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1、Bi2Te3的分子动力学模拟姓名：刘晓学号：2013207248班级：应用化学1班专业：电化学学院：化工学院主要内容：1.分子模拟技术的概述；2.含圆孔Bi2Te3单晶拉伸变形的分子动力学模拟；3.不同温度Bi2Te3纳米线力学性能分子动力学模拟。1.分子模拟技术的概述1.1分子模拟的概念分子模拟是80年代初兴起的一种计算机辅助实验技术，是利用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子的结构与行为，进而模拟分子体系的各种物理化学性质。它是在实验基础上，通过基本原理，构筑起一套模型与算法，从而计算出合理的分子结构与
2、分子行为，进而研究化学反应的路径、过渡态、反应机理等十分关键的问题。1.2分子模拟技术的应用分子模拟不仅可以模拟分子的静态结构，也可以模拟分子体系的动态行为(如氢键的缔合与解缔、吸附、扩散等)。分子模拟技术目前在分子筛催化剂、高分子材料及其它固体化学、无机材料研究开发领域的应用非常广泛。2.含圆孔Bi2Te3单晶拉伸变形的分子动力学模拟2.1模型与模拟方法首先建立无孔模型,尺寸为24.4nm×12.8nm×3.0nm(分别沿着x、y和z方向),原子个数N=28560。然后在几何中心处挖掉部分原子,形成一个直
3、径为4.30nm的圆孔(挖掉原子数目为1340),从而形成一个原子总数N=27220的模型,如图1所示。原子尺度应力的计算采用的是virial形式。该方法从能量的角度给出的原子应力的表达式。由于在计算上容易实施,因此virial形式的应力计算方法广泛地应用于分子动力学模拟中。它的表达式为?σij=-1/VΣ(Mαviαvjα+1/2ΣFiαβrjαβ)………………………(1)式中,V为模拟系统盒子的体积,viα为原子α在i方向的速度分量,Fiαβ为α和β原子在i方向的相互作用力,rjαβ为α和β原子在j方向
4、的距离。可以看出表达式(1)计算了模拟系统体积内原子的平均应力。式中第一项为与原子热运动相关的动能项,第二项为与变形相关的势能项。2.2应力应变曲线及结构演化分析利用式(1),计算了系统的应力值,得到加载过程中的应力-应变曲线。图2显示了有孔Bi2Te3单晶块体低温时单轴拉伸的应力-应变关系。图2应力-应变曲线选取其中应变ε=5%时的应力(σx)分布图3可以发现圆孔边缘存在应力集中,这种应力集中的现象与用连续介质力学考察宏观材料类似,图3中点A和B的应力(σx=6.8GPa)约为远离孔洞处模型边缘处如C点(
5、σx=2.7GPa)的2.5倍。因此极易在此处最先发生破坏。当应变ε=6.4%时,对应强度极限为3.2GPa。随着应变的进一步增加,在应力集中部位突然出现裂缝,并逐渐迅速向模型外部边缘扩展直至断裂,最终应力急剧下降到0。图3ε=5%时的应力（σx）分布2.3单轴拉伸力学分子模拟结果模拟结果表明:在拉伸过程中,孔洞边缘存在应力集中现象,模型的破坏从孔洞处开始逐渐扩展。同时发现在线弹性阶段原子排列始终保持规则形状,圆孔边缘存在应力集中。破坏发生时,在应力集中部位突然出现裂缝,并逐渐迅速向模型外部边缘扩展直至断裂
6、。由应力-应变曲线以及拉伸过程中的原子构型变化可以看出含孔Bi2Te3单晶材料单轴拉伸的破坏形式表现为脆性断裂的特征。Bi2Te3属于斜方晶系,通常为了方便起见可以将其视为六面体的层状结构,在该结构的同一层上具有相同的原子种类。沿着z轴的方向看,原子按照如下方式排布:Te1—Bi—Te2—Bi—Te1。如图1所示,Te1原子最近邻为相邻层的3个Bi原子和3个Te1原子,Te2原子的最近邻为相邻层的6个Bi原子。其中Te2—Bi键为共价键,Te1—Bi键为共价键和离子键,相邻层Te1—Te1之间的相互作用则比
7、较弱,主要是范德华力。因此Bi2Te3晶体极易在此面发生解理。3.不同温度Bi2Te3纳米线力学性能分子动力学模拟3.1温度影响图4为不同温度下Bi2Te3纳米线沿x轴方向拉伸的应力应变曲线。图5为弹性模量、极限强度和破坏应变随温度的变化。受温度的影响,应力应变曲线的斜率随温度升高逐渐降低。弹性模量、极限强度和破坏应变也随之降低。图4沿x轴拉伸应力应变曲线随温度的变化与相同尺寸的Bi2Te3块体相比,纳米线的弹性模量、极限强度、破坏应变在各温度点不同程度上均比块体低。且纳米线和块体的弹性常数、极限强度与破坏
8、应变随温度升高而减小。图5沿x轴拉伸弹性模量、极限强度、破坏应变随温度的变化3.2温度影响模拟结果分析各温度点的单向拉伸结果分析其原因，作如下解释：随着温度的升高,原子热振动加剧,热激活能越大,原子的运动越偏移原来的平衡位置,削弱了原子间的结合强度,从而易导致缺陷的产生,使得弹性常数、极限强度与破坏应变减小。但值得注意的是相同方向的拉伸在不同温度下的破坏形式没有明显变化。改变传统实验理念，在科研开发过程中逐步建立
