英文翻译材料设计原理

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1、薄膜和纳米粒子在原子模拟理论上的发展摘要：原子模拟已被用来生成结构复杂的模型，这种模型非常接近实际所观测到的模型。因此， “用手 ”构造这样的模型变得越来越困难，越来越迫切。于是，有助于结构改进的模拟方法正变得越来越普遍。这些发展起来的方法的中心是仅依赖于原子间相互作用势而被推断出来的派生（潜在）结构，而不是直观模拟器。在这里，我们回顾一些已经发展起来的方法。关键词：原子模拟；能量最小化；分子动力学；蒙特卡洛；遗传算法；非晶态和重结晶1 最近的主要进展在原子模拟中使用的一种方法涉及到一种具有非晶态和再结晶的策略的材料。在此，结构复杂的演变是伪重结晶的非晶起点开始。该方法已被用来生成模型，用氧化

2、铈纳米晶支持钇稳定氧化锆。另一种方法，遗传算法（GA） ，开发或模仿自然（生物）在进化过程中观察到的演变机制， （例如）纳米粒子给定相应的尺寸和最低能量的组成结构。这种策略的一个例子所表现出壳体和岩盐结构由于 MgO 团簇的建模。如预测的氧化镁（MgO） 30 团簇的刚性离子与+2、-2 正规电荷组成的对映壳体。2 引言最终，自然规律规定了我们在宇宙中观察到的结构。这样的规律有助于我们更好的理解这种能引起或导致具有特别性能和我们所期望性能的新材料的制备，这或许是有益的。然而，阻碍我们进一步理解的是我们所能看见的许多东西还处于一种原子水平。因此，在这个水平上人们需要完整的结构测定，这虽然不是不可

3、能的实验，但往往很困难。作为替代实验，我们可以构造材料的原子模型，进行计算机模拟。在进行非常困难的（因而昂贵）或危险的（例如：高温和高压的实验）实验时，计算机模拟有其独特的吸引力。在原子论模拟中，由于所有组成该系统的原子的位置被我们明确了解，我们系统的理解变得更容易，提供了一个强有力的补充试验。然而，作为一种有价值的补充技术，通过结合实际系统中存在的所有复杂性的仿真模拟生成模型。这是一个相当大的挑战，因为我们缺乏精确而又详细的原子论知识。显然，我们如果能从实验中知道这样的信息，就不会在模拟实验中出现什么问题。把结构复杂性引入到模型中的这种方法是基于从实验中总结的经验。例如，许多模拟实例（如 G

4、ULP，MARVIN 和 DL POLY）是基于构建一个空间群和原子坐标的结构。进一步的结构复杂性可以被引入。例如，通过简单的去除原子排列的周期性或无限稀释晶体来引进空位；通过定义特定晶面指数的块状晶体的分裂来形成表面；晶界以适当的方式来确定两种晶体表面的方向；由Voronoi 图得到多晶结构；通过 Wulff 结构形成形态；界面匹配用于近重位点阵理论；如 Watson 等人的位错理论。为了方便使用，我们将这种标记方法作为构造方法。所构造的模型（预先配置）被模拟应用，例如，静态或动态模拟方法。然而，最终的结构可能反映出就预先配置所做出的错误假设。此外，构建这样的模型被证明是一项巨大的事业。在支

5、撑的薄膜内，可能含有丰富的结构特征，如位错和晶界网格，缺陷（空位，间隙和置换）包括团聚，外延关系的性质，表示表面或形态学形貌和粗糙度基材或薄膜沉积。某一结构基于在单一的模拟中引入所有这些结构修饰的方法是难以解决。在此观点中，我们回顾许多用于模拟材料的方法，由于他们的目的是促进复杂结构的进化，因而这些方法被描述为“进步的科技” 。在原子模拟，结构演变的关键取决于原子间相互作用势 10，这在本质上是模拟的“自然规律” ，而不是模拟器的直觉。有两类我们能够区分的进化技术。第一种是“结构演变” 法，这种“结构演变”是时间（或伪时间变量）的函数。在分子动力学模拟（MD）中，原子沿着受力方向移动，因而在配

6、置空间里形成确定的轨迹。然而，Monte Carlo (MC)模拟是随机的，而不是确定的，没有真正的时间变量，即在 Monte Carlo (MC)模拟中，分子动力学（MD）轨迹被配置的 Markov 链所取代。这一类还包括能量最小化，这仅仅相当于在零度的 MD 轨迹。这些方法可用于：通过模拟退火，确定最低能量结构（即全局能量最小化） ；获得随温度变化的热力学系综平均值；以及在固体中遵循动力学过程。由于结构演进的方式类似于自然（生物）进化，第二类进化技术可以被描述为“伪自然进化 ”的方法。备选结构群体用这种随机的方式从这一代演变到下一代（跟随生物演变的轨迹） ，这种随机的方式取决于在群体中个体

7、的相对适合度（质量） 。这种类型的最常用的方法是遗传算法（GA） ，即使一些其它进化算法已经开发出来。迄今为止，这种方法主要被用于全球能量最小化，即解决了这样的问题：“给予一定数目的原子，我们就能知道能量的最低配置是什么？”在这一观点里，我们详细介绍了这种进化过程是如何进行的，也详细介绍了它的范围、预测的性能以及借助于模拟技术来获得真实的预测性能的创新方法。3 薄膜和纳米粒子的建模当所支持的晶格点阵基体变化时，某种材料的物理、化学、机械性能也将有很大变化，可以归因于诱导了所支持的薄膜和下面的基体中大量不同（在原子水平）结构的修改。这样的结构特征识别是控制这些物体最终属性的优化中心。由于这种系统

8、的复杂性，区域支撑薄膜是一种理想的平台，利用这一平台我们可以探索进化技术的潜力。3.1 原子沉积与薄膜生长几组通过沉积离子组成的薄膜到一个适当基片的表面都集中在生成薄膜。.具体而言，这一策略包括构建发光分子的“源” ，其依次射出，从源的随机点到基板（如图 1） 。动力学模拟和/或能量最小化是用来指示该离子进入低能量组态促进形成薄膜和各种结构。Dong11等人已采用这样的方法探索在错位薄膜的生长 中出现的应力弛豫和错配位错形核现象。特别地，作者认为在特定的临界厚度，发生位错成核和放松大部分错配。此外，该临界厚度随错配的减小而增加，同时也取决于错配的符号。Kubo 12等人预测到对 Yba2 Cu

9、 3O7-x /SrTiO3 异质结来说，BaO/SrO 是一个适当的过渡层。最近，作者探索了锌（0001）的外延生长机制，并提出生长在步骤而不是（0001）表面的平台部位 13启动。Sayle 14等人已经探索了氧化物负载于氧化物的生长，成核和薄膜结构基材。特别是，他们观察到，在基片表面的结构有其至关重要的影响，即有薄膜结构沉积在它上面。除此之外，他们还观察到缺陷，位错和晶界的发展，有助于相关晶格的失配；错位演变的机制也被提出了。Kubo 等人 12以相似的方式还预测了合适的过渡层，其作用是帮助维持更连贯的、结晶的薄膜。Liu et 等人 15在钨的薄膜形成过程中也探索到位错形核和位错传播，

10、这种形核和传播的发生限制于有压力存在的情况下。作者发现，成核的开始过程是在表面层上，其中一个原子被挤压到上方产生一个半位错环。关于这一主题的变化包括 Jensen 等人 16所做的研究，他们探索三维金字塔结构（集群）在基板上形成的。上述的策略被修改为这样的形式：图 1 表示分子从“源”沉积到目标衬底。下面的图说明了使用这种方法生成所得的薄膜的生长。详情可参见参考文献 14。沉积：原子沉积在随机选择的表面位置，每单位时间内表面的特定流通量。扩散：一旦沉积下来，孤立的原子被允许在任意方向上移动；扩散系数被引进到模拟中。挥发：孤立的离子可以挥发。聚合：两个原子邻近部位坚持不可逆的，可以既不扩散也不挥

11、发。缺陷捕捉：表面点缺陷捕捉沉积离子，然后充当岛状生长成核中心。与采用动态仿真使用沉积方法的主要限制是在哪一个可以探索的时间尺度。例如，与相类似的实验相比较，模拟的沉积速率一般具有较高的数量级。这种限制可以通过执行在高温下被偏移的模拟，使得该表面扩散被人为提高，为了某一个值，它必须在低温沉积，通过实验获得沉积速率 1115。有一类似的方法是受雇于 Sayle 等人 14发现的，他们进行长时间的动态模拟，进行高温，其次是能量最小化在不同的时间间隔（即每 10 个离子的沉积） 。这一策略使沉积的材料在结构上重新排列，从而防止在文献中出现的进化 14非晶薄膜。使用这些方法中，与成核和晶体生长相关的信

12、息是与薄膜的形成如位错，缺陷，表面粗糙度和外延具有一定相关的结构特征。然而，这种方法在计算上非常昂贵。因此，只有很小的模拟细胞可以考虑。在以下各节中我们将描述一些进化的方法，这些方法使得我们能够生产处“单步 ”系统，有利于扩大原子数范围的考虑。3.2 熔化和凝固探索微观结构和材料性能两者之间存在的关系，Phillpot 等人 17已经开发出一种方法，这一方法利用动态模拟有利于多晶薄膜的演变。特别是，本方法包括在基片（FeO（100） ）顶部放置材料的熔融铸坯（此情况下 FeO） 。在熔融铸坯中，介绍了任意取向的圆柱状颗粒 FeO。随着该系统的温度降低，熔融 FeO的凝固粒子作为形核点流动，Fe

13、O 沿粒子的取向的进一步增长。由于晶粒尺寸增加，因此晶界演变为二晶，形成晶体的交叉，最终系统接近完成再结晶。晶粒的引是核心过程，因为，没有晶粒，再结晶会导致底层的 FeO 晶格的简单扩展。在这项研究中，进化技术被用于与构造方法联合使用。例如，任意取向的晶籽是基于空间群和 FeO 的坐标构成的；进化，然后进行人工合成的多晶薄膜。关于生成的多晶 FeO 模型研究被证明是成功的。根据实验得出结构中包含着许多的晶界结构。最近，这项工作延伸到探索纳米薄膜晶粒的生长 7。然而，作者采用的 Voronoi 结构来生成微晶结构，而不是更进化的方法。这种方法被采，以减少与进化方法相关的巨大计算成本。类似“构造”

14、的方法（采用的 Voronoi 结构）已经完成，以确定金属结构-性质关系。特别是，Van Swygenhoven18提出在多晶 Ni 和 Cu 之间，在临界晶粒尺寸下，塑性变形存在于没有内部晶粒变形的晶粒边界。此外，Schiotz 19等人提出了随着晶粒尺寸的减小纳米铜逐渐软化。使用动态模拟方法的凝固方法被Okada 等人 20运用，他们探索了 MgO 晶体的生长晶面（100） ， （110）和（111） ，用熔融的 MgO 凝固在这些表面上。在这项研究中，关于表面结构的信息被用于作为制备条件的函数。3.3 模拟合金化和再结晶在这种方法中，不是熔化材料，也不是允许该系统固化，而是材料被强迫进行

15、受控合金化，接着再结晶 21。特别是，薄膜被直接放置在基底材料之上，要么被压缩，要么发生膨胀。在动态模拟过程中，材料合金化存在于相当大的压力系统内。动力学仿真长期应用将产生薄膜再结晶的的结果。图 2 说明了该过程。此外，上覆的材料响应跨越导致的所有的结构特征，如位错，缺陷及实验观察到的晶界形成的界面区域的晶格失配和相互作用。图 2 说明合金化和重结晶适于支承氧化物基体上的氧化物纳米颗粒的生成。左上角显示的起始结构描绘了岩盐结构氧化物受压情况。这是支承纳米粒子合金化的动力学仿真。长期应用动态模拟将导致纳米粒子（右）的再结晶。最终结构揭示了纳米颗粒是多晶，含有许多的晶界和晶粒交界处，暴露了各种层面

16、。在平面图右下方，描绘了在一个特定的晶粒，螺旋刃型位错的演变，以及它的核心结构描绘（左下） 。此外，该纳米颗粒包含许多缺陷和缺陷簇（空位，间隙和置换）包括离子在界面平面的迁移（不可见） 。从文献 21研究。这个策略已被证明是成功生成支承氧化物薄膜 22和纳米颗粒 23的模型，并建立一个策略，用于产生包括预期和实际中的所有的结构复杂性的系统。该方法的近期应用表明如何通过引入合适的过渡层 24，或使用特定基底来控制 1薄膜的结构。这些研究说明了模拟技术在预测能力时是如何被运用的。3.4 蒙地卡罗蒙特卡罗（MC ）方法提供了 优于典型的动态模拟的优势，他们可以在符合实际系统穿越更长的时间尺度上的优势。最近此项技术被应用于探索支承薄膜的结构和性能。Baker and Lindgard 25用 MC 技术去探索支承在 NaCl 表面的 KCl 薄膜的结构和异质外延。特别是，原子被正式排列成网状但被允许在对一个给定位置的小球发生