分子动力学实验报告md2

1、分子动力学实验报告（2014至2015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，可将其命名空位：正常节点位置上出现的原子空缺。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，杂质如下:(1

2、)(2)置。(3)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

3、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,能量为日，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E 分别为：三、实验过程（1）进入2_point文件夹$cd 口 2_point（2）运行er 文件，得

4、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。$lmp 口 -i 口 er（3）为了使八面体间隙原子的形成能最小，使得八面体间隙原子充分弛豫， 修改八面体插入原子的坐标，改为（0.5,0.25 ，0.5 ）运行文件，得到相应的图 像及体系变化前后的能量，计算出八面体间隙原子的形成能。$gedit 口 er（4） 修改输入文件er ，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 er

5、（5） 再次打开er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 er（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,

6、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 er（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

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

8、的行成能。$lmp 口 -i 口 in.vacancy（ 10）修改 in.vacancy 文件，加入region centerpoint2 block 1 1.05 2 2.05 1 1.05delete_atoms region centerpoint2增加一个空位之后运行文件，得到相应的效果图和体系变化前后的能量并计 算空位形成能。$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3X 3X 3,4 X 4X 4,5 X 5X 5,7 X 7X 7,8 X 8X 8,分别运行，计算出 每种浓度下空

9、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=3.618eV&=3.297eV&=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 后=2.92eVb. Ev=3.06eV（2）八面体间隙原子能量最低时效果图（呈哑铃形）c.EV=2.96eVd.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

10、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）:闊!? ss t-woeeeo 亠:”:2rb.Ev=2.87a.&=3.285eVc.&=3.649eVd.Ev=3.645eV(5) 空位原子E v=1.2574eV(6) 空位对Ev=1.185eV(7) 故可以得到下表:一个间隙原子：类型四面体间隙八面体间隙八面体间隙(充分弛豫)Ev (eV)3.6183.2973.1197八面体间隙原子对:类型一个体心，一个棱上相邻晶胞的体心一个晶胞相邻棱较远两个晶胞的体心两个哑铃形Ev2.92eV3.06eV2.96eV3.15eV2.8

11、1eV四面体间隙原子对类型同一晶胞相邻同一晶胞面对角线同一晶胞体对角线相隔较远两个晶胞Ev (eV)3.2852.873.6493.645改变体系大小对八面体间隙原子形成能的影响晶胞大小3X 3 X 34X 4 X 45 X 5X 56X 6 X 67X 7X 78 X 8X 8Ev ( eV)3.392643.3297033.307443.296563.2908253.287503空位原子类型一个空位原子相邻空位原子对Ev (eV)1.257461.184714改变体系大小对空位原子形成能的影响晶胞大小3X 3 X 34X 4 X 45 X 5X 56X 6 X 67X 7X 78 X 8X

12、 8Ev (eV)1.2600341.2583171.2577231.257461.2573431.25285418一个空位和一个间隙原子:类型一个四面体和一个空位一个八面体和一个空位能量差4.3686eV4.3481eV五、实验结果与分析1. 从实验结果来看八面体间隙原子的形成能要比四面体间隙原子的形成能 更小，这是符合理论值的，因为八面体间隙要比四面体间隙的体积要大， 因此原 子处在八面体间隙中会更加稳定。 改变八面体间隙原子的坐标，使其充分弛豫后 能量会变得最小。2. 八面体间隙原子对中每一个间隙原子的形成能要小于一个八面体间隙原 子的形成能，这说明两个八面体间隙原子之间是会相互影响的，

13、 如果形成了一个 八面体间隙原子，会使另一个八面体间隙原子的形成能降低。 而且两个八面体间 隙原子之间的距离越远，其影响也就越小。而且两个充分弛豫的八面体间隙原子 的形成能是最小的。这也是可以由前面的实验推导出来的。3. 对于四面体间隙原子对而言，所表现的规律并不如八面体间隙原子对那么明显，其形成能有的降低，有的升高，可能是因为四面体间隙比八面体间隙要小， 导致当形成四面体间隙原子对的时候作用效果要更为复杂，导致规律不是那么明显，而且从图像中可以看到有的情况下虽然插入原子的时候是插入的四面体间 隙，可是最后通过原子之间的相互作用之后原子已经不再原来的位置了， 显然原 子是通过相互作用势处在了一

14、个能量较低的位置。 但是当两个四面体间隙原子的 距离较远的时候，两个四面体间隙的形成能接近一个四面体间隙原子的形成能， 这说明距离越远其相对影响越小。4. 改变体系的大小，使得八面体间隙原子的浓度改变。可以看到当体系越大 时，即八面体间隙原子的浓度越小时此时， 八面体间隙原子的形成能约低。 但由 于只有一个八面体间隙原子， 此时减小或增加晶胞的个数相当于减少或增加了与 间隙原子作用的原子个数， 可以预见当体系逐渐增大， 整个体系的边长大于原子 的截断距离时， 形成能量便不再变化。 因此，如果没有别的八面体间隙原子的作 用，且体系的大小有限，那么浓度越小，越容易形成八面体间隙原子。5. 空位的形

15、成能要低于间隙原子的形成能。且如果有两个空位，其形平均成 能要低于一个空位的形成能， 这说明两个空位会有相互的影响， 第一个空位形成 后会降低第二个空位的形成能。6. 改变体系的大小，会发现和间隙原子相同的规律，即体系越大其形成能越 小。说明在没有其他的空位的影响， 且体系的大小有限的情况下， 空位的浓度越 小，其形成能约小，越容易形成空位。7. 当体系中既有空位又有间隙原子时，体系变化前后的能量之差相对稳定， 不管间隙原子是四面体间隙原子还是八面体间隙原子， 能量的变化都相差的不太 大。六、实验结论1.八面体间隙原子的形成能要比四面体间隙的形成能小。2. 经过充分弛豫后的八面体间隙原子的形成能要比未弛豫的形成能小。3. 两个八面体原