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

使用 LAMMPS 进行铜（Cu）单晶的结构弛豫和晶格常数计算时，需要基于分子动力学（MD）或能量最小化方法，结合合适的原子间势函数（如嵌入原子法势 EAM）。以下是详细的操作步骤和示例脚本：

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。(这里设置为 5 Å，变化较为明显)
在 LAMMPS 中可通过 lattice 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，例如：

Cu_u3.eam:Cu_u3.eam.txt

• 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:Cu_u6.eam.txt

• 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

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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）。

注：npt 与 box/relax 的区别

特性	fix box/relax	fix npt
功能	调整盒子尺寸以最小化能量或应力	控制温度和压力，模拟恒温恒压行为
适用阶段	能量最小化	分子动力学模拟
控制温度	不支持	支持
控制压力	不支持	支持
盒子变化方式	各向同性或各向异性	各向同性或各向异性
典型应用	消除初始结构的应力	模拟体系在指定温度和压力下的行为

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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

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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。

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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）。

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