晶格參數
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2021-02-15
晶格參數的實例教程
構建AlAs晶體結構
為了構建晶體結構，需要了解空間群、晶格參數和所要建立的晶體的內坐標等知識。對AlAs 來說，空間群是F-43m，或者空間群代號為216。晶格中有兩個原子，Al 和As 的分數坐標分別為(0，0，0)和(0.25，0.25，0.25)，晶格參數為5.6622 ?。
第一步是建立晶格。
在Project Explorer中，右擊根目錄并選擇New | 3D Atomistic Document。在Project Explorer中右擊該文件，將文件重新命名為AlAs.xsd。
從菜單欄上選擇Build | Crystals | Build Crystal。
顯示Build Crystal 對話框，如圖5－1。
點擊Enter group輸入216，按下TAB鍵。
Space group information欄被F-43m空間群的信息所更新。
選擇Lattice Parameters選項卡，將a的值從10.00 改變5.6622。按TAB鍵，然后點擊Build按鈕。
圖5－1 Build Crystal對話框
在3D視圖中顯示一個空白的晶格，現在可以添加原子。
從快捷菜單欄選擇Build | Add Atoms。
顯示Add Atoms對話框。
圖5－2 Add Atoms對話框
使用該對話框，可以在指定位置添加原子。
在Add Atoms對話框上，選擇Options選項卡。確保Coordinate system設置為Fractional。選擇Atoms選項卡。在Element 文本框中，輸入Al，然后點擊Add按鈕。
Al原子被添加到結構中。
在Element 文本框中，輸入As。在a、b 和c 文本框分別輸入0.25。點擊Add按鈕。關閉對話框。
展開 優化晶格參數,求出能量最低所對應的晶格參數
(3). 固定晶格參數, 求出能態密度(DOSCAR), 確定費米能量
(4). 修改KPOINTS和INCAR輸入文件,固定電荷密度,做非自洽計算,得到輸出文件EIGENVAL
(5). 提取數據,畫圖
(1). 生成4個輸入文件: POSCAR POTCAR INCAR KPOINTS
(2). 優化晶格參數,求出能量最低所對應的晶格參數
運行VASP程序, 查看SUMMARY.fcc輸出文件:
(3). 固定晶格參數, 求出能態密度(DOSCAR), 確定費米能量
(i) 找到平衡晶格常數后, 把該值寫入到POSCA件中,并增加K點數作一個離子步自洽計算(NSW = 0, IBRION = -1) .
(ii) 從DOSCAR輸出文件中讀出態密度和費米能級,費米費米能級也可從OUTCAR中讀出.
(4). 做非自洽計算, 求電子結構
? 修改INCA件: 將參數ICHARG設為 11
? 修改KPOINTS輸入文件
? 運行VASP程序,從輸出文件EIGENVAL中提出電子結構
畫出電荷密度
? VASP輸出電荷密度文件CHGCAR
? 采用免費程序LEV00處理數據文件CHGCAR www.cmmp.ucl.ac.uk/lev
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展開 該研究發現利用晶格結構相似、晶格參數不同的兩種材料，在外延生長時晶界處的晶格參數是相互匹配的，從而可在材料間產生各向同性應變，即“相間應變”。利用這種“相間應變”策略，研究人員在PbTiO3外延復合鐵電薄膜上引入高負壓從而實現了巨大的極化性能，其剩余極化強度可達到236.3微庫倫/cm2，是現有已知鐵電體的2倍。此外，這種薄膜的超四方性相在725℃的高溫下依然穩定，而對應塊體的相轉變溫度卻只有490℃。2018年8月3日，相關成果以題為“Giant polarization in super-tetragonal thin films through interphase strain”在線發表在Science上。
【圖文導讀】
圖1 PbTiO3外延復合薄膜的晶體結構表征
圖2 PbTiO3外延復合薄膜的微結構表征
圖3 PbTiO3/PbO界面的理論計算表征
圖4外延復合薄膜的性能表征
文獻鏈接：Giant polarization in super-tetragonal thin films through interphase strain（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aan2433）
來源：材料人 作者：NanoCJ
展開 利用具有原子尺度分辨能力的像差校正電子顯微術，發現在具有頭對尾極化特征的界面附近，鐵電PbTiO3中存在約~8%的面外晶格拉長現象，并伴隨104%，107%以及39%的Ti，O1和O2離子位移（δTi，δO1，δO2）增加。這意味著相比塊體材料，薄膜PbTiO3在PbTiO3/BiFeO3異質界面處有高達70%的極化增強。
圖1. BiFeO3/PbTiO3薄膜界面處的晶格參數，應變和離子位移分析。在BiFeO3/PbTiO3界面附近，不僅面外晶格參數（c）顯著拉長，Ti和Fe沿面外方向的離子位移（δTi，δFe）也顯著增大，預示界面附近PbTiO3中鐵電極化顯著增大。
圖2.（a-e）ABF-STEM像進一步驗證BiFeO3/PbTiO3界面極化提高。（f-j）PbTiO3層厚度不同時（2、3、6、17單胞），BiFeO3/PbTiO3界面處都存在面外晶格顯著拉長現象，預示PbTiO3厚度減小到2單胞時，極化仍顯著增強。
圖3. BiFeO3/PbTiO3界面的電子能量損失譜(a-c)和X射線光電子譜(d-e)分析表明，在BiFeO3/PbTiO3界面處存在氧空位聚集以及Fe3+向Fe2+的轉化。
同時，BiFeO3中的極化也比塊體值顯著增強。基于電子能量損失譜、X射線光電子譜以及第一性原理計算，他們提出異質界面極化巨大增強的電荷傳遞新機制并證實在上述構筑理念下極化巨大增強現象的普遍性。該研究結果不僅為探索新型鐵電界面效應提供了新途徑，也為破解鐵電超薄薄膜極化降低的科學難題提供了嶄新的思路，對納米鐵電器件的發展具有重要意義。
該項研究得到了國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目以及科技部“973”計劃等資助。相關成果于5月31日在《納米快報》上在線發表。
展開 疲勞壽命是表征材料在循環載荷作用下抵抗破壞能力的參數，宏觀上可以通過疲勞實驗測量。但是，宏觀與微觀之間存在差異，例如，微觀裂紋的萌生和擴展在宏觀實驗中可能難以直接觀察。為獲得循環載荷作用下材料行為的分子模擬和實驗結果間的定量比較與普適性解釋，通常以材料內部的微觀結構變化為特征，極端情況是材料內部無損傷和完全斷裂，介于兩者之間的所有其他狀態都可以認為是不同程度的損傷累積。
分子動力學在研究材料的循環加載行為及其微觀作用機理方面正逐漸展現出不可替代的價值。以銅（Cu）為例，作為廣泛應用的工程材料，其力學性能和循環加載下的響應特性是科研和工業界關注的焦點。選取面心立方（FCC）結構的Cu作為研究對象，其晶格參數來源于標準的晶體學數據庫，典型的Cu晶格參數為a=b=c=3.615?，α=β=γ=90°，形成高度對稱的立方晶胞結構。為了模擬實際材料中的加載情況，首先需要構建一個足夠大的Cu單晶模型，確保模擬結果能夠反映材料的宏觀行為而不受模型尺寸的限制。
圖1 (a)循環載荷加載曲線；(b)分子動力學模型
模型采用第三章中的 (100) 取向立方結構模型，X、Y、Z 三個方向分別對應于 [100]、[010]、[001] 取向,三個方向均采用周期性邊界條件以消除邊界效應。通過控制應變，采用拉壓循環的方式進行加載，應變比為 R =?1 ( R 為每次循環的最小應變與最大應變之比)。加載示意圖如圖1（a）所示。為了研究循環加載下溫度和應變率對疲勞力學性能和變形機理的影響，分別在300K溫度下和應變率為1×109s-1的條件下進行了模擬計算，此外，還考慮了正弦形波循環加載對力學性能和變形機制的影響。
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晶格參數的最新內容
這是一個簡單但常見的超原子結構的案例：襯底上包含一個納米圓盤的雙重周期方形晶格。示例和參數均取自Berzins等的文章[1]，單元格在X和Y方向上均是周期性的。它包含一個位于基板上的圓盤(或圓柱體)，被背景材料包圍。本案例中的材料根據參考文獻選擇為硅(圓盤)、玻璃(襯底)和空氣(背景)。
線偏振平面波s偏光和p偏光從上方入射到光柵，用JCMsuite計算近場分布。
選取面心立方（FCC）結構的Cu作為研究對象，其晶格參數來源于標準的晶體學數據庫，典型的Cu晶格參數為a=b=c=3.615?，α=β=γ=90°，形成高度對稱的立方晶胞結構。為了模擬實際材料中的加載情況，首先需要構建一個足夠大的Cu單晶模型，確保模擬結果能夠反映材料的宏觀行為而不受模型尺寸的限制。
選擇α-石英單晶胞，參數來源于晶體結構數據庫（COD），晶格參數為a=b=4.913?，c=5.4052?，α=β=90°，γ=120°，如圖2所示。切取表面并裸露出氧原子，擴胞作為石英礦物基底模型，儲層條件下的石英通常為水濕，即羥基化修飾表面。再在基底構型頂部均添加一定厚度的真空層以減小相鄰模擬單元中來自周期性構型間的相互作用。
插件可對任意形狀的二維或三維部件、任意特征（實體或殼）、任意單元形狀進行指派Voronoi晶格，可設置晶格數量等參數。可用于Abaqus晶體塑性有限元、非均質晶格、多晶體、三維Voronoi等模型構建及研究。
</p><p>Grain size 1、Grain size 2參數設置晶格尺寸的變化范圍，生成的Voronoi晶格模型將沿著Z軸方向晶格尺寸從size1變化到size2。</p><p>Timeout參數為計算時間，單位為秒，超過設定的計算時間后將停止計算并自動繪圖，計算時間的適當延長會使得晶格分布更加符合設定參數。
這是一個簡單但常見的超原子結構的案例：襯底上包含一個納米圓盤的雙重周期方形晶格。示例和參數均取自Berzins等的文章[1]，單元格在X和Y方向上均是周期性的。它包含一個位于基板上的圓盤(或圓柱體)，被背景材料包圍。本案例中的材料根據參考文獻選擇為硅(圓盤)、玻璃(襯底)和空氣(背景)。
這是一個簡單但常見的超原子結構的案例：襯底上包含一個納米圓盤的雙重周期方形晶格。示例和參數均取自Berzins等的文章[1]，單元格在X和Y方向上均是周期性的。它包含一個位于基板上的圓盤(或圓柱體)，被背景材料包圍。本案例中的材料根據參考文獻選擇為硅(圓盤)、玻璃(襯底)和空氣(背景)。
本次模擬采用LJ約化單位，初始晶體模型為六方最密堆積結構，晶格參數為0.7，沿x（100）方向為20倍晶格長度，y方向（010）為20倍晶格長度。此次模型為2維模型，x為流動方向，因此設置為周期性邊界。y方向采用收縮邊界，以模擬平板移動。采用OVTIO進行模型可視化處理。在模擬流動前先設置流動區域和平板區域。
平臺可以實現對能量狀態、躍遷概率、非線性相互作用等網格晶格參數的調節。
研究展示了負溫度下光子之間的熱力學過程，實現負溫度下熱量從低溫流向高溫，有望實現超過100%的卡諾效率。熱力學第二定律對所有熱機的熱效率進行了基本的限制。即使是理想的無摩擦發動機也不能將其100%輸入熱量的任何地方轉換成工作，卡諾循環的效率必定小于1。
本次模擬采用LJ約化單位，晶體為面心立方結構，晶格參數為0.6，沿x（100）、y（010）方向為10倍晶格長度，z（001）方向為20倍晶格長度。采用compute chunk/atom將模型沿著z方向分成20塊，設置底端0-1倍晶格長度為熱端，中間10-11為冷端。模擬溫度為1.35。先讓模型在該溫度下NVT弛豫1000步。然后再使用NVE系綜，冷熱源采用langevin控溫。
