更高效的材料動力學模擬方法與應用

2021-01-20 費米科技
 

動力學模擬是一種重要的原子級模擬方法，通過求解原子運動的經典力學牛頓方程對相空間進行採樣，不僅可以研究體系在相空間的演化過程，還可以通過產生的系列結構（系綜）通過統計方法得到體系在非零溫度下的各種性質。 動力學過程中的原子間相互作用力則可以通過多種方法求得，可以是密度泛函理論，也可以是經驗力場。

可以用多種能量-力計算方法

支持多種系綜和理論方法

NVE velocity verlet

NPT with stress mask

NPT/NVT（Berendsen）

NPT Melchionna

NPT with stress mask

Langevin

支持多種動力學方法

平衡態分子動力學

非平衡態分子動力學（RNEMD）計算熱導

time-stamped force-bias Monte Carlo長時域的動力學方法

Metadyamics（PLUMED）：更快的對能量（自由能）面進行採樣，獲得大範圍的結構-能量信息

自適應動力學蒙特卡羅方法（adaptive kinetic Monte Carlo）：研究結構變化與機理

可控制局域溫度、設定升溫速率

計算過程中分析

基於QuantumATK高效的DFT、SE和ForceField計算引擎和MD代碼的優化，分子動力學計算速度有明顯優勢。其中DFT、SE、ForceField均支持MPI大規模並行，並獲得極大的速度提升。

7056原子的分子動力學（水分子）：在64MPI並行時，第一步MD耗時4分鐘。

3220原子的分子動力學（固體）144MPI進程並行1步耗時約10分鐘。

基於ForceField的MD並行加速測試（1百萬SiO2原子）

QuantumATK提供更靈活的分子動力學模擬框架，可以在一個動力學模擬過程中混合使用DFT和ForceField。


圖：LiFePO4中Li在外電場下的擴散動力學模擬。考慮電場的同時，DFT的引入可以反映原子電荷在動力學過程中的漲落。


time-stamped force-bias Monte Carlo方法

使用time-stamped force-bias Monte Carlo方法（基於DFT、DFTB、力場）代替普通的分子動力學，可以研究更長時間的平衡、沉積、無定型化、擴散、快速熔化–退火、對罕見事件採樣。模擬過程可以恆定溫度，也可以是線性升溫降溫。

在溫度不太高的情況下，分子動力學過程往往會被局限於（自由能）能量面上的一個局域極小值附近採樣，這大大限制了分子動力學的應用。Metadynamics則是在普通的MD基礎上按一定的模擬時間間隔施加一個人為的勢場，促使研究的體系克服勢壘從一個較深的局域極小附近離開到另外一個局域極小附近。這種方法大大提高了對能量面的採樣的效率。在材料模擬領域，Metadynamics常常用來研究固體的晶態多樣性、固體-液體界面、固體中或表面上的化學反應。

下圖：Cu在Cu111表面擴散的能量曲面，圖中顯示擴散過程中的兩個能量極小；擴散過程中原子坐標隨時間的變化。

AKMC將高溫MD與NEB過渡態搜索結合，是另一種研究固體中結構變化（反應、擴散）過程的方法。這些結構變化過程在統計學上是罕見的事件，因此很難用傳統的MD模擬，尤其是與結構變化直接相關的能量面鞍點信息。（圖：AKMC原理）

AKMC可以得到：

一系列結構變化形成的Markov鏈

結構變化過程中的每步的勢壘和變化速率

具體實例詳見下文的「實例與教程」中的連結。


NanoLab：強大易用的圖形界面，讓研究者專注於研究，更快獲得結果

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