学计算的过程如下：输入指定运算条件的参数(初始温度，粒子数，密度，时间步长）；体系初始化(选定初始坐标和初始速度）；计算作用在所有粒子上的力；解牛顿运动方程(第和第步构成了模拟的核心，重复这两步，直到体系的演化到指定的时间。经过统计力学，计算并输出物理量的平均值，及随时间的变化。2.分子动力学的原本原理分子动力学方法只考虑多体系统中原子核的运动，忽略电子运动的量子效应，在很宽的材料体系都较精确；对于涉及电荷重新分布的化学反应、键的形成与断裂、解离、极化以及金属离子的化学键都不适用，此时需要使用量子力学方法。经典分子动力学方法(MD)也不适用于低温，因为量子物理给出的离散能级之间的能隙比体系的热能大， 体系被限制在一个或几个低能态中。当温虔升高或与运动相关的频率降低时，离散的能级描述变得不重要，更高的能级可以用热激发描述。对牛顿物理特征运动频率的初略估计可以根据简谐分析进行。对简谐振动来讲，量子化的能量为hn。显然，经典方法对相对的高频率的运动不适用。3.分子动力学的计算方法分子动力学计算的流程建立计算模型，设定计算模型的初始坐标和初始速度;选取合适的原子间相互作用势函数，以便进行力的计算； 选择合适的算法、边界条件和外界条件;选定合适的时间步长，计算坐标和速度的改变；对计算数据进行统计处理。执行预定步数的循环计算;3.分子动力学的计算方法分子动力学由三个主要部分组成:初始化，运动轨迹和结果分析。初始化要求给每个粒子给定初始坐标和速度。即使初始坐标和速度可以从实验中得到，指定的开始矢量也不一定对应于所使用的势函数的最小值，因此需要进一步的最小化来弛豫应力。初始速度矢量根据伪随机数进行设置，使体系的总动能与目标温度对应，根据经典的能均分定理，在热平衡时，每个自由度的能量为kBT/2。可以通过给速度分量设置麦克斯韦分布或正态分布。3.分子动力学的计算方法当体系的初始坐标和初始速度设置以后，在进行模拟体系的性质以前，首先必须使体系进行趋于平衡的过程。在这个过程中，动能、势能相互转化，当动能、势能、总能量只在平均值附近涨落时，体系就达到平衡了。MD轨迹的无序性是经常出现的，无序行为意味着初始条件的一个微小的变化就会导致在很短时间内指数偏离正常轨迹。初始 条件变化越大或时间步长越长，不稳定性发生的越快。在短时间内，偏差为指数增加，接下来是线性绕阈值振动。大多数MD模拟需要很长的时间步为几万到几十万时间步。3.分子动力学的计算方法时间时间步长和势函数步长和势函数时间步长Dt的选取是非常重要的，不合适的时间步长可能会导致模拟的失败或结果的错误，或者造成模拟的效率太低。时间步长的选取参考原子或分子特征运动频率。势函数是描述原子(分子）间相互作用的函数。原子间相互作用控制着原子间的相互作用行为，从根本上决定材料的所有性质，这种作用具体由势函数来描述。在分子动力学模拟中， 势函数的选取对模拟的结果起着决定性的作用。在选取势函数时，不可盲目选取，要认真考察势函数是否合适。通过文献调研，查明它的出处、应用范围；还要自己验证势函数的好坏，通过模拟材料一些已知的性质来验证，然后再进行使用。3.分子动力学的计算方法力的力的计算方法计算方法在分子动力学模拟中所花费的计算时间，其中90%以上是用来计算作用在原子上的力， 所用时间大致正比于原子数目的平方。一般分子动力学模拟的原子数目较大(几万、几十万甚 至更大），因此对原子作用力进行简化求解是非常必要而有意义的。对于短程力，采用截断半 径法，即只计算力程以内的作用力就可以了，这样大大减少了计算量；而对于像库仑力这样的 长程力，需要找到近似处理办法来减少计算量，其中Ewald求和法就是常用的一种。3.分子动力学的计算方法截断半径法预先选定 一个截断半径rc，只计算以截断半径为球体内的粒子间的作用力；与粒子之间的距离超过截 断半径rc时，则不考虑它们的作用。选择截断半径rc 时，L2rc(L为分子动力学的 周期性盒子的长度）；当系统粒子数量很大时，还可以利用邻域列表法判断粒子的分布 情况，进一步节省机时。对系统中的每个粒子建立邻域 表。计算过程中，每隔一定步数需要更新此表。3.分子动力学的计算方法Ewald 加和法Ewald加和法是Ewald于1921年在研究离子晶体的能量时发展的。一个 粒子与所有其他原子发生作用：这个式子的求和收敛得非常 慢，Ewald在求和时采用了 一个技巧，加快了级数收敛的速度。3.分子动力学的计算方法算法的算法的选取选取在分子动力学的发展过程中，人们发展了很多算法，常见的方法有Verlet算法、Leap-frog和Velocity Verlet算法、Gear算法、Tucterman和Berne多时间步长算法。在这些算 法中，选取的准则、其评判标准中最重要的一点是能量守恒。动能和势能的涨落总是大小相等，符号相反。RMS涨落大约为0. 025 J/mol，动能和势能的RMS涨 落大约为10. 45 J/mol。4. 分子运动方程的数值求解多粒子体系的牛顿方程无法求解析解，需要通过数值积分方法求解，运动方程可以采用有限差分法来求解。将积分分成很多小步，每一小步的时间固定为dt，在时间t时刻，作用在每个粒子的力的总和等于它与其他所有粒子的相互作用力的矢量和。根据此力，可以得到此粒子的加速度，结合t时刻的位置与速度，可以 得到t+dt时刻的位置与速度。这力在此时间间隔期间假定为为常数。作用在新位置上的粒 子的力可以求出，然后可以导出t+2dt时刻的位置与速度等与此类似。分子动力学方程的数值求解有多种方法，各有其优缺点。下面将分别介绍各种常见的计算方法。4. 分子运动方程的数值求解Verlet 算法算法Verlet于1967年提出的，在分子动力学中，积分运动方程运用最广泛的方法。这种算法运用t时刻的位置和速度及t-dt时刻的位置，计算出t+dt时刻的位置r(t+dt)：计算速度有很多种方法，一个简单的方法是用t+dt时刻与t-dt时刻的位置 差除以2dt：Verlet算法简单，存储要求适度，但它的一个缺点是位置r(t+dt)要通过小项与非常大的两项2r(t)与r(t-dt)的差得到，这容易造成精度损失。4. 分子运动方程的数值求解Leap-frog 算法算法Hockney在1970年提出Leap-frog算法。速度表示为：原子坐标的微分可以这样表述为由t-0.5dt时刻的速度与 t 时刻的加速度计算出速度 v(t+0. 5dt)，然后计算出位置r(t+dt）。Leap-frog算法相比Ver-let算法有两个优点:它包括显速度项，并且计算量稍小。它也有明显的缺陷：位置与速度不是同步的。4. 分子运动方程的数值求解速度速度Verlet算法算法Swope在1982年提出的速度Verlet算法可以同时给出位置、速度与加速度，且不牺牲精度：该算法需要储存每个时间步的坐标、速度和力。该方法的每个时间步涉及两个时间步，需要计算坐标更新以后和速度更新前的力。在这三种算法中，速度Verlet算法精度和稳定性最好。力的计算是很费机时,如果内存不是问题，高阶方法可以使用较大的时间步长，因此对计算是非常有利的。4. 分子运动方程的数值求解预测预测-校正校正算法（算法（Gear算法）算法）为了使用尽可能大的时间步长，或者在相同的时间步长时获得较高的精度，可以储存和使用前一步的力，并使用预测-校正算法更新位置和速度。Gear于1971年提出了基于预测 -校正积分方法的算法。首先，根据Taylor展开式，预测新的位置、速度与加速度。然后，根据新预测的位置，计算t+dt时刻的力，然后计算加速度。最后，这加速度再与由Taylor级数展开式预测的加速度进行比较。利用两者之差用来校正位置与速度项。Gear的预测-校正算法需要的存储量为3(O+l)N，O是应用的最高阶微分数，N是原子数目。5. 边界条件与初值边界条件边界条件由于计算机的运算能力有限，模拟系统的粒子数不可能很大。在数值计算中，对于平衡态分子动力学模拟采用周期边界条件。对于分子动力学模拟来说，合适的边界条件的选取需要考虑两个方面的问题。第一，为减小计算量，模拟的单元应尽可能小，同时模拟原胞还应足够大，以排除任何可能的动力学扰动而造成对结果的影响，此外模拟的原胞必须足够大还可以满足统计学处理的可靠性要求；第 二，还要从物理角度考虑体积变化、应变相容性及环境的应力平衡等实际耦合问题。5.边界条件与初值三维周期性三维周期性边界条件边界条件周期性边界条件的选取，如要模拟大块固体或液体时，必需选取三维周期性边界条件。在计算粒子受力时，由于考虑作用势截断半径以及内粒子的相互作用，同时采样区的边长应当至少大于两倍的rc，使粒子i不能同时与粒子j和它的镜像粒子相作用。5.边界条件与初值二维二维周期边界条件周期边界条件在处理物质表面、界面时，对其周期边界条件问题的考虑就变得非常必要了。对于薄膜情况，可使用二维周期边界条件。可以认为薄膜在x-y平面内无限扩展(存在周期性边界条件），而在Z方向受到限制。分子动力学方法恰好适用于在原子尺度上详尽地研究界面的结构。由于采用了这样的人工边界条件，所以在Z轴方向上的原子层数要有适当的数目， 一般考虑的标准线度为45 nm。5.边界条件与初值初值问题初值问题进行分子动力学模拟时，需要建立系统的初始构形。初始构形可以通过实验数据， 或理论模型，或两者的结合来获得。给每个原子赋初速度也是必要的，它可以从模拟的温度下的Maxwell-Boltzmann分布来任意选取。Maxwell-Boltzmann分布是一种Gaussian分布，它可以用随机数发生器得到。6 物质的势函数势函数是表示原子(分子）间相互作用的函数，也称力场。原子间相互作用控制着原子间 的相互作用行为，从根本上决定材料的所有性质，这种作用具体由势函数来描述。势函数的研 究和开发是分子动力学发展的最重要的任务之一。本节主要介绍势函数的简介和分类、主要势函数的介绍以及势函数的建立。6 物质的势函数势函数的简介和势函数的简介和分类分类1903年G. Mie指出势函数应该由两项组成：原子间的排斥作用和原子间的吸引作用。1924年J.E. Lermard-Jones发表了著名的负幂指数的 Lennard-Jones势函数的解析式。1929年R M. Morse发表指数形式的Morse势。1931年M. Bom和J. E. Mayer发表了描述离子晶体的Born-Mayer势函数。随着计算机的发展，20世 纪50年代末60年代初分子动力学在科学研究中开始应用，其中原子间相互作用的选取是分 子动力学模拟的关键。6 物质的势函数Alder和Wainwright在1957年首次应用硬球模型来用于凝聚态系统的分子动力学模拟。在这个模型中，硬球作匀速直线运动，所有的碰撞都是完全弹性的，碰 撞是在当两球的中心之间的距离等于球直径时发生。一 些早期的模拟也用了矩形势，两粒子的作用能当大于截断距离时为零，小 于截断距离s时为无穷大，在两者之间时为常数。6 物质的势函数原子间相互作用势根据来源可分为经典势和第一性原理势；经典势又可根据使用范围分为原子间相互作用势和分子间相互作用势；根据势函数的形式由可分为对势和多体势，6 物质的势函数对对势势对势是仅由两个原子的坐标决定的相互作用，这类相互作用势可以较充分地描述除半导体、金属以外的所有的无机化合物中的相互作用。在分子动力学模拟的初期，人们经常采用的是对势。这种类型的势认为原子之间的相互作用是两两之间的作用，与其他粒子无关。在计算两 粒子之间的作用力时，不考虑其他粒子的影响。对势是分子动力学中使用得最为广泛的势，包括Lennard Jones(L - J)势，Born-Maye 势，Morse 势和Johnson 势。6 物质的势函数Lennard Jones(L - J)势eij表示力的强度的参数，sij表示原子大小的参数。这个形式的势适合惰性气体原子的固体和液体。它表达的作用力较弱，描述的材料的行为也就比较柔韧，也可以用来描述铬、钼、钨等体心立方过渡 族金属。Morse 势Johnson 势Morse势与Johnson势经常用来描述金属固体。Morse 势的势阱大于Johnson势的势阱，并且作用力范围比后者长。6 物质的势函数Born-Maye 势势Born-Maye势主要用于处理离子晶体的模拟计算。Born在提出这个势模型时，设想离子间存在长程库仑力和短程的排斥力，任意两个离子间的势函数为：第一项为长程库仑势，第二项为短程排斥势， 没有固定的解析表达式。Bom-Maye-Huggins势将这一项写成：式中，A，C，n通过计算或实验值的拟合来确定。6 物质的势函数适应金属、合金的多体适应金属、合金的多体势势对势固有的缺点无法取得根本性的突破， 对势导致了 Cauchy关系，即C12 =C44。对于具有较强相互作用的多粒子体系，其中一个粒子状态的变化将会影响到其他粒子的变化，不是简单的两两作用，而是多体相互作用。对势固有的缺陷，导致人们探索新的势函数 来克服这些缺陷。在八十年代初期多体势开始出现。Daw和Baskes首次提出了嵌入原子法 (Embedded Atom Method (EAM)。Finnis 和 Sinclair 根据密度函数提出了与 EAM基本一样的F-S势，并阐述了如何从实验数据建立该势的方法。6 物质的势函数EAM势的基本思想是把晶体的总势能分成两部分:一部分位于晶格点阵上的原子之间的相互作用对势，另一部分是原子镶嵌在电子云背景中的嵌入能。构成 EAM势的对势与镶嵌势的函数形式都是根据经验选取。在嵌人原子法中，晶体的总势能可以表示为：第一项Fi是嵌人能；第二项是对势项，根据需要可以取不同的形式。ri是除第i个原子 以外的所有其他原子的核外电子在第i个原子处产生的电子云密度之和。对于不同的金属，嵌人能函数和对势函数需要通过拟合金属的宏观参数来确定。6 物质的势函数Finnis 和和 Sinclair 势势1984年Firmis和Sindair根据金属能带的紧束缚理论，发展了一种在数学上等同于 EAM的势函数，并给出了多体相互作用势的函数形式。 Ackland等在此基础上通过拟合金属的弹性常数、点阵常数、空位形成能、聚合能及压强体积关系给出了 Cu，Al，Ni，Ag的多体势函数。式中，c为截断距离参数，c0，c1，C2必须通过具体材料的实验参数进行拟合得到。6 物质的势函数Johnson的分析型的的分析型的EAM势势Johnson在Baskes等的基础上，将电子密度用一个经验函数来表示，给出了对势和嵌入能的函数形式，通过拟合金属的物理性能参数，建立起势参数与物理参数对应关系的解析表示式，由此导出了特定结构金属及其合金的分析型的EAM势。要确定EAM势需要确定三个函数:嵌人函数F(r)、对势函数f(r)和原子电子密度分布。Johnson对特定结构金属设定了具体的函数形式，通过拟合金属的结合能、弹性常 数、单空位形成能来确定函数中的待定常数，从而给出了金属与合金的EAM势的解析形式。6 物质的势函数共价晶体的作用共价晶体的作用势势Stillinger-Weber (S-W)势：对于Si，Ge等半导体,其键合强度依赖于周围原子的配置，S-W势的表达形式为：二体势的具体形式为三体势由三个原子间的距离和角度关系构成，形式为