【正文】 and briefly introduces the basic theory of puter simulation puter simulations in molecular dynamics simulation method, the main purpose of this paper: (1): understanding the film solar cell research background and current situation at home and abroad。 外文翻譯 ................................................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 目前一種既具有高的光電轉換效率，又具有比較低的制作成本，而且非常有希望在未來 10 年能獲得較大規(guī)模應用，無論從理論計算還是從已經取得的實際研究結果的確可以使人有理由相信這一點。到 2030 年，僅在日本，太陽電池的年產量也將達到 1000 萬 kW。對 CIGS 薄膜太陽能電池的研究幾乎微不足道，以自然科學基金和國家 863計劃為主的基礎研究資金投入不足 300萬人民幣，相關基礎研究水平較低，國內目前達到的實驗室最高光電轉化率僅為 8%9%.以產業(yè)化為目的的研究 項目有南開大學光電子所的“ 2020 年能源技術領域后續(xù)能源技術主題太陽能薄膜電池“ 863”項目” CIGS 課題，科技部資金支持強度約 2020 萬人民幣，目標是建成 中試線。 (2)：由于 CIGS本身的特殊物性，它可以在玻璃基板上形成缺陷很少的、晶粒巨大的、高品質結晶。這些 優(yōu) 勢 就是 CIGS電池盡管為多晶薄膜但仍能取得很高轉換效率的原因。我國在技術上，資源上，資金上，成本上都具有很大的發(fā)展?jié)摿?。計算物理學是一門以物理和其他科學工程技術問題為出發(fā)點，運用數學的方法，并以電子計算機為工具來研究物理現象和規(guī)律的學科，它擴展了理論物理學，超出了分析方法的局限性，并擴展了實驗科學的領地，因此它具有很強的應用性。 計算材料科學主要是在微觀的分子和原子層面上對材料的性質進行研究 ，其研究方式是用分子動力學方法和蒙特卡洛方法進行模擬運算。原子模擬既可以進行完美晶體的計算，也可以計算缺陷能。對于原子模擬的每個離子，經典計算遠為高效，且計算量要小的多，這使得它能夠考慮大量數目的原子。 2020 年進行了三千二百億個原子的模擬（ IBM lueGene/L）。 計算機模擬技術 是 以多種學科和理論為基礎，以計算機 及相關 的軟件為工具， 用 虛擬試驗的方法來分析和解決 實際 問題的一門綜合性技 術。 1957 年， Alder和 Wainwright首先在硬球模型下，采用分子動力學研究氣體和液體的狀態(tài)方程，從而開創(chuàng)了利用分子動力學模擬方法研究物質宏觀性質的先例。 分子動力學模擬方法基本原理 分子動力學模擬的基本原理：分子動力學將連續(xù)介質看成由 N個原子或分子組成的粒子系統(tǒng) ,各粒子之間的作用力可以通過量子力學勢能函數求導得出 ,忽略量子效應后 ,運用經典牛頓力學建立系統(tǒng)粒子運動數學模型 ,通過數值求解得到粒子在相空間的運動軌跡 ,然后由統(tǒng)計物理學原理得出該系統(tǒng)相應的宏觀動態(tài)、靜態(tài)特性。為了推動系統(tǒng)到達平衡 ,需要一個趨衡階段。最簡單的偶勢模型只考慮兩體作用 ,而與其它原子無關 ,在模擬中運算量小。該方法可以被用到沒有任何內稟動力學模型體系的模擬上。系統(tǒng)的動力學機制決定運動方程的形式： 在分子動力學方法處理過程中，方程組的建立是通過對物理體系的微觀數學描述給出的。它與蒙特卡洛方法 一起已經成為計算機模擬的重要方法。數值求解時的離散化方法： 對體系的分子運動方程組采用計算機進行數值求解時，需要將運動方程離散化為有限差分方程。這也就使 宏觀性質的計算式 各不相同。 2，微正則系綜 微正則系綜是指體系完全孤立，與外界不發(fā)生任何的物質和能量交換，即粒子數N、體系總能量 E和體系的總體積 V都保持恒定，簡寫為 NEV。這種描述可以是哈密頓描述或拉格朗日描述，也可以是直接用牛頓運動方程表示的描述。 本方法有一定的 確定性 ， 不存在任何 的 隨機過程 ， 計算出的運動軌跡具有確切的動力學含義 。進一步推導，可得到t時刻速度為： ? ? ? ? ? ?? ?ttrttrttv ??? ???? 2 1 () 公式 ， t時的速度可由 ? ?tt ?? 及 ? ?tt ?? 的位置得到。這種描述可以是哈密頓描述或拉格朗日描述，也可以是直接用牛頓運動方程表示的描述。選擇適當的勢函數對模擬結果至關重要，本文采用的是 原子 嵌入勢 (EAM)。 隨著計算機的不斷發(fā)展，計算機軟件也得到了長足的進步，這使復雜體系的分子動力模擬計算成為可能。 (4) 求解牛頓運動方程。對于一小塊樣品，其內部粒子數也是很多的，要想精確求出系綜中粒子間相互作用和運動狀態(tài)是不可能的，只有通過少量粒子的運動性質計算來求出宏觀性質。這些鏡像細胞的尺 寸和形狀與原胞完全相同 ， 并且每個鏡像細胞所包含的 N個粒子是原胞中粒子的鏡像 ， 原胞在各個方向周期復制便形成了宏觀物質樣本。計算胞中一般只包含幾千個原子，對應 1020摩爾量級的材料。首先給定勢參數的初始值，其次利用該多體勢導出該系統(tǒng)的物理性質，例如晶格常數，彈性模量等，并與實驗值相比較，然后微 調勢參數，直到獲得滿意的結果。獲得了一組優(yōu)良的多體勢參數后，就可以利用此多體勢進行分子動力學模擬，得到自己所需要的結果。模擬結果給出了原子軌跡 ,這一工作使得過去對熱力學性能的定性估計邁向對微觀過程的定量研究。在并行處理系統(tǒng)上對更大量的原子系統(tǒng)進行模擬研究 ,其結果必然會接近于實際 ,從而對生產實踐將會更有實際指導意義。在高壓 (45GPa)下 ,Mg以 81012和 51013K/s 的速度冷卻后為 bcc結 構 ,冷卻速度為 11014K/s 時可得非晶結構。 Wang等人研究了理想晶體在恒定壓力、溫度和非軸向拉伸力作用下的彈性變形和失效力學行為。又如 ,常規(guī)的快冷技術冷卻速度一般 107K/s,無法使 Ni3Al非晶化。材料硬度的第一原理標度 。 分子動力學模擬的歷史演變隨著算法的改進和計算機的發(fā)展而發(fā)展的。 GULP 軟件的主要基礎是力場原理，它主要用來模擬固體材料的性質。具體平方和 F 表示為： ? ?2c d c a b sa llo b s e r v a b leF f f???? 式中 cdcf 和 absf 分別是計算值和已知的用于擬合的數值； ? 是每一平方項的權重因子。用于擬合的已知數據可以是實驗數據也可以是第一原理的計算數據，但準確性一定要高。而當去擬合其它性質時雖然誤差很小，但相對來說第二種方法的準確性低一些。對此弛豫擬合的處理方法是在每個點都對結構進行優(yōu)化并計算結構參數的變化。當擬合殼模型勢的時候，我們需要把作用在每個原子上的力最小化。最后進一步檢驗擬合好壞的一個依據是被擬合勢參數的個數一定要少于用于擬合的標準值的個數。 GULP 軟件有許多功能，如晶體性質的計算，擬合勢函數，過渡態(tài)計算，缺陷計算，表面計算等。進行大規(guī)模分子動力學方法研究 ,擴大模擬系統(tǒng)中的粒子數 ,減小計算誤差 ,以獲得穩(wěn)定的精確的模擬。Ni/Ni3Al界面結合的 雜質效應 。另外 ,MD法還在固液相變、固態(tài)相變、表面能計算、晶體生長等幾個方面得到應用。 （ 5） 金屬界面研究 目前有關界面的 MD研究的不多。 （ 4） 薄膜形成過程 薄膜研究是當今科學研究的熱點之一。王魯紅等人采用F2S型多體勢描述了 8種 hcp型金屬的液態(tài)微觀結構并與實驗相比較 ,模擬結果表明 ,Mg、 Co和 Zn的勢函數可以較好的描述其液態(tài)結構 ,Ti和 Zr的勢函數則不能 。自此 ,凝聚態(tài)物質的分子動力學模擬成為可能 ,許多研究者紛紛投入這一研究工作。 MD 方法不要求模型過分簡化 ,可以基于分子 (原子、離子 )的排列和運動的模擬結果直接計算求 和以實現宏觀現象中的數值估算。對于一個由 A、 B 組成二元合金系統(tǒng)，一個完整的多體勢應有三組勢參數：即描述同種原子 AA、 BB 之間的作用勢的勢參數以及描述異種原子 AB之間的作用勢（也稱為交叉勢）的勢參數。 原子間相互作用勢 在分子動力學模擬中，能夠正確的描述原子之間的相互作用勢是至關重要的，它決定了模擬結果的可靠性，因此，分子動力學模擬的很大部分工作被放在了對原子間相互作用勢的擬合上。計算胞的外圍是一個具有晶體結構的原子位置被固定的 “ 包層 ” 。 所謂周期性邊界條件就是 把較小的模擬 計算 體系在三維 空間中 無限 重復 ， 這樣就能 更好的 代表實際物質。重復這兩步直至計算體系的演化到指定的時間長度。 一個完整的分子動力學模擬程序主要由以下幾部分組成： (1) 讀入指定運算條件的參數，如初始溫度、 粒子數、密度和時間等。按照上述方法建立的體系很可能不是處于平衡態(tài)，因此系統(tǒng) 需要一個趨衡階段 ，即使系統(tǒng)弛豫 若干時間步 長， 使系統(tǒng) 達到 平衡態(tài)。顧名思義，分子動力學方法是用運動方程來計算系統(tǒng)的性質，結果得到的既有系統(tǒng)的靜態(tài)特性，也有動態(tài)特性。 為了減小 Verlet算法中 的誤差， 1970年， Hockney對 其 進行了 修正 ，提出了 新的算法，即 所謂的蛙跳 (1eapflog)算法 ： ? ? ? ? ?????? ???? ttvtrttr ?? 21 （ ） ? ?tatttvttv ???????? ???????? ? ??? 2121 （ ） ? ? 1 1 12 2 2v t v t t v t t????? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ??? （ ） 雖然蛙跳算法修正了 Verlet算法的誤差，使計算更準確，但是此算法計算出來的原子的位置和速度不同步，這就導致計算結 果有一定的偏差，為了修正這種偏差， 1982年， Swope等人 [56]提出了速度 Verlet，表示為： ? ? ? ? ? ? ? ?212r t t r t tv t t a t? ? ???? ? ? ??? （ ） ? ? ? ? ? ? ? ?12v t t v t t a t a t t? ? ?? ? ? ? ????? （ ） 速度 Verlet算法解決了 計算過程中原子 位置和速度不同步的問題， 更準確的表述了實際原子的狀態(tài)和性質，而且 Verlet算法 的還有執(zhí)行簡明，對計算機內存要求不高等優(yōu)點，因此 被研究 者 廣泛使用。因此，體系內的相互作用就變成了一個只依賴兩個原子核間距離的勢函數的量，而電子的影響則被化為了一個平均的勢場。顧名思 義，分子動力學方法是用運動方程來計算系統(tǒng)的性質，結果得到的既有系統(tǒng)的靜態(tài)特性，也有動態(tài)特性。微正則系綜的熱力學勢函數用熵來表示： NVEB QkS ln? () 在分子動力學模擬中，粒子的運動規(guī)律按經典力學進行，因此，體系的能量是守恒的，在模擬體系的粒子數恒定，體積不變的情況下，模擬的系綜就是 NEV系綜。 1，等溫等壓系綜 一般情況下， 實驗室 所用的 材料 都認為 是處在等溫等壓條件下的。數值計算的誤差階數顯然取決于所采用的數值求解方法的近似階數。其應用已從化學反應、生物學的蛋白質到重離子碰撞等廣泛的學科研究領域。 每個分子運動的內稟動力學是用理論力學上的哈密頓量或者拉格朗日量來描述，也可以直接用牛頓運動方程來描述。 另一類為確定性模擬方法，即統(tǒng)計物理中的所謂分子動力學方法（ Molecular Dynamics Method）。 對于一個多粒子體系的實驗觀測物理量的數值可以由總的平均得到。接著是物理量的計算階段 ,沿著系統(tǒng)在相空間中的軌道計算一切令人感興趣的量。 MD具體的做法是計算機上求運動方程的數值解。但由于受到計算機速度及其內存的限制，早 期模擬的空間尺度都受到很大的限制。材料性質與行為的計算與模擬可以簡單地分為兩大類：連續(xù)模型和原子模型。在忽略核子的量子效應和 BornOppenheimer 絕熱近似下，分子動力學的這一 種假設是可行的。有些研究者對晶格的局部結構采用量子力學方法，對整個晶體采用原 子模擬技術，不失為一種較好的折中方法。 計算機工業(yè)在過去的幾十年里快速發(fā)展，集成電路上晶體管的數目一直遵循摩爾定律按指數方式增長，計算機計算的功能越來越強大。特別在材料科學中，計算機 “ 實驗 ” 成為多粒子系統(tǒng)模型和試驗觀測之間重要聯系方式。 20 世紀 40 年代初，第二次世界大戰(zhàn)時期，當時美國在研制核武器的工作中，迫切需要解決流體動力學過程、核反應過程、中子輸運過程和物態(tài)變化過程等交織在一起的一系列問題，它們涉及的都是十分復雜的非線性方程組，用傳統(tǒng)的解析方法 求解是根本不可能的，因為需要在短時間內進行大量復雜的數值計算，沒有計算機而靠人們手工運算或用機械計算器也是絕對不可能的。 所以本論文研究目的是 通過 采用花費較低的原子模擬的方法 ——分子動力學模擬，在比較短的時間里得到其 在拉力、溫度的變化下的 Cu 納米線的性質 ，為探索和促進 CIGS 太陽能薄膜