Sophia

關鍵詞：CP2K；非晶態；二氧化硅;分子動力學模擬；退火

非晶二氧化硅（a-SiO?）因其高介電常數、優異的化學穩定性與熱穩定性，被廣泛用于光電子器件、微電子絕緣層、以及多種涂層領域。本案例將通過模擬退火方式獲得無定形二氧化硅結構，即令晶態二氧化硅升溫至融化以破壞晶態結構，如何降溫成固態，最后做結構優化。注意不能對熔融狀態下的二氧化硅直接做結構優化，否則會收斂到能量很高，無化學意義的極小點結構。

初始模型的構建

啟動VMD，進入

Extension-Modeling-Inorganic Builder中構建方石英二氧化硅超胞，如圖1所示：

圖1 初始晶態二氧化硅模型

首先進行高溫動力學模擬，CP2K輸入文件中任務類型設為分子動力學，理論方法選擇GFN1-XTB，溫度設為3000，采用CSVR熱浴，計算10 ps。其結構演變如圖2所示。可以看到，經過10 p后，晶態二氧化硅已經完全變得無序。

圖2 升溫過程晶態二氧化硅結構的演變

接著進行降溫動力學的模擬，CP2K輸入文件溫度設為800，采用CSVR熱浴，模擬時間計算6 ps。算完后進入gnuplot,執行以下命令檢查溫度隨時間的變化：

plot ‘cool-1.ener’ u 2:4 w 1 t ‘Temperature

圖3 降溫過程體系的溫度變化

可以看到，初始溫度2819.6 K，模擬前期和參考溫度溫差較大。降溫較快。模擬6 ps后溫度降為880K ，和參考溫度較為接近。

最后通過徑向分布函數考察其結構特征，如圖4和圖5 所示。可以看到，初始晶態結構的rdf十分陡峭，體現出原子排列的顯著周期性。而無定型二氧化硅的RDF很平滑，類似于液態物質，體現出盒子里的原子分布十分無序。

圖4 初始二氧化硅的徑向分布函數

圖5 模擬產生的非晶二氧化硅的徑向分布函數

結語

本案例通CP2K分子動力學模擬，成功探究了通過高溫退火產生非晶體二氧化硅的過程。對于相關領域的研究人員和工程師來說，本案例提供了一個有力的工具，可以為解決實際問題提供理論依據和技術支持。

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