Cu单晶结构弛豫与晶格常数计算

Cu单晶结构弛豫与晶格常数计算

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_51754979/article/details/145862149

LAMMPS是一款功能强大的分子动力学模拟软件，广泛应用于材料科学、凝聚态物理等领域。晶格常数是描述晶体结构的重要参数，其准确计算对于理解材料的物理性质具有重要意义。本文将详细介绍如何使用LAMMPS进行铜（Cu）单晶的结构弛豫和晶格常数计算。

1. 建模与初始结构

铜的晶体结构为面心立方（FCC），晶格常数实验值约为3.615 Å。在LAMMPS中，可以通过以下命令生成初始结构：

# 基础设置
units						metal
boundary 				p p p
atom_style			atomic

# 创建 FCC 晶格
lattice					fcc 5
region					box block 0 4 0 4 0 4 #四个晶胞
create_box  		1 box
create_atoms		1 box

# 输出初始结构
write_data      initial_structure.data  # 指定输出文件名

2. 势函数选择

铜的模拟常用EAM（嵌入原子法）势，以下是两种常用的势函数：

• Cu_u3.eam: 由M.I. Baskes等人开发，基于早期的EAM模型。拟合的数据集相对较小，主要针对纯铜的体相性质（如晶格常数、弹性常数等）。适用于简单的体相模拟，但在表面、缺陷或高温条件下的表现可能不够精确。

• Cu_u6.eam: 由Y. Mishin等人开发，基于更广泛的实验和第一性原理数据。拟合的数据集更大，包括体相、表面、缺陷、液态和高温性质。适用于更复杂的模拟场景，如表面重构、晶界、位错和熔化行为。

在LAMMPS中加载势函数：

pair_style      eam
pair_coeff      * * Cu_u6.eam Cu

# 设置邻居列表
neighbor 2.0 bin
neigh_modify delay 10 check yes

3. 结构弛豫（能量最小化）

通过能量最小化优化原子位置和晶格常数：

# 输出热力学信息
thermo 				1
thermo_style 	custom step temp pe etotal press vol lx ly 

# 结构弛豫（能量最小化）
min_style 		cg
minimize 			1.0e-25 1.0e-25 10000 10000

4. 晶格常数优化

若要自动优化晶格常数，需启用体积弛豫（通过fix box/relax）：

# 盒子的体积弛豫 (各向同性)
fix 				1 all box/relax iso 0.0 vmax 0.001
min_style 	cg
minimize 		1.0e-25 1.0e-25 10000 10000

• iso 0.0表示三轴等压弛豫，vmax 0.001控制体积变化步长。
• 优化后的晶格常数可通过输出文件中的lx、ly、lz读取（FCC结构中三者相等）。

5. 完整示例脚本

# 基础设置
units			metal
boundary 		p p p
atom_style		atomic

# 创建 FCC 晶格
lattice			fcc 5
region			box block 0 4 0 4 0 4 #四个晶胞
create_box  	1 box
create_atoms	1 box

# 输出初始结构
write_data       initial_structure.data  # 指定输出文件名

# 势函数选择
pair_style		eam
pair_coeff		* * Cu_u6.eam

# 设置邻居列表
neighbor 2.0 bin
neigh_modify delay 10 check yes

# 输出热力学信息
thermo 1
thermo_style custom step temp pe etotal press vol lx ly 

# 结构弛豫（能量最小化）
min_style 		cg
minimize 		1.0e-25 1.0e-25 10000 10000

# 盒子的体积弛豫 (各向同性)
fix 			1 all box/relax iso 0.0 vmax 0.001
min_style 		cg
minimize 		1.0e-25 1.0e-25 10000 10000

# 输出最终的晶格常数
variable		a equal lx/4
print			"Optimized lattice constant a = ${a} Angstrom"

# 输出弛豫后的结构
write_data 		Cu_relaxed.data

6. 结果分析

1. 输出日志：检查thermo输出中的lx、ly、lz，计算晶格常数的变化。
2. 能量收敛：确保Potential energy (pe)不再显著变化。
3. 实验对比：实验值约为3.615 Å，不同势函数可能导致 ±0.02 Å 偏差。晶格常数计算结果为3.61500011805211 Å。

7. 注意事项

• 势函数选择：务必使用已验证的Cu势函数（可从NIST或LAMMPS官网获取）。
• 边界条件：根据体系大小选择合适的周期性边界条件（boundary p p p）。
• 并行加速：使用多核并行计算加快优化速度（mpirun -np 4 lmp_mpi -in input.lammps）。