计算机模拟在纳米材料研究中应用

本科毕业论文题 目：计算机模拟在纳米材料研究中的应用院 （部）： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号：指导教师： 完成日期：山东建筑大学毕业论文I目 录摘 要 .IIIABSTRACT .IV1 前 言 .11.1 研究背景 .11.2 基本理论及方法 .11.3 研究现状 .11.4 材料结构和性能的计算模拟方法 .21.5 计算模拟方法在纳米材料领域的研究进展 .22 纳米科技及纳米材料 .42.1 纳米科学和技术 .42.1.1 纳米科技的定义 .42.1.2 纳米科技的内容 .42.1.3 纳米科技的内涵 .42.2 纳米材料 .62.2.1 纳米材料的定义 .62.2.2 纳米材料的分类 .62.2.3 纳米材料的结构 .62.2.4 纳米材料的性质 .72.2.5 纳米材料的应用 .82.3 纳米材料的前景 .93 计算材料学简介 .113.1 第一性原理与从头计算方法 .113.2 分子动力学 .123.3 从头算分子动力学 .133.4 蒙特卡罗方法 .143.4.1 随机数与伪随机数 .15山东建筑大学毕业论文II3.4.2 随机性问题的模拟 .163.4.3 蒙特卡罗方法与材料模拟 .173.5 其他计算技术和算法 .174 计算机模拟研究常用软件 .194.1 ANSYS.194.2 Hyperchem.194.3 Cerius.204.4 Gaussian.204.5 Materials Studio.204.6 Dmol3.215 计算机模拟在纳米材料研究中的具体应用 .235.1 在纳米材料结构研究应用 .235.2 在纳米材料力学性能的研究应用 .235.3 在纳米材料热学性能的研究应用 .245.4 在纳米材料电学性能的研究应用 .255.5 在纳米材料磁学性能的研究应用 .265.6 在碳纳米管研究中的应用 .265.7 在分子筛研究中的应用 .276 结 论 .28谢 辞 .29参考文献 .30山东建筑大学毕业论文III摘 要计算模拟技术作为科学研究的重要手段，已被应用于多方面的学术研究，并取得了丰硕成果。特别是在用实验观测方法观测单个原子、分子运动情况无法实现时，计算机模拟方法就具有重要的意义。此外，在对理论结果如何与自然现象的本质相联系，或者是简单近似无法给出正确结果，甚至对结果无法判断的情况下，利用计算机模拟方法也会带来极大的便利。由于纳米材料独特的性能和广泛的应用前景，其结构与性能的研究已成为材料科学、物理学和化学等众多交叉学科的研究焦点。其研究内容涉及到纳米材料的制备、微观结构表征、性能和应用等方面。随着计算机技术的进步，计算机模拟已成为一种有力的研究手段而广泛应用于纳米材料科学的研究。同时纳米材料的计算机模拟也成为纳术科技领域中广泛关注的课题。关键词：计算机模拟；纳米材料；计算材料学山东建筑大学毕业论文IVThe Application of the Computer Simulation in the Study of NanomaterialsABSTRACTAs an important means of science research,computer simulation technology has been applied in many aspects of the academic research and has achieved fruitful results. Computer simulation method has important significance especially for observing the movements of individual atoms and molecular,which experimental ethods can not. In addition,on the relationship of the theory and natural phenomenon essence,and the situation of unable to give accurate results even for can not judge the results,using computer simulation method will bring great convenience.As nanometer materials have unique properties and wide application,the research of its structure and performance has become the focus of material science,physics and chemistry disciplines research. The study content involves the preparation of nano materials,microscopic characterization,properties and applications. With the progress of computer technology,computer simulation has become a powerful research tools,widely used in nanometer material science research. Now,the computer simulation research of nanometer materials has become a widespread concern operation in the field of nano science and technology.Key Words:Computer simulation；nanomaterials；Computational Materials Science山东建筑大学毕业论文V山东建筑大学毕业论文11 前 言1.1 研究背景近年来，计算机模拟作为一种有效的研究方法已经广泛地应用于材料科学尤其是纳米材料的研究中。在纳米材料的微观结构、力学、热学、电磁学等性能的研究中取得了成功。计算机模拟是根据研究的实际体系，在计算机上进行模型实验。它基本上不受实验条件、时间和空间的限制，具有极大的灵活性和随意性。目前，纳米材料结构与性能的计算机模拟研究成为纳米科技领域中广泛关注的课题，使材料科学研究从传统的“试错”变为基于原理的一门定量科学 1。1.2 基本理论及方法纳米材料的计算机模拟是基于原子论模型，把纳米材料看作是许多单个原子的聚集体，并且把每个原子都作为独立的研究单元，然后应用经典力学或统计力学描述单个原子的规律，利用固体理论预测纳米材料的结构和性能。目前常采用的有分子动力学方法和蒙特卡罗方法等方法。计算机模拟的应用研究使材料科学研究从传统的“试错”变为基于原理的一门定量科学。计算机模拟基本上不受实验条件、时间和空间的限制，具有极大的灵活性和随意性。由于计算机模拟方法允许我们研究复杂系统，深入了解纳米材料行为，因此就提供了一个标准，可以用来比较各种纳米材料的近似理论。同时，计算机模拟也允许对模型和实验进行比较，不仅提供了评估一个模型的正确与否，而且可以通过计算机模拟的结果预测有希望的实验方案，提高实验效率，节省实验开支。在许多情况下用计算机模拟比进行实验要快要省，而且借助计算机模拟的结果，可以预言新的结构、性能和现象。1.3 研究现状目前纳米材料科学作为纳米科技最具有活力、最具研究内涵的学科，我国在各种纳米材料的制备，纳米复合材料性能方面研究取得了瞩目的成果，但在理论和模拟方面尚不及欧美和日本等国。国外有些纳米材料已从基础研究转化为实际应用对象。我国计划设立了“新材料模拟设计实验室” ，纳米材料科学技术领域要实现创新，无疑应该把纳米材料模拟设计放在应有的位置上，创造性地发展计算机模拟的模型和方法。在纳米材山东建筑大学毕业论文2料性能的模拟研究中，其性能的分析主要是根据其结构组态等模拟计算的，在很大程度上也反映了纳米材料的外在性能与内在结构之间有一定的定量关系，所以人们开始广泛关注其结构与性能关系，并阐明其复杂性。目前，纳米材料还未形成完整的理论体系加上计算机技术的限制，纳米材料更广泛的结构、性能及其相互关系模拟研究还比较困难。在以后研究中必须进一步发展纳米材料的物理模型，特别是对纳米材料结构和性能模拟研究的评价方法，以便对纳米材料的结构和性能进行更广阔的计算机模拟。相信这样的学科时代必然会到来，科学家掌握纳米材料结构和性能的内在规律，对其进行微观结构的设计与控制，通过直接操作安排原子、分子创造新的物质 2。1.4 材料结构和性能的计算模拟方法目前材料的结构和性能的计算模型一般有两种：连续体模型和原子论模型。连续体模型就是把材料看作连续的介质。采用的方法大多是有限元方法，其研究对象有限小的单元。原子论模型把材料看作许多单个原子的聚集体。它的研究对象则是单个原子。材料的各个宏观量则由所有原子的统计量给出。目前经常采用的原子级模拟方法有分子动力学方法(Molecular Dynamics)、蒙特卡罗方法(Monte Carlo)和晶格动力学方法(Lattice Dynamics)。1.5 计算模拟方法在纳米材料领域的研究进展纳米领域目前主要采用的模拟主要是原子级模拟，并已取得很大的进展。利用分了动力学方法模拟了单层碳纳米管的在压缩、弯曲、扭转载荷作用下的屈服。有科学家模拟了液体会属吸附促进裂尖位错发射的机制；模拟了纳米铁的热力学性能；模拟了压结条件下晶体铜中微裂纹的愈合过程；计算了纳米镍单晶剪切强度随尺寸一变化的规律；研究了晶体铜裂纹尖端的位错发射过程以及位错发射不稳定堆垛能。还有科学家利用分子动力学模拟了零温下晶体铜(200000 到 3500000 个原子)中位错相互交截的过程；模拟了纳米多晶体铜晶粒尺寸对晶粒、晶界微观结构的影响；模拟了纳米铜丝的拉伸过程；模拟了在金探针作用下自组装膜的纳米摩擦特性。运用分子自组装技术自制的室温单电子器件进行了 Monte Carlo 模拟。采用巨正则系统的蒙特卡罗方法(GCMC)模拟常温时氢气在单壁碳纳米管中的吸附过程。采用分子动力学方法和混合的 Finnissinclain 势山东建筑大学毕业论文3模拟了低能 Cu6 团簇在 Cu(001)表面和 Au(001)表面的沉积 3。一些学者试图把用于连续体模拟的有限元法、边界法用于纳观领域的研究加利弗尼亚大学的 Lou JF 等人利用边界元法对 (BEM)对均匀压力下的两层膜系统的界面应力与薄层厚度和材料的关系已经被详细的研究 4。并且正在进行将这种方法运用来解决多层膜的问题的研究。Fivel MC 等人运用连续力学与 3 维离散理论处理弹塑性问题提出了一种有限元与离散动力学模拟相结合的新方法。纳米材料领域的计算模拟方法主要采用原子缴模拟技术。原子级模拟的明显的优点就是能够提供局部缺陷区不规则原子排布原子运动轨迹的非线性精确解这些原子级的运动细节能够描述材料宏观行为的畸变。不足之处就是在远离缺陷的区域有大量的多余自由度在计算过程中对微机容量及计算速度要求很高般最多只能模拟 5 万个原子就只有几十个晶粒只能研究材料内部微观结构局部的力学性质。而大家普遍关心的是纳米材料的宏观力学性能以及宏观力学性能与材料的本构结构(包括组成材料的颗粒度、密度、缺陷、位错等)的关系和作用机理。原子级模拟技术对材料的宏观力学性能无能为力 5。山东建筑大学毕业论文42 纳米科技及纳米材料2.1 纳米科学和技术2.1.1 纳米科技的定义 纳米科技是 20 世纪 80 年代末诞生并正在崛起的新科技。是一门在 0.1100nm 尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸（ ）范围内认识和改造自然。最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子m7-9-10而创造特定功能的新物质。纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的。是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分 6。2.1.2 纳米科技的内容纳米科技主要包含：纳米物理学；纳米电子学；纳米材料学；纳米机械学；纳米生物学；纳米显微学；纳米计量学；纳米制造学2.1.3 纳米科技的内涵纳米科技不仅仅是纳米材料的问题。目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合可产生众多的新的学科领域并派生出许多新名词。这些新名词所体现的研究内容又有交叉重叠。若以研究对象或工作