lammps实例2.pdf

LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）是一款功能强大的分子模拟软件，它支持多种势能模型，能够高效地处理软材料和固体物理系统的模拟。在本实例中，我们将关注如何使用LAMMPS来计算金属中的点缺陷，特别是空位和间隙原子的形成能。 我们来理解什么是空位。在晶体结构中，当一个原子从其正常的位置移除后，形成的空位会导致周围原子的重新排列以降低系统的势能。为了获得稳定的结构，我们需要对系统进行能量最小化，这通常通过LAMMPS提供的两种方法之一实现：共轭梯度（cg）或简单的下降（sd）。在这个例子中，我们选择使用sd进行能量最小化。 LAMMPS的输入文件（in.vacancy）定义了模拟的参数。例如，单位设置为“metal”，以适应金属材料的特性。边界条件设置为“p p p”，表示在三个维度上都采用周期性边界。原子风格设为“atomic”，表明我们处理的是单个原子。接着，我们指定了面心立方（fcc）结构的晶格常数，并创建了一个4×N×N×N的晶体。N由lattice命令指定。然后，通过region、create_box和create_atoms命令定义模拟盒并填充原子。这里选用EAM（Embedded Atom Method）的合金势模型来描述铜的相互作用，具体为jin_copper_lammps.setfl文件。 在删除一个原子（空位）后，我们使用min_style sd进行能量最小化，设置了一系列参数以达到所需的精度。在模拟过程中，我们计算了系统的总势能、总原子数，以及每个原子的势能、动能和近邻原子数。这些信息通过dump命令被记录到文件dump.atom中。模拟步长设为0.005fs，运行1步，完成空位的形成。 计算空位形成能Ev，我们可以比较完整晶体（E1）和含有空位的松弛晶体（E2）的能量。忽略熵的影响，空位浓度[n]与空位形成能Ev的关系为[n] = exp(-Ev / kBT)。通过E1/N（内聚能Ecoh）和E2的差异，我们可以求得Ev。在这个示例中，对于32000个原子的体系，得到的空位形成能约为1.26 eV，与实验值1.28 eV相符。 此外，我们还可以用这个关系计算不同温度下的空位浓度。例如，在300K和1350K（铜的熔点Tm），我们可以根据上述公式估算出对应的空位浓度。这个过程涉及到温度的单位转换，1 eV相当于1.1604×10^-4 K。 总结来说，LAMMPS实例2演示了如何利用该软件模拟金属中的空位形成，并计算其形成能。通过能量最小化、势能计算和空位浓度的理论推导，我们可以验证模拟结果与实验数据的一致性，从而对材料的性质有更深入的理解。