分子动力学结果分析演示文稿

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。

基于分子动力学的常用力场、算法及结果分析LT1.11.21.3力场简介分子动力学模拟是计算庞大复杂系统的有效方法，它以力场为依据，力场的完备与否决定计算的可靠程度。

分子的总能量是动能与势能之和，分子的势能通常表示为简单的几何坐标的函数。

一般势能中包括：（1）范德华力，与能量有关的非键相互作用交叉能量项，（2）构成分子的各个化学键在键轴方向上的伸缩运动所引起的能量变化，（3）键角变化引起的分子能量变化，（4）单轴旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量变化，（5）离平面振动项，共平面原子的中心原子离平面小幅振动的势能，（6）库伦作用项，带电荷粒子间存在的静电吸引或排斥作用的势能。

力场可以看作是势能面的经验表达式，它是分子动力学模拟的基础、力场是通过原子位置计算体系能量的，与之前的量子力学方法相比，大大节约了计算时间，可用于计算包含上万粒子数目的体系。

势能函数在大多数情况下将描述分子几何形变最大程度地简化为仅仅使用简谐项和三角函数来实现，而非键原子之间的相互作用，则只采用库伦相互作用和兰纳-琼斯势相结合来描述。

势能函数的可靠性主要取决于力场参数准确性，而力场参数通常通过拟合实验观测数据和量子力学从头计算得到的数据。

目前在生物大分子体系模拟中使用最为广泛的分子力场是CHARMM力场[3]和AMBER力场[4]，也是早期研究生物大分子的分子力场，其现有的力场参数仍在不断优化，并且涵盖的分子类型也在扩大。

粗粒化模型在计算生物物理研究中越来越引起人们的关注[5, 6]由于该模型中定义了粗粒化粒子，对应于全原子模型中的若干原子或原子基团甚至分子，减少了体系中的粒子数和自由度，使得模拟的时间和空间尺度得以大幅度提高，虽然会丢失一些原子细节信息，但是这种模型是应用于研究缓慢的生物现象或依赖于大组装体的生物现象[7]，如生物膜的波动，对它的模拟需要巨大的膜片。

1.2常见力场分子动力计算体系由最初的单原子分子系统延伸至多原子分子、聚合物分子、生化分子系统，力场也随着系统复杂度的增加而增加其复杂性。

4.使用LST/QST/CG方法计算过渡态结构a.Calculation,setup选项卡，Task改为TS Search。

more中确保Search protocol设置为Complete LST/QST,Quality设置为Mediumb.Job control选项卡，确保Automatic未被选中，输入TS作为Job description。

点击run第二部分：实验调试与结果分析三、调试过程（包括调试方法描述、实验数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）1.建立气体H2模型。

为使缩放过程明显，将H-H键长设为0.8埃Calculation中设置如下，模拟结构中原子在计算力影响下的移动2.建立Pd(111)表面模型，真空厚度为7.00埃3.将a=0.56, b=0.47, c=0.70的H1和a=0.47, b=0.56, c=0.70的H2原子到reactants中Pd表面。

后束缚全部的Pd原子。

4.在products中改变两个H原子的坐标，并使每个H原子键合一个Pd原子再使用CASTEP|Calculation优化几何结构，设置截图如下对reactants执行相同优化。

优化后两个原子文档如下5.对products和reactants的优化结构中的原子进行配对。

可见开始时0个原子被配对，8个原子未配对Auto Find后对对应的原子set match, 使两个文档中所有原子配对配对后Preview,事先确保number of frame值为10，得reactants-products.xtd轨迹文件6.使用LST/QST/CG方法计算过渡态结构。

设置截图如下得TS.xsd文档。

对此文档进行Analysis,选择Energy evolution,点击view, 得TS.xtd及TS TSSeaarch.xcd图表文件。

点击图上不同点可查看轨迹文件中相应结构四、实验结果及分析（包括结果描述、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）1.在TS.CASTEP中搜索Transition State Found,结果如下：得（1）反应能量：0.06565eV（2）来自反应物的能垒：0.03465eV（3）来自产物的能垒：-0.03100eV2.点击TS Search图中不同点，可在TS.xtd中查看相应结构通过TS Search亦可得出反应活化能（起始点至反应峰顶）：E a=-4815.97-（-4819.59）=3.62eV五．思考题1.反应势垒是什么？答：物质在发生化学反应时，需要先破坏原有的化学键，这样就需要一定的能量，这个能量称之为化学势垒2.研究和了解反应的过渡态有什么意义？反应的过渡态：在反应物相互接近的反应进程中，出现一个能量比反应物与生成物均高的势能最高点，此势能最高点相对应的结构称为过渡态。

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：平衡晶格常数和体弹模量成绩：一、实验目的：1、学习Linux系统的指令，学会和掌握lammps几个基本语句。

2、理解计算晶格常数和体弹性模量的原理，并动手操作，算出硅晶体不同结构下的体弹性模量和晶格常数。

二、实验原理：1.晶格常数为了描述原子和离子的结构，将每一个原子和离子都看做是不动的静止的点。

这样就提出了空间点阵的概念。

人们为了说明点阵排列的规律和特点，可以在这些点阵中去除一个具有周期性的且能代表其性质的基本单元作为点阵的组成单元，称为晶胞。

不同的晶胞将会产生不同的特性。

给定Si集中典型立方晶体结构：fcc，bcc，sc，dc，利用计算机分别计算每种结构下体系的能量。

根据可判定dc结构是否能量最低，即是否最稳定。

2.体弹性模量材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。

弹性模量是描述物质弹性的一个物理量，是一个总称，包括杨氏模量、剪切模量、体积模量等。

在弹性变形范围内,物体的体应力与相应体应变之比的绝对值称为体弹模量。

表达式为：E为单个原子的结合能，M为单位晶胞内的原子数。

晶胞体积可以表示为，那么根据实验第一部分算出的平衡晶格常数，以及能量与晶格间距的函数关系，可以求得对应晶格类型的体积模量。

并与现有数据进行对比。

三、实验过程（1）将share文件夹里面的md_1文件拷贝到本地：$cp□-r□share/md_1□.（2）进入md_1文件，之后进入1_lattice文件$cd 口md_1$cd 口1_lattice（3）查看输入脚本文件in.diamond，理解每一行语句测含义及用法$gedit口in.diamond（4）使用命令使远程计算机上的lammps运行in.diamond文件，得到不同晶格常数下的能量以及最终得到的图像文件$lmp口-i口in.diamond（5）用gnuplot画出能量和晶格常数的关系图。

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：晶格位错和层错成绩：一、实验目的（1）观测位错的位移场、应力场、应变场分布（2）计算静止位错的能量（与位错理论的计算结果比较）（3）澄清位错分解与层错能的关系二、实验原理1螺位错螺型位错；螺旋位错；screw dislocation;Burgers dislocation又称螺旋位错。

一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。

在中央轴线处即为一螺型位错。

假设在各向同性的介质中，UZ随着θ 角均匀的增大，可以得到位移UZ与θ 和r 的关系如下此即为螺位错的位移场公式。

也是在本次实验中，我们用来构造螺位错的依据。

首先，我们搭建一个完整晶体，以中心处为位错的核心，然后根据位移场公式相继移动体系内的每个原子，使其符合螺位错的位移场分布。

经过能量最小化后，我们可以得到一个稳定的含有螺位错的构型。

由于圆柱体只有沿z 方向的位移，因此只有切应变。

相应的，各应力分量为2．刃型位错滑移区与未滑移区之间的边界就称为位错。

这个位错的位置由挤入上半部分晶体的额外垂直半原子面的边缘标志。

在位错附近，晶体的形变可以看作是由于在晶体上半部分插入了一片额外的原子面所产生。

这个原子面的插入使上半部分晶体中的原子受到挤压，而使下半部分晶体中的原子受到拉伸。

按照弹性力学理论可以得到，刃型位错的位移场诸分量为：相应的，各应力分量为：3．位错的应变能位错的能量可以分为两部分：位错中心畸变能Ec 和位错应力场引起的弹性应变能Ee。

位错中心区域由于点阵畸变很大，不能用胡克定律，而需借助于点阵模型直接考虑晶体结构和原子间的相互作用。

据估算，这部分能量大约为总应变能的1/10～1/15 左右，故常予以忽略，而以中心区域以外的弹性应变能代表位错的应变能，此项能量可以采取连续介质弹性模型根据单位长度位错所作的功求得。