分子动力学模拟实验报告doc

分子动力学模拟实验报告
篇一：分子动力学实验报告 md2
分子动力学实验报告
（ XX 至 XX 学年第_2_学期）
班级：姓名：学号：实验名称：晶体点缺陷成绩：
一、实验目的
计算空位形成能和间隙原子形成能。

探究形成的空位和间隙原子所在的位置
不同其形成能的变化。

以及空位和间隙原子的浓度不同时其空位能和间隙原子形
成能的变化。

二、实验原理
点缺陷普遍存在于晶体材料中，它是晶体中最基本的结构缺陷，对材料的物
理和化学性质影响很大。

根据点缺陷相对于理想晶格位置可能出现的几种主要偏差状态，可将其命名
如下：
（1）空位：正常节点位置上出现的原子空缺。

（2）间隙原子（离子）：指原子（离子）进入正常格点位置之间的间隙位
(本文来自：小草范文网:分子动力学模拟实验报告)
置。

（3）杂质原子（离子）：晶体组分意外的原子进入晶格中即为杂质，杂质
原子若取代晶体中正常格点位置上的原子（离子）即为置换原子（离子），也可
进入正常格点位置之间的间隙位置而成为填隙的杂质原子（离子）。

一般情况下，空位、间隙原子都是构成晶体的原子或离子偏离原有格点所形
成的热缺陷。

在一定温度下，晶体中各原子的热振动状态和能量并不同，遵循麦
克斯韦分布规律。

热振动的原子某一瞬间可能获得较大的能量，这些较高能量的
原子可以挣脱周围质点的作用而离开平衡位置，进入到晶格内的其他位置，于是
在原来的平衡格点位置上留下空位。

根据原子进入晶格内的不同位置，可以将缺
陷分为弗伦克尔（Frenkel）缺陷和肖特基（Schottky）缺陷。

点缺陷都只有一个原子大小的尺度，因此不容易通过实验对其进行直接的观
察。

而且实验方法研究缺陷时利用较多的还是缺陷对晶
体性质的影响。

例如，通
过测量晶体的膨胀率和电阻率的变化规律，即可对点缺陷的存在、运动和相互作
用等方面展开间接的研究。

分子动力学方法对金属材料原子尺度物理和化学过程
的研究具有实验法无法比拟的优势，可直观的模拟和分析晶体中的点缺陷。

若我
们搭建完整晶体的原子个数为N，能量为E1，通过删除和增加一个原子得到空位
和间隙原子，充分弛豫后体系能量为E2，则空位形成能Ev 和间隙原子形成能Ei
分别为：
三、实验过程
（1）进入2_point文件夹
$cd口2_point
（2）运行in.inter文件，得到Cu的八面体间隙原子的图像，以及体系的总
能量的变化，计算出八面体间隙原子的形成能。

$lmp口-i口in.inter
（3）为了使八面体间隙原子的形成能最小，使得八面体间隙原子充分弛豫，
修改八面体插入原子的坐标，改为（0.5,0.25，0.5）
运行文件，得到相应的图
像及体系变化前后的能量，计算出八面体间隙原子的形成能。

$gedit口in.inter
（4）修改输入文件in.inter，将增加的原子坐标改为0.25 0.25 0.25.之后
重复上述步骤，得到四面体间隙原子的图像以及体系能量的改变前后的能量，计
算出四面体间隙原子的形成能。

$gedit口in.inter
（5）再次打开in.inter文件，修改原子的位置，将插入的原子坐标修改为
（0.5,0.25,0.5），再次运行文件，得到相应的图像与变化前后的能量，得到体
系最稳定的状态，此时八面体间隙原子的形成能最小。

$gedit口in.inter
（6）之后继续尝试，加入两个八面体间隙原子，修改坐标使得两个八面体间
隙原子分别在一个晶胞的体心和棱上（坐标分别为（0.5,0.5，,05），（1,1,0.5）），
两个八面体间隙原子在相邻的两个晶胞中的体心（坐标分别为（0.5,0.5，0.5），
（0.5,1.5,0.5）），两个八面体间隙原子在同一个晶胞内的相邻的两条棱上（坐
标分别为（1,1,0.5),（1,2,0.5）），两个八面体间隙原子在相隔较远的两个晶
胞之内（1.5,1.5,1.5），（3.5,3.5,3.5)。

得到相应的效果图并计算出每种情
况下的间隙原子的形成能。

$gedit口in.inter
（7）仿照八面体间隙原子，修改四面体间隙原子的坐标，使得两个原子的相
对位置分别为再同一个晶胞中，两个四面体间隙原子的插入位置分别为为相邻
（两个原子的坐标为（0.25,0.25,0.25），（0.75,0.25,0.25）），在面对角线
上（两个原子的坐标分别为（0.75,0.75,0.25）），在体对角线上（坐标分别为
（0.25,0.25,0.25），（0.75,0.75,0.75））和在相隔较远的两个晶胞中的四面
体间隙原子（坐标分别为（1.25，1.25,1.25），（4.25,4.25,4.25））。

得到
相应的效果图并计算出每一种情况下的间隙原子的形成能。

$gedit口in.inter
（8）改变体系的大小以改变八面体间隙原子的浓度，将晶胞的个数分别改为
3×3×3,4×4×4,5×5×5,7×7×7,8×8×8，分别运行，分别计算出相应的体
系的间隙原子的形成能。

$gedit口in.inter
（9）运行in.vacancy文件，得到空位的图像和体系改变前后的能量，并计
算出空位的行成能。

$lmp口-i口in.vacancy
（10）修改in.vacancy文件，加入
region centerpoint2 block 1 1.05 2 2.05 1 1.05 delete_atoms region centerpoint2
增加一个空位之后运行文件，得到相应的效果图和体系变化前后的能量并计
算空位形成能。

$lmp口-i口in.vacancy
（11）修改in.vacancy文件，改变体系的大小以改变考位的浓度，将晶胞的
个数分别改为3×3×3,4×4×4,5×5×5,7×7×7,8×8×8，分别运行，计算出
每种浓度下空位的形成能。

$lmp口-i口in.vacancy
四、实验结果
1.间隙原子
（1）八面体间隙原子效果图四面体间隙原子效果图：Ev=3.297eVEv=3.618eV
（2）八面体间隙原子能量最低时效果图（呈哑铃形）Ev=3.1197eV
（3）八面体原子对效果图：a（分别在一个晶胞内的体心和棱上），b（在相邻
两个晶胞的体心），c（一个晶胞内的相邻两条棱），d（距离较远的两个晶胞中）
a .Ev=2.92eVb. Ev=3.06eV
c.Ev=2.96eV
d.Ev=3.15eV
（4）四面体间隙原子对效果图：a（同一个晶胞中的两个四面体间隙原子，相邻），b（同一个晶胞中的两个四面体间隙原子，面对角线），c（同一个晶胞中的两个四面体间隙原子，体对角线），d（相隔较远的两个晶胞中的四面体间隙原子）
a.Ev=3.285eV
b.Ev=2.87
c.Ev=3.649eV
d.Ev=3.645eV
篇二：MS计算模拟实验报告
固体结构及电子态计算模拟实验报告
一、实验目的
通过实际操作初步地了解和掌握Materials Studio，特别是其中的Dmol3和Castep模块的工作原理和操作步骤。

通过学习Materials Studio软件，能够自己独立地进行简单的固体结构模型的构造和相关电子结构的计算和分析。

二、实验原理
第一性原理的理论计算的主要理论基础是量子力学的基本方程和相对论效应，在第一性原理的发展过程中，相继提出了变分原理、泡利不相容原理、Hartree-Fock近似、Slater矩阵、关联相互能、密度泛函理论以及含时密度泛函理论等。

其基本思路就是它的基本思想是将多原子构成的实际体系理解为由电子和原子核组成的多粒子系统，运用量子力学等基本的物理原理最大限度地对问题进行“非经验”处理。

密度泛函理论现在已经成为计算凝聚态物理的重要理论基础，并被广泛应用于原子、分子、团簇、固体和表面的几何结构和电子结构的计算。

随着计算机的高速发展，使得计算物理成为可能。

依靠高性能计算机强大的计算能力，市场上研发出了很多基于第一性原理计算（尤其是密度泛函理论方法）的软件包。

其中最具代表性的就是Materials studio。

其模块中的Dmol3程序是一个先进的密度泛函框架下的量子力学程序，它不仅可
以模拟固体、表面、低维体系，而且能够模拟气相和液相。

它可以计算体系的能量，能带结构，态密度，磁性等。

三、实验主要步骤
⑴建立α石英晶体：
①选择P3221空间群；
②确定晶格参数；
③加入Si和O原子，确定相关参数；
⑵ AlAs半导体能带结构及相关计算
①导入AlAs半导体结构，并选择单胞；
②在Dmol3模块中选择Calculation，设置能带结构计算的相关参数；
③计算完毕，选中得到的*.xsd文件；
④在Dmol3没款中选择analysis，选择Band structure 后点击View，得到能带图；⑤同理可以计算AlAs的电子态密度、电子密度等。

四、数据分析及实验结果展示
图为α石英晶体，其中黄色+是硅原子，红色+是氧原子。

如图是Materials studio 7 中系统自带的α石英晶体的空间结构。

发现跟之前做的略有差别，结构图中还包含了Si-O键，其中各个原子在空间上的位置与上图是一一对应的。

为了画出系统自带α石英晶体空间结构图的效果，需
要对图形做一些修饰。

右击背景选择Display Style 可以对atom和lattice的样式作出修改。

在菜单build中选择bond，画出Si-O键后，与系统自带的标准图就十分相似了。

左图是AlAs空间结构图；右图是AlAs在单胞中的空间结构图。

如图，是通过Dmol3模块计算得到的AlAs能带结构（纵坐标的能量单位是Hartree，1Hartree=27.2eV）。

从图中可以看出AlAs的价带顶和导带底之间存在一定宽度的能隙，宽度大约为0.1Ha（2.2eV），能隙宽度正好是半导体材料范围，所以从能带中可以看出AlAs材料是一种半导体。

如图，是通过Dmol3模块计算得到的AlAs电子态密度图。

电子态密度图在-0.4-0.35Ha之间有一个峰，在0-0.1Ha有个谷，基本上和能带结构相吻合。

如图，是通过Dmol3计算得到的电子密度图。

五、体会和评论
Materials studio作为一个成熟的商业化科研软件，的确非常好用，大量的图形界面便于初学者快速上手。

因为研究方向相近（分子动力学模拟）的缘故，平时也经常需要进行大量运算，所用的软件为Gromacs和NAMD。

由于都是开源软件，其使用起来就没有那么方便，都需要在Linux系统下通过命令行来完成任务，图形显示也需要借助第三方软件才
能完成。

分子动力学模拟的理论基础是牛顿第三定律为中心的经典力学，研究原子之间的相互作用，整个体系通常会包含几千甚至几万个原子。

而第一性原理计量是基于量子力学，虽然研究的体系相对小，但是计算量也非常大，对于较为复杂的系统单单依靠PC端是无法完成的，所以特别了解了下，Materials studio也有Linux系统下的版本，支持多核多节点运算。

分子动力学模拟在生物领域也有很大的应用，可以模拟多肽、蛋白质、甚至一段DNA。

随着纳米材料的兴起，生物大分子与纳米材料相互作用，也成为一个热门领域。

可以借助Materials studio强大的建模模块，构造出想要的纳米材料，再讲生成的纳米材料参数输入分子动力学模拟软件，两款软件可以配合使用。

篇三：分子动力学的模拟过程
分子动力学的模拟过程
分子动力学模拟作为一种应用广泛的模拟计算方法有其自身特定的模拟步骤,程序流程也相对固定。

本节主要就分子动力学的模拟步骤和计算程序流程做一些简单介绍。

1. 分子动力学模拟步驟
分子动力学模拟是一种在微观尺度上进行的数值模拟方法。

这种方法既可以得到一些使用传统方法,热力学分析法等无法获得的微观信息,又能够将实际实验研究中遇到的
不利影响因素回避掉,从而达到实验研宄难以实现的控制条件。

分子动力学模拟的步骤为:
(1)选取所要研究的系统并建立适当的模拟模型。

(2)设定模拟区域的边界条件,选取粒子间作用势模型。

(3)设定系统所有粒子的初始位置和初始速度。

(4)计算粒子间的相互作用力和势能,以及各个粒子的位置和速度。

(5)待体系达到平衡,统计获得体系的宏观特性。

分子动力学模拟的主要对象就是将实际物理模型抽象后的物理系统模型。

因此,物理建模也是分子动力学模拟的一个重要的环节。

而对于分子动力学模拟,主要还是势函数的选取,势函数是分子动力学模拟计算的核心。

这是因为分子动力学模拟主要是计算分子间作用力,计算粒子的势能、位置及速度都离不开势函数的作用。

系统中粒子初始位置的设定最好与实际模拟模型相符,这样可以使系统尽快达到平衡。

另外,粒子的初始速度也最好与实际系统中分子的速度相当,这样可以减少计算机的模拟时间。

要想求解粒子的运动状态就必须把运动方程离散化,离散化的方法有经典Verlet算法、蛙跳算法(Leap-frog)、速度Veriet算法、Gear预估-校正法等。

这些算法有其各自的优势,选取时可按照计算要求选择最合适的算法。

统计系统各物理量时,便又涉及到系统是选取了什么系综。

只有知道了模拟系统采用的系综才能釆用相对应的统计方法更加准确,有效地进行统计计算,减少信息损失。

2. 分子动力学模拟程序流程
具体到分子动力学模拟程序的具体流程,主要包括:
(1)设定和模拟相关的参数。

(2)模拟体系初始化。

(3)计算粒子间的作用力。

(4)求解运动方程。

(5)循环计算,待稳定后输出结果。

分子动力学模拟程序流程图如2.3所示。

图2.3分子动力学模拟程序的流程图
4. 分子动力学的发展趋势
分子动力学的发展同其他新事物的发展一样,都遵循着从简单到复杂,从全面到专业的发展历程。

从开始只有几个分子动力学的开创者到现在各个行业的研究者都想应用分子动力学模拟来促进自身行业的发展,分子动力学经历了巨大的发展。

研究者们致力于如何幵发出通用性强,具有强大功能的分子模拟软件,并且将其应用于科学研宄甚至是商业发展。

他们不断研究,认真分析,力求改进分子模拟算法,并且开发出更加准确的能够表示各种系统的势能模型。

另外在分子动力学模拟运算速度上,科学家们也做了许多努力。

众所周知,分子动力学模拟计算要受到计算机性能的限制。

因此,研宄者们将并行计算引入到了分子模拟计算中,克服了单机运算的弱点,大大提高了运算速度。

例如将网络技术与并行计算平台结合形成的一种微机并行机群。

它可以用普通的PC机构建并行平台,兼容性和可扩充性都非常的好,在国内外都得到了广泛的应用。

微机并行机群的使用,使得在成本较低的情况下,计算速度得到提高。

但是,并行计算需要另外编写设计程序,其难度比编写串行程序大很多,因此在编写并行程序上仍有很长的路要走。

近些年来,越来越多的人发现光用单一的模拟方法在处理多尺度问题有很大的局限性。

因此,要想透彻的研宄某个对象,就得从量化、分子动力学和介观模拟多个尺度上进行研究,特别是将这些方法结合起来使用。

例如CPMD[47]模拟方法就是将量化计算与分子动力学模拟方法相结合一种典型的跨尺度方法。

另外,对于同一个研究对象也可以在其不同部分使用不同尺度的方法进行计算,这也是多尺度结合计算研究的一种重要思路。