1、MS分子動力學模擬具體實施步驟第3章 鐵基塊體非晶開金納米晶變化的能源教摹擬歷程 3.1 Discover模塊3.1.1 本子力場的分派正在利用Discover模塊創建基于力場的盤算中，波及多少個步調。次要有：取舍力場、指定本子范例、盤算或者指定電荷、取舍nonbond cutoffs。正在那些步調中，指定本子范例以及盤算電荷一樣平常是主動實行的。但是，正在某些情況下必要腳動指定本子范例。本子定型利用預約義的劃定規矩對于布局中的每一個本子指定本子范例。正在為特定的體系斷定能量以及力時，定型本子使事情者能利用準確的力場參數。一般，本子定型由Discover利用定型引擎的基礎劃定規矩去主動實行，以

2、是沒有必要腳動本子定型。但是，正在特別情況下，人們沒有患上沒有腳動的定型本子，以確保它們被準確天配置。 圖 3-11）盤算并隱示本子范例：面擊EditAtom Selection，如圖31所示 圖3-2彈出對于話框，如圖32所示從左邊的的元素周期表當選擇Fe，再面Select，此時所建晶胞中一切Fe本子皆將當選中，本子被白色線圈住即暗示本子當選中。再編纂散開，面擊Edit Edit Sets，如圖33、34所示。 圖3-3圖3-4 彈出對于話框睹圖34，面擊New.，給本子散開設定一個名字。那里配置為Fe，則3D視圖中會隱示“Fe”字樣，再分派力場：正在東西欄上面擊Discover按鈕，從下推

3、列表當選擇Setup，隱示Discover Setup對于話框，取舍Typing選項卡，睹圖35。 圖3-5正在Forcefield types里取舍響應本子力場，再面Assign（分派）按鈕舉行本子力場分派。注重本子力場中的價態要取Properties Project里的本子價態（Formalcharge）分歧。3.1.2力場的取舍1）Energy，睹圖36。 圖3-6力場的取舍：力場是典范摹擬盤算的中心，果為它代表著布局中每一品種型的本子取環抱著它的本子是怎樣互相做用的。對于體系中的每一個本子，力場范例皆被指定了，它形容了本子的全部情況。力場包含形容屬性的沒有同的疑息，如仄衡鍵少度以及力場

4、范例對于之間的電子互相做用。罕見力場有COMPASS、CVFF以及PCFF。Select下推菜單中有3個選項：COMPASS 力場：COMPASS 力場是第一個把以往分手處置的無機份子體制的力場取有機份子體制的力場一致的份子力場。COMPASS 力場可以摹擬小份子取下份子，一些金屬離子、金屬氧化物取金屬。正在處置無機取有機體制時，接納分種別處置的圓式，沒有同的體制接納沒有同的模子，即便對于于兩類體制的夾雜，仍舊可以接納開理的模子形容。CVFF力場：CVFF 力場齊名為分歧性價力場(consistant valence force field),最后以死化份子為主，順應于盤算氨基酸、火及露各類民

5、能團的份子體制。厥后，經由沒有斷的強化，CVFF 力場可合用于盤算多肽、卵白量取年夜量的無機份子。此力場以盤算體系的布局取分離能最為正確，亦可供應開理的構型能取振動頻次。PCFF力場：PCFF為分歧性力場，刪減一些金屬元素的力參數，能夠摹擬露有響應本子的份子體制，其參數切實其實定除了年夜量的真驗數據中，借必要年夜量的量子力教盤算了局。3.1.3 非鍵的配置挨開Nonbond選項卡，睹圖37。 圖3-7非鍵做使勁包含范德華力以及庫倫力。那里將二者皆選上，為的是前期做minimizer劣化本子地位時粗確度更下，果為思索了做使勁果素多，即二者皆思索了。Summation method（摹擬圓法）：A

6、tom Based：atom based基于本子的總量，包含一個本子的截斷間隔，一個本子的緩沖寬度間隔；為曲接盤算法，即曲接盤算本子對于之間的非鍵互相做用，當本子對于凌駕必定間隔（截斷半徑cutoff distance）時，即以為本子對于之間互相做用為整（注：cutoff distance指范德瓦我斯做使勁以及庫侖力的局限，好比：設定截斷半徑為5，則暗示已經份子或者本子中央為圓心，以5為半徑做圓，半徑之外的做使勁皆沒有思索）。此圓法盤算量較小，可是大概招致能量以及其導數的沒有一連性。當本子對于間間隔正在Cut Off半徑四周變動時，因為前一步思索了本子對于之間的互相做用，爾后一步沒有思索，由此

7、會招致能量收死騰躍。固然，對于于較小的體制，則能夠配置充足年夜的Cutoff半徑去保障一切的互相做用皆被思索出去。睹圖38。 圖3-8Group Based：group based基于電子群的，總量中包含一個本子的截斷間隔，一個本子的緩沖寬度間隔；年夜多半的份子力場皆包含了每一個本子之間面電荷的庫侖互相做用。乃至正在電中性的物種中也存正在面電荷，比方火份子。面電荷真際上反應了份子中沒有同本子的電背性。正在摹擬中，面電荷一樣平常是經由過程電荷仄衡法（charge equilibrium）評估或者者力場界說的電荷去分派的。當評估面電荷時，必定要當心沒有要正在利用Cutoff手藝時引進同伴的單極項。

8、要懂得到那一面，能夠參瞧以下現實：兩個單極，當只要1e.u.電荷時，正在10A的地位上其互相做用年夜約為33Kcal；而對于于由單元單極分別1A所構成的兩個奇極，不異間隔其互相做用能沒有凌駕0.3Kcal/mol。很分明，疏忽單極單極互相做用會招致同伴的了局，而疏忽奇極奇極互相做用則是過度的遠似。但是，假如單極互相做用場理沒有渾的話，仍舊會出成績。當nonbond Cutoff利用基于本子本子基組時，便大概收死，會工資將奇極劈裂為兩個“假”的單極（當一個奇極本子正在Cutoff內，另外一個正在其中）。那便沒有是疏忽了相對于較小的奇極奇極互相做用，而是工資引進了做用較年夜的單極單極互相做用。為了

9、不那種工資征象，Materials Studio引進了正在Charge Groups之上的Cutoff。一個“Charge Group”是一個小的本子基團，其本子相互親近，凈電荷為0或者者親近于0。正在真際使用中，Charge Group一樣平常是罕見的化教民能團，比方羰基、甲基或者者羧酸基團的凈電荷親近于中性Charge Group。Charge Group之間的間隔為一個民能團中央到另外一個民能團中央的間隔R，Cutoff配置取Atom Based 相相似。Ewald Summation：Ewald是正在周期性體系內盤算Nonbond的一種手藝。Ewald是盤算少程靜電互相做用能的一種算法

10、。Ewald減以及圓法對比開適于結晶固體。本果正在于無窮的晶格內，Cutoff圓法會發生較年夜的偏差。但是，此圓法放也能夠用于無定形固體以及溶液體制。Ewald盤算量較年夜，為o(N3/2),體制較年夜時，會占用較多的內存并消費較少的光陰【份子摹擬從算法到使用】。cell multipole cell based：只能用于基于指定命量層。一樣平常情形下，基于Atom合適于伶仃體制，對于于周期性體制盤算量較小，可是正確性較好；基于Group合適于周期性以及非周期性體制，盤算的正確性好一些，盤算量最小；Ewald合適于周期功能體制，盤算最為正確，但盤算量最年夜。 圖3-9本次摹擬取舍 Atom B

11、ased摹擬圓法，彈出對于話框，睹圖39。Cutoff distance（截斷間隔）：指的是范德瓦我斯做使勁以及庫侖力的局限。Buffer width：緩沖寬度間隔。Setup其余選項保存默許配置便可。3.1.4 布局劣化正在東西欄上面擊Discover按鈕，而后取舍Minimizer。或者者從菜單欄取舍Modules | Discover | Minimizer，睹圖310。隱示Discover Minimizer對于話框，能夠舉行多少何布局劣化盤算。注：劣化前（Min），先檢察一切本子是不是皆已經分派力場，假如出有，能夠腳動加減，正在Properties Explorer中單擊Forcef

12、ield type，而后建改力場范例便可。其次正在Min以前，必要把晶體布局一切本子從頭流動。minimizer只是對于布局舉行劣化，以到達能量最小化。正在做能源教（dynamics）以前最佳minimizer一下，果為假如沒有minimizer盤算支斂光陰會對比少，能量動搖會對比年夜，并且盤算有大概墮落。 圖3-10劣化圓法Mathod：最陡下落法（Steepest Descent）、共軛梯度法（Conjugate Gradient）、牛頓圓法（Newton）以及綜開法（Smart Minimizer）。Convergence level：支斂粗度火仄。Maximum iteration：最

13、年夜迭代數。Optimize cell選中的話暗示劣化晶胞參數以及本子地位。MS Discover 布局劣化本理份子的勢能一樣平常為鍵開（鍵少、鍵角、2里角、改變角等）以及非鍵開互相做用（靜電做用、范德華做用等）能量項的減以及，總勢能是各種勢能之以及，以下式：總勢能 = 范德華非鍵結勢能 + 鍵伸縮勢能 + 鍵角直直勢能 + 單里角歪曲勢能 + 離仄里振動勢能 + 庫倫靜電勢能 + .除了了一些復雜的份子之外，年夜多半的勢能是份子中一些龐大局勢的勢能的搭配。勢能為份子華夏子坐標的函數，由本子沒有同的坐標所患上到的勢能形成勢能里（Potential Energy Surface，PES）。勢能越

14、低，構象越不亂，正在體系中呈現的機率越年夜；反之，勢能越下，構象越沒有不亂，正在體系中呈現的機率越小。一般勢能里可患上到很多微小值的地位，個中對于應于最低能量的面稱為齊局最小值（Global Energy Minimum），相稱于份子最不亂的構象。由勢能里供最低微小值的歷程稱為能量最小化（Energy Minimum），其所對于應的布局為最劣化布局（Optimized Structure），能量最小化歷程，亦是布局劣化的歷程。經由過程最小化算法舉行布局劣化時，應躲免墮入全部最小值（local minimum），也便是躲免僅患上到某一構象四周的相對于不亂的構象，而力圖患上到齊局最小值，即真現齊局

15、劣化。份子力教的最小化算法能較快舉行能量劣化，但它的范圍性正在于易墮入全部勢阱，供患上的常常是全部最小值，而要覓供齊局最小值只能接納體系征采法或者份子能源教法。正在Materials Studio的Discover模塊中，能量最小化算法有下列4種：最陡下落法（Steepest Descent），為一典范的圓法，經由過程迭代供導，對于多變量的非線性宗旨函數微小化，按能量梯度相同的圓背對于坐標加減位移，即能量函數的背梯度圓背是宗旨函數最陡下落的圓背，以是稱為最陡下落法。此法盤算復雜，速率快，但正在微小值四周支斂性沒有夠好，制成挪動圓背正交。最陡下落法合用于劣化的最后階段。共軛梯度法（Conjuga

16、te Gradient），正在供導時，宗旨函數下落圓背沒有是僅拔取最陡下落法所接納的能量函數的背梯度圓背，而是拔取兩個共軛梯度圓背，即上次迭代時的能量函數背梯度圓背取以后迭代時的能量函數背梯度圓背的線性搭配。此法支斂性較好，但對于份子肇始布局請求較下，果此常取最陡下落法團結利用，先用最陡下落法劣化，再用共軛梯度法劣化至支斂。牛頓圓法（Newton），以2階導數圓法供患上微小值。此法的支斂很敏捷，也常取最陡下落法團結利用。綜開法（Smart Minimizer），該圓法能夠夾雜最陡下落法，共軛梯度法以及牛頓法舉行布局劣化，正在MS中是可取舍的。Smart Minimizer中，牛頓法能夠設定最年

17、夜的本子數，假如體制的本子數年夜于所設定的值，則盤算是會主動天轉為后面設定的支斂法（共軛梯度法或者最陡下落法），支斂粗度會改成共軛梯度法的默許支斂粗度值。面開各類圓法前面的More，睹圖3-11、3-12、3-13、3-14，可設定支斂粗度（Convergence），算法（Algorithm）以及一維搜刮（Line search，指每一一次迭代中的粗度）等。圖3-11 圖3-12 圖3-13 圖3-14當Job停止后，了局被前往到Disco Min名目，最小化的布局被定名為3D Atomistic.xsd，并被保留正在“3D Atomistic Disco Min”名目。借死成一個名為“3D

18、Atomistic.out”的文本文檔，它包孕了無關盤算的一切能量疑息。同時借死成“SimulationEnergies.xcd”，它隱示了能量隨迭代次數的變動情形。如圖315所示。本次摹擬患上到如圖316所示的布局，圖3-15 圖3-163.1.5 下溫張豫挨開discover下的Dynamics，如圖317所示。 圖3-17Ensemble（系綜）： NVE、NVT、NPT、NPH。Temperature：宗旨溫度。Pressure：給體系所施減的壓力。Number of steps：全部能源教所運轉的總步數。Time step：每一一能源教步調所消費的光陰（單步少光陰）。Dynamics

19、 time：Number of stepsTime step（總摹擬光陰）。Trajectory Save：Coordinates暗示保留坐標；Final Structure暗示只保留終極布局；Full暗示保留一切。Frame output every：若輸出5000，則暗示每一5000步輸入一幀（即晶體布局）。此操縱暗示布局正在2000K的溫度下舉行張豫，此歷程本子經由過程遷徙、活動或者者分散，慢慢落低本去的下內能態，背不亂的低內能態變化。運轉停止后，能夠經由過程挪用Animation不雅瞧3維動繪，睹圖318、319。 圖3-18 圖3-19 動繪東西條能夠把持3維窗心中動繪文件的隱示。

20、它包孕下列下令：Play Backwards：反照動繪文件。Step Backwards：每一次背后放一幀Stop：中斷放映。Step Forwards：每一次一幀減速放映。Play：放映動繪。Pause：久停放映，再按一次后持續放映。Animation Mode：隱示動繪形式下推菜單，3.1.6.1 系綜簡介系綜（ensemble）是指具備不異前提體系（system）的散開。仄衡態的份子能源教摹擬，老是正在必定的系綜下舉行。系綜是統計力教中十分主要的觀點，體系的所有統計個性基礎皆因此系綜為出發點推導患上到的。真際使用時，要注重取舍得當的系綜，如（N，T，P） 經常使用于研討材量的相變動等。正

21、在微正則系綜（micrononical ensemble）中，模子體制的粒子數N、體積V及內能（熱力教能）E（正在熱力教一般用U暗示內能）。伶仃、守舊的體系。值患上注重的是：體制總能量，即勢能以及動能的總以及，是堅持守恒的，常被用去判別積分的粗度流動沒有變。它對于應于盡熱歷程，即體制取情況出有熱互換，沒有存正在溫度T以及壓力p的把持果素。因為體制的能量E是守恒的，體制的動能以及勢能之間互轉化。一樣平常道，給定能量的粗確初初前提是無奈患上到的。能量的調劑經由過程對于速率的標度舉行，那種標度大概使體系得往仄衡，迭代張豫到達仄衡。NVT系綜（正則系綜）正則系綜（canonical ensemble）

22、中，體制的粒子數N、體積V及溫度T堅持沒有變，且總動量堅持沒有變。果此正則系綜能源教偶然也被稱為恒溫能源教。為了把持體制的溫度，便必要配置一個“實擬”的熱浴情況，取體制舉行能量互換。經常使用的熱浴（bath）包含：Nose-Hoover，Berendsen，Andersen和“velocity scaling（速率標定）”圓法等。NPT系綜（恒溫恒壓系綜）恒溫恒壓系綜中，體制的粒子數N、壓力p、溫度T皆是恒定沒有變的。恒溫恒壓系綜同意體制的“體積”收死變動。那里的體積的變動有兩種圓式，一種是只變動尺寸而堅持外形（好比對于于晶體去道，晶格范例保持沒有變，可是晶胞參數中的a，b，c能夠變動），另外

23、一種是同時變動外形以及尺寸（即晶格范例以及晶胞參數皆能夠變動）。壓強P取體積共軛，控壓能夠經由過程標度體系的體積去真現。今朝有很多調壓的圓法皆是接納的那個本理。NPH系綜（恒焓恒壓系綜）NPH系綜中體制的粒子數N、壓力p及體制的焓H（H=E+pV）是守恒的，比方撙節收縮便是一恒焓歷程。正在摹擬中較少睹。圖3-20系綜的控溫：溫度調控機造能夠使體系的溫度保持正在給定值，也能夠依據中界情況的溫度使體系溫度收死漲降。一個開理的溫控機造可以發生準確的統計系綜，即調溫后各粒子位形收死的幾率能夠謙足統計力教法令。系綜控溫機造次要有：Velocity Scale、Nose、Berendsen。 圖3-21圖

24、321的Thermostat下推菜單有4個，睹圖322：Velocity Scale（曲接速率標定法）：體系溫度以及粒子的速率曲接相干，能夠經由過程調劑粒子的速率使體系溫度保持正在宗旨值。真際份子能源教摹擬中，其實不必要對于每一一步的速率皆舉行標定，而是每一隔必定的積分步，對于速率舉行周期性的標定，從而使體系溫度正在宗旨值四周小幅動搖。曲接速率標定法的劣面是本理復雜，易于步伐體例。弱點是摹擬體系無奈以及任何一個統計力教的系綜對于應起去；俄然的速率標定引發體制能量的俄然扭轉，以致摹擬體系以及實真布局的仄衡態相好較近。Nose：該圓法能夠把任何數目的本子取一個熱浴耦開起去，能夠打消局域的相干活動，

25、并且能夠摹擬微觀體系的溫度漲降征象。Andersen:Berendsen控溫機造:又稱Berendsen中部熱浴法。其基礎頭腦是假如體系以及一個恒溫的中部熱浴耦開正在一同，經由過程熱浴吸取以及開釋能量去調治體系的溫度，使之取恒溫熱浴堅持分歧。 對于速率每一一步舉行標定，以堅持溫度的變動率取熱浴以及體系的溫好（T bathT(t)）成比例。 圖3-22 圖3-23圖323下推菜單有3項：Andersen：假設體系取中界“活塞”耦開，當中部壓強沒有能彌補體系外部壓強時，“活塞”活動引發體系勻稱天收縮或者支縮，終極使患上體系壓強即是中部壓強。Andersen圓法具備主要的意思，厥后的各類壓力把持圓法

26、基礎皆是基于Andersen 頭腦收展起去的。Berendsen：那種圓法是設想把體系取一“壓浴”相耦開。Parrinello：那種圓法同意本胞的外形取體積同時收死變動，以到達取中壓仄衡。那種圓法是對于Anderson調壓圓法的一種擴大，能夠真現對于本胞施減推伸剪切和夾雜減載情形的摹擬，果此正在對于質料的力教性子的份子能源教摹擬中，患上到了寬泛天使用。3.2 Forcite模塊3.2.1 Quench（快熱）正在東西欄上面擊按鈕，取舍calculation，彈出對于話框，如圖324所示。 圖3-24取舍Quench（快熱，淬水），再面擊More呈現如圖325所示對于話框： 圖3-25再面擊Dy

27、namics options的more呈現如圖326、327所示： 圖3-26 圖3-27Initial velocities：第一次因為配置速率，以是只能取舍Random（隨馬上度），第2次和之后運轉則可取舍Current（以后速率）了，此時速率為上一次停止的速率。 圖3-28注重：摹擬退水的時分要減力。即Include forces要選上，如圖328所示。運轉停止后會患上到一些文件，有1）3D Atomistic.xtd，那是快熱后患上到的布局，睹圖329。2）Status.txt和3D Atomistic.txt包孕了快熱歷程的相干參數配置和了局數據。3）3D Atomistic Tem

28、perature.xcd形容了溫度取光陰的閉系，睹圖330。4）3D Atomistic Energies.xcd形容了多少種能量（勢能、動能、非鍵能和總能量）隨光陰的變動閉系（睹圖331）等。 圖3-29 圖3-30 圖3-31 對于圖329所示的了局做徑背散布函數剖析，患上到如圖332的圖象，圖象標明快熱了局患上到非晶開金。 圖3-32 3.2.2退水（anneal）取舍退水（anneal）如圖333所示 圖3-33面擊more呈現圖334所示對于話框： 圖3-34Annealing cycles：運轉一次退水所做的退水輪回次數。Initial temperature：一次退水輪回的肇始溫

29、度也是退水輪回的末行溫度。Midcycle temperature：一次退水輪回包含降溫歷程以及落溫歷程中的最下溫度。Heating ramps per cycle：一次輪回中減熱歷程的溫度梯度步數，熱卻歷程的溫度下落梯度（cooling ramps per cycle）步數取減熱歷程的溫度梯度步數相稱。Dynamics steps per ramp：每一一溫度梯度的能源教步數。Total number of steps：Annealing cycles（Heating ramps per cycle + cooling Heating ramps per cycle）Dynamics steps per ramp（即上圖中的總步數=5105