Потенциалы Терсоффа, Бреннера — различия между версиями
Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
(Новая страница: «** Потенциал Терсоффа Энергия системы частиц задается с помощью выражений: <math>E = \sum_i E_i = \fr...») |
(→Потенциал Терсоффа: В определении n была пропущена точка, отделяющая целую и дробную часть) |
||
(не показаны 22 промежуточные версии 8 участников) | |||
Строка 1: | Строка 1: | ||
− | + | [ТМ|Кафедра ТМ]] > [[Научный справочник]] > [[Потенциалы взаимодействия]] > [[Многочастичные силовые потенциалы взаимодействия | Многочастичные силовые]] > [[Потенциалы Терсоффа, Бреннера | Терсоффа, Бреннера]]<HR> | |
− | Энергия системы частиц задается с помощью выражений: | + | == Потенциал Терсоффа == |
+ | |||
+ | Энергия системы частиц задается с помощью выражений <ref name="Tersoff1" /> <ref name="Tersoff2" /> <ref name="Erkoc" />: | ||
<math>E = \sum_i E_i = \frac{1}{2} \sum_{i, j (\neq i)} V_{ij},</math> | <math>E = \sum_i E_i = \frac{1}{2} \sum_{i, j (\neq i)} V_{ij},</math> | ||
+ | |||
+ | где <math>i,j</math> – индексы частиц. <math>E</math> – полная потенциальная энергия; | ||
+ | <math>E_i</math> – энергия, приходящаяся на одну частицу; <math>V_{ij}</math> – энергия, приходящаяся | ||
+ | на пару частиц: | ||
+ | |||
+ | <math>V_{ij} = f_C (r_{ij})\left(f_R (r_{ij}) + b_{ij} f_A (r_{ij})\right),</math> | ||
+ | |||
+ | <math>r_{ij}</math> – расстояние между частицами <math>i,j</math>, <math>f_C (r)</math> – | ||
+ | функция обрезания (cutoff function): | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | f_C (r) = \left\{ | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | 1, \\ | ||
+ | \frac{1}{2} \left[ 1 - \sin(\frac{\pi(r - R)}{2D}) \right],\\ | ||
+ | 0, \\ | ||
+ | \end{array} \right. | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | r < R - D, \\ | ||
+ | R - D < r < R + D, \\ | ||
+ | r > R + D, | ||
+ | \end{array} | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | <math>f_R (r)</math> – функция отталкивания, <math>f_A (r)</math> – функция притяжения. | ||
+ | Выражения для функций притяжения и отталкивания | ||
+ | имеют вид: | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | \begin{array}{c} | ||
+ | f_R (r) = A \exp (-\lambda_1 r), \\ | ||
+ | f_A (r) = - B \exp (-\lambda_2 r). | ||
+ | \end{array} | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | Коэффициент <math>b_{ij}</math> имеет вид: | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | b_{ij} = (1 + \beta^n\zeta_{ij}^n)^{-1/(2n)}, | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | \zeta_{ij} = \sum_{k\neq i,j} f_C (r_{ik}) g (\theta_{ijk}) | ||
+ | \exp(\lambda_3^3 (r_{ij}-r_{ik})^3), | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | g (\theta) = 1 + \frac{c^2}{d^2} - \frac{c^2}{d^2 + (h - \cos \theta)^2}, | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | где <math>\theta_{ijk}</math> – угол между связями, соединяющими атомы | ||
+ | <math>i,j</math> и <math>i,k</math>. | ||
+ | |||
+ | Коэффициенты, используемые для атомов углерода: | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | A = 1393.6 \,\mbox{eV}, \\ | ||
+ | B = 346.74 \,\mbox{eV}, \\ | ||
+ | \lambda_1 = 3.4879 \,\mbox{Å}^{-1}, \\ | ||
+ | \lambda_2 = 2.2119 \,\mbox{Å}^{-1}, \\ | ||
+ | \beta = 1.5724 \cdot 10^{-7}, \\ | ||
+ | n = 0.72751, | ||
+ | \end{array} | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | c = 38049, \\ | ||
+ | d = 4.3484, \\ | ||
+ | h = -0.57058, \\ | ||
+ | R = 1.95 \,\mbox{Å}, \\ | ||
+ | D = 0.15 \,\mbox{Å}, \\ | ||
+ | \lambda_3 = 0. | ||
+ | \end{array} | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | Коэффициенты, используемые для атомов кремния: | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | R = 3 \mbox{Å}, \\ | ||
+ | A = 3264.7 \mbox{eV}, \\ | ||
+ | \lambda_1 = 3.2394 \mbox{Å}, \\ | ||
+ | \beta = 0.33675, \\ | ||
+ | c = 4.8381, | ||
+ | \end{array} | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | D = 0.2 \mbox{Å}, \\ | ||
+ | B = 95.373 \mbox{eV}, \\ | ||
+ | \lambda_2 = \lambda_3 = 1.3258 \mbox{Å}, \\ | ||
+ | n = 22.956, \\ | ||
+ | d = 2.0417. | ||
+ | \end{array} | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | h = 0, | ||
+ | \end{array} | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | == Потенциал Терсоффа-Бреннера == | ||
+ | |||
+ | (или потенциал Бреннера первого поколения) | ||
+ | |||
+ | При вычислении энергии межатомного взаимодействия с помощью потенциала | ||
+ | Терсоффа-Бреннера используются следующие выражения <ref name="Brenner1" /> <ref name="Reddy" />: | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | V_B = \sum_i \sum_{j (> i)} \left[ V_R (r_{ij}) - \overline{B_{ij}} V_A (r_{ij}) \right], | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | где <math>r_{ij}</math> – расстояние между частицами <math>i,j</math>. | ||
+ | <math>V_R (r)</math> и <math>V_A (r)</math> – функции отталкивания и притяжения, | ||
+ | имеющие вид: | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | V_R (r) = \frac{ D^{(e)} }{ S - 1 } \exp (-\sqrt{2S} \beta (r - R^{(e)})) f_C (r), | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | V_A (r) = \frac{ D^{(e)} S }{ S - 1 } \exp (-\sqrt{2 / S} \beta (r - R^{(e)})) f_C (r). | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | Константы имеют значения: <math>D^{(e)} = 6.0</math> eV, <math>S = 1.22</math>, | ||
+ | <math>\beta = 21</math> нм<math>^{-1} = 2.1 \,\mbox{Å}^{-1}</math> | ||
+ | и <math>R^{(e)} = 0.1390</math> нм <math>= 1.390\,\mbox{Å}</math>. | ||
+ | Функция обрезания (cut-off function) <math>f_C (r)</math> имеет вид: | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | f_C (r) = \left\{ | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | 1, \\ | ||
+ | \frac{1}{2} \left[ 1 + \cos(\frac{\pi(r - R^{(1)}) }{ (R^{(2)} - R^{(1)})}) \right],\\ | ||
+ | 0, \\ | ||
+ | \end{array} \right. | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | r < R^{(1)}, \\ | ||
+ | R^{(1)} < r < R^{(2)}, \\ | ||
+ | r > R^{(2)}, | ||
+ | \end{array} | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | где константы <math>R^{(1)} = 0.17</math> нм <math>= 1.7 \,\mbox{Å}</math> и | ||
+ | <math>R^{(2)} = 0.2</math> нм <math>= 2 \,\mbox{Å}</math>. Параметр | ||
+ | <math>\overline{B_{ij}} = (B_{ij} + B_{ji}) / 2</math>, где | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | B_{ij} = \left[ 1 + \sum_{k (\neq i, j)} G(\theta_{ijk}) f_C(r_{ik}) | ||
+ | \right]^{-\delta}, | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | где <math>\delta = 0.5</math>, <math>\theta_{ijk}</math> – угол между связями, соединяющими атомы | ||
+ | <math>i,j</math> и <math>i,k</math>. Функция <math>G</math> имеет вид: | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | G (\theta) = a_0 \left[ 1 + \frac{c_0^2 }{ d_0^2} - \frac{c_0^2 }{ d_0^2 + (1 + \cos \theta)^2} \right], | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | где <math>a_0 = 0.000\,208\,13</math>, <math>c_0 = 330</math> и <math>d_0 = 3.5</math>. | ||
+ | |||
+ | == Потенциал Бреннера второго поколения == | ||
+ | |||
+ | Потенциал Бреннера второго поколения позволяет представить энергию связи | ||
+ | в виде <ref name="Brenner2"/>: | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | E_b = \sum_i \sum_{j (> i)} \left[ V^R (r_{ij}) - b_{ij} V^A (r_{ij}) \right]. | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | Между атомами углерода функции отталкивания и притяжения имеют вид: | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | V^R (r) = f^c (r) (1 + Q / r) A e^{-\alpha r}, | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | V^A (r) = f^c (r) \sum_{n = 1,3} B_n e^{-\beta_n r}, | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | где | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | f^c (r) = \left\{ | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | 1, \\ | ||
+ | \left[ 1 + \cos(\pi(r - D_{\min}) / (D_{\max} - D_{\min})) \right] / 2,\\ | ||
+ | 0, \\ | ||
+ | \end{array} \right. | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | r < D_{\min}, \\ | ||
+ | D_{\min} < r < D_{\max}, \\ | ||
+ | r > D_{\max}, | ||
+ | \end{array} | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | Параметры имеют вид: | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | \begin{array}{l} | ||
+ | B_1 = 12 388.791 977 98 \,\mbox{eV},\; \beta_1 = 4.720 452 3127 \,\mbox{Å}^{-1},\; Q = 0.313 460 296 | ||
+ | 0833 \,\mbox{Å},\\ | ||
+ | B_2 = 17.567 406 465 09 \,\mbox{eV},\; \beta_2 = 1.433 213 2499 \,\mbox{Å}^{-1},\; A = 10 953.544 162 170 | ||
+ | \,\mbox{eV},\\ | ||
+ | B_3 = 30.714 932 080 65 \,\mbox{eV},\; \beta_3 = 1.382 691 2506 \,Å^{-1},\; \alpha = 4.746 539 060 6595 | ||
+ | \,\mbox{Å}^{-1},\\ | ||
+ | D_{\min} = 1.7 \,\mbox{Å},\; D_{\max} = 2.0 \,\mbox{Å}. | ||
+ | \end{array} | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | Множитель <math>b_{ij}</math> равен <math>b_{ij} = (B_{ij} + B_{ji}) / 2</math>, | ||
+ | где | ||
+ | |||
+ | <math> | ||
+ | B_{ij} = \left[ 1 + \sum_{k (\neq i, j)} f^c (r_{ik}) G(\cos(\theta_{ijk})) | ||
+ | \right]^{-1/2}, | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | где <math>\theta_{ijk}</math> – угол между связями, соединяющими атомы | ||
+ | <math>i,j</math> и <math>i,k</math>. Функция <math>G(\cos\theta)</math> строится как полином через значения функции и ее | ||
+ | производных в точках, соответствующих равновесным конфигурациям алмаза (<math>\theta = | ||
+ | \arccos(-1/3)</math>) и графена (<math>\theta = 2 \pi / 3</math>): | ||
+ | |||
+ | {| class="wikitable" | ||
+ | | <math>\theta(rad)</math> | ||
+ | | <math>G(\cos \theta)</math> | ||
+ | | <math>dG(\cos \theta) / d\cos \theta</math> | ||
+ | | <math>d^2 G(\cos \theta) / d\cos \theta^2</math> | ||
+ | |- | ||
+ | | <math>0.6082\pi</math> | ||
+ | | <math>0.097 33</math> | ||
+ | | <math>0.400 00</math> | ||
+ | | <math>1.980 00</math> | ||
+ | |- | ||
+ | | <math>2\pi / 3</math> | ||
+ | | <math>0.052 80</math> | ||
+ | | <math>0.170 00</math> | ||
+ | | <math>0.370 00</math> | ||
+ | |} | ||
+ | |||
+ | == Литература == | ||
+ | |||
+ | <references> | ||
+ | |||
+ | <ref name="Tersoff1">J.Tersoff, New empirical approach for the structure and energy of covalent system | ||
+ | // Phys.Rev. B (1988) V. 37, No 12, P.6991–6999[[Медиа:tersoff-silicon(main).pdf | (2.50 Mb)]]</ref> | ||
+ | |||
+ | <ref name="Tersoff2">J.Tersoff, Empirical Interatomic Potential for Carbon, with Applications to Amorphous | ||
+ | Carbon // Phys.Rev. B. 1988. 61, 2879–2882. | ||
+ | [[Медиа:tersoff-carbon.pdf | (708 Kb)]]</ref> | ||
+ | |||
+ | <ref name="Erkoc">Sakir Erkoc, Empirical many-body potential energy functions used computer simulations | ||
+ | of condensed matter properties, Physics Reports 278 (1997), P. 79–105[[Медиа:Erkoc_1997.pdf | (937 Kb)]]</ref> | ||
+ | |||
+ | <ref name="Brenner1">D.W.Brenner. Empirical Potential for Hydrocarbons for Use in Simulating the | ||
+ | Chemical Vapor Deposition of Diamond Films // Phys.Rev. B. 1990. V.42, pp. 9458–9471. | ||
+ | [[Медиа:brenner-phys-rev.pdf | (2.21 Mb)]] [[Медиа:brenner-errors.pdf | (Errata 102 Kb)]]</ref> | ||
+ | |||
+ | <ref name="Reddy">C.D.Reddy, S.Rajendran and K.M.Liew, Equilibrium configuration and continuum | ||
+ | elastic properties of finite sized graphene // Nanotechnology, 2006, 17, 864–870.</ref> | ||
+ | |||
+ | <ref name="Brenner2">D.W.Brenner, O.A.Shenderova, J.A.Harrison, S.J.Stuart, B.Ni, S.B.Sinnot. | ||
+ | A second-generation reactive empirical bond order (REBO) potential energy expression for | ||
+ | hydrocarbons // J.Phys: Condens. Matter 14 (2002), 783–802. | ||
+ | [[Медиа:brenner2002.pdf | (144 Kb)]]</ref> | ||
+ | |||
+ | </references> | ||
+ | |||
+ | == Ссылки == | ||
+ | * [[Многочастичные силовые потенциалы взаимодействия]] | ||
+ | * [[Потенциалы взаимодействия]] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[Category: Потенциальные взаимодействия|Тер]] |
Текущая версия на 12:42, 11 декабря 2019
[ТМ|Кафедра ТМ]] > Научный справочник > Потенциалы взаимодействия > Многочастичные силовые > Терсоффа, БреннераСодержание
Потенциал Терсоффа[править]
Энергия системы частиц задается с помощью выражений [1] [2] [3]:
где
– индексы частиц. – полная потенциальная энергия; – энергия, приходящаяся на одну частицу; – энергия, приходящаяся на пару частиц:
– расстояние между частицами , – функция обрезания (cutoff function):
– функция отталкивания, – функция притяжения. Выражения для функций притяжения и отталкивания имеют вид:
Коэффициент
имеет вид:
где
– угол между связями, соединяющими атомы и .Коэффициенты, используемые для атомов углерода:
Коэффициенты, используемые для атомов кремния:
Потенциал Терсоффа-Бреннера[править]
(или потенциал Бреннера первого поколения)
При вычислении энергии межатомного взаимодействия с помощью потенциала Терсоффа-Бреннера используются следующие выражения [4] [5]:
где
– расстояние между частицами . и – функции отталкивания и притяжения, имеющие вид:
Константы имеют значения:
eV, , нм и нм . Функция обрезания (cut-off function) имеет вид:
где константы
нм и нм . Параметр , где
где
, – угол между связями, соединяющими атомы и . Функция имеет вид:
где
, и .Потенциал Бреннера второго поколения[править]
Потенциал Бреннера второго поколения позволяет представить энергию связи в виде [6]:
Между атомами углерода функции отталкивания и притяжения имеют вид:
где
Параметры имеют вид:
Множитель
равен , где
где
– угол между связями, соединяющими атомы и . Функция строится как полином через значения функции и ее производных в точках, соответствующих равновесным конфигурациям алмаза ( ) и графена ( ):Литература[править]
- ↑ J.Tersoff, New empirical approach for the structure and energy of covalent system // Phys.Rev. B (1988) V. 37, No 12, P.6991–6999 (2.50 Mb)
- ↑ J.Tersoff, Empirical Interatomic Potential for Carbon, with Applications to Amorphous Carbon // Phys.Rev. B. 1988. 61, 2879–2882. (708 Kb)
- ↑ Sakir Erkoc, Empirical many-body potential energy functions used computer simulations of condensed matter properties, Physics Reports 278 (1997), P. 79–105 (937 Kb)
- ↑ D.W.Brenner. Empirical Potential for Hydrocarbons for Use in Simulating the Chemical Vapor Deposition of Diamond Films // Phys.Rev. B. 1990. V.42, pp. 9458–9471. (2.21 Mb) (Errata 102 Kb)
- ↑ C.D.Reddy, S.Rajendran and K.M.Liew, Equilibrium configuration and continuum elastic properties of finite sized graphene // Nanotechnology, 2006, 17, 864–870.
- ↑ D.W.Brenner, O.A.Shenderova, J.A.Harrison, S.J.Stuart, B.Ni, S.B.Sinnot. A second-generation reactive empirical bond order (REBO) potential energy expression for hydrocarbons // J.Phys: Condens. Matter 14 (2002), 783–802. (144 Kb)