X-Git-Url: https://hackdaworld.org/gitweb/?p=lectures%2Flatex.git;a=blobdiff_plain;f=posic%2Ftalks%2Fmd_simulation_von_silizium.tex;h=92adaa21d45a421fd6cb908647d92da889eb676e;hp=b58414229732aa6dbe557aabc8788558b80adc57;hb=e08a97849ebaf34c088eef126bf83fa8a4267119;hpb=360e24a68a61bace438bf7a995e87e29f6496d40 diff --git a/posic/talks/md_simulation_von_silizium.tex b/posic/talks/md_simulation_von_silizium.tex index b584142..92adaa2 100644 --- a/posic/talks/md_simulation_von_silizium.tex +++ b/posic/talks/md_simulation_von_silizium.tex @@ -38,6 +38,12 @@ \def\slideleftmargin{5.1cm} \def\slidetopmargin{-0.6cm} +\def\slidetopmargin{-0.6cm} + +\newcommand{\ham}{\mathcal{H}} +\newcommand{\pot}{\mathcal{V}} +\newcommand{\foo}{\mathcal{U}} +\newcommand{\vir}{\mathcal{W}} % topic @@ -139,7 +145,7 @@ Ergodenhypothese: Gleichheit der zwei Mittelwerte \item System Hamilton-Funktion $\mathcal{H}({\bf q},{\bf p})$ \item Hamilton'sche Bewegungsgleichungen:\\ \[ - \dot{p}_i = \frac{\partial \mathcal{H}}{\partial q_i}, + \dot{p}_i = - \frac{\partial \mathcal{H}}{\partial q_i}, \qquad \dot{q}_i = \frac{\partial \mathcal{H}}{\partial p_i} \]\\ @@ -153,7 +159,7 @@ $\Rightarrow$ observable Gr"o"sen durch zeitlichen Mittelwert\\ Notwendige Bestandteile der MD-Simulation } \begin{itemize} - \item Methode zum Intgrieren der Bewegungsgleichungen (Integrator) + \item Methode zum Integrieren der Bewegungsgleichungen (Integrator) \item Modell zur Wechselwirkung (analytische Potentialfunktion) \item Zusatz zur \dq Kontrolle\dq{} des gew"unschten Ensembles \end{itemize} @@ -197,26 +203,515 @@ $\Rightarrow$ observable Gr"o"sen durch zeitlichen Mittelwert\\ \begin{slide} {\large\bf - + {\em Predictor-Corrector} Algorithmus +} +\begin{itemize} + \item Vorhersage der Orte, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen etc ... + \begin{eqnarray} + {\bf r}^p(t + \delta t) &=& {\bf r}(t) + \delta t {\bf v}(t) + + \frac{1}{2} \delta t^2 {\bf a}(t) + + \frac{1}{6} \delta t^3 {\bf b}(t) + \ldots + \nonumber \\ + {\bf v}^p(t + \delta t) &=& {\bf v}(t) + \delta t {\bf a}(t) + + \frac{1}{2} \delta t^2 {\bf b}(t) + \ldots + \nonumber \\ + {\bf a}^p(t + \delta t) &=&{\bf a}(t) + \delta t {\bf b}(t) + \ldots + \nonumber \\ + {\bf b}^p(t + \delta t) &=&{\bf b}(t) + \ldots + \nonumber + \end{eqnarray} + \item Brechnung der tats"achlichen Kraft/Beschleunigung ${\bf a}^c$ + f"ur die vorhergesagten Orte ${\bf r}^p$ \\ + $\Rightarrow$ Korrekturfaktor: + $\Delta {\bf a}(t + \delta t) = + {\bf a}^c(t + \delta t) - {\bf a}^p(t + \delta t)$ + \item Korrektur: + \begin{eqnarray} + {\bf r}^c(t + \delta t) &=& {\bf r}^p(t + \delta t) + + c_0 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber \\ + {\bf v}^c(t + \delta t) &=& {\bf v}^p(t + \delta t) + + c_1 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber \\ + {\bf a}^c(t + \delta t) &=& {\bf a}^p(t + \delta t) + + c_2 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber \\ + {\bf b}^c(t + \delta t) &=& {\bf b}^p(t + \delta t) + + c_3 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber + \end{eqnarray} + \item Optional: Iteration des Korrekturschrittes +\end{itemize} +{\scriptsize + C. W. Gear. + The numerical integration of ordinary differential equations of various orders. + (1966)\\ + C. W. Gear. + Numerical initial value problems in ordinary differential equations. + (1971) } \end{slide} \begin{slide} {\large\bf + Velocity Verlet +}\\ +Aus formaler L"osung der Liouville-Gleichung f"ur Ensemble Zeitentwicklung: +\begin{eqnarray} + {\bf r}(t+\delta t) &=& {\bf r}(t) + \delta t {\bf v}(t) + + \frac{1}{2} \delta t^2 {\bf a}(t) \nonumber \\ + {\bf v}(t+\delta t) &=& {\bf v}(t) + \frac{1}{2} \delta t ( + {\bf a}(t) + {\bf a}(t+\delta t)) \nonumber +\end{eqnarray} +Alogrithmus: +\begin{itemize} + \item Berechnung der neuen Ortskoordinaten ${\bf r}(t+\delta t)$ + \item Erste Berechnung der Geschwindigkeiten + \[ + {\bf v}(t+\delta t/2) = {\bf v}(t) + \frac{1}{2} \delta t {\bf a}(t) + \] + \item Berechnung der Kr"afte f"ur die Orte ${\bf r}(t+\delta t)$ + $\Rightarrow {\bf a}(t+\delta t)$ + \item Update der Geschwindigkeiten + \[ + {\bf v}(t+\delta t) = {\bf v}(t+\delta t/2) + + \frac{1}{2} \delta t {\bf a}(t+\delta t) + \] +\end{itemize} +Eigenschaften: +\begin{itemize} + \item entspricht {\em GEAR-3} mit Ortskorrekturfaktor $c_0=0$ + \item einfach, schnell, wenig Speicheraufwand $(9N)$ + \item verh"altnism"a"sig pr"azise +\end{itemize} +\end{slide} -} +\begin{slide} +{\large\bf + Modell zur Wechselwirkung - Das Potential +}\\ +Klassisches Potential: +\[ +{\mathcal V} = \sum_i {\mathcal V}_1({\bf r}_i) + + \sum_{i,j} {\mathcal V}_2({\bf r}_i,{\bf r}_j) + + \sum_{i,j,k} {\mathcal V}_3({\bf r}_i,{\bf r}_j,{\bf r}_k) + + \ldots +\] +\begin{minipage}{8.3cm} +\begin{itemize} + \item ${\mathcal V}_1$: Eink"orperpotential (Gravitation, elektrisches Feld) + \item ${\mathcal V}_2$: Paarpotential + (nur abh"angig vom Abstand $r_{ij}$) + \item ${\mathcal V}_3$: Dreik"orperpotential + (oft ${\mathcal V}_3(r_{ij},r_{ik},\theta_{ijk})$) + \item oft umgebungsabh"angiger Term in ${\mathcal V}_2$ eingebaut + \item Terme h"oherer Ordnung vermutlich klein (Biologie, Chemie) + \item nur Paarpotential\\ + $\Rightarrow$ hcp im Grundzustand\\ + $\Rightarrow$ ungen"ugend f"ur kovalent gebundene Materialien +\end{itemize} +\end{minipage} +\begin{minipage}{4cm} + \includegraphics[width=4.3cm]{tersoff_angle.eps} +\end{minipage} +Cut-Off Radius $r_c$: +\begin{itemize} + \item Atome $i$, $j$ mit $r_{ij} > r_c$ wechselwirken nicht + \item Korrektur f"ur Potentiale die erst im Unendlichen verschwinden +\end{itemize} +\begin{picture}(350,5) +\end{picture} +Kraft: ${\bf F}_i = - \nabla_{{\bf r}_i} \mathcal{V}$ \end{slide} \begin{slide} {\large\bf + Wahl/Kontrolle des Ensembles +}\\ +\begin{picture}(350,10) +\end{picture} +Erinnerung: +\begin{itemize} + \item Stichproben aus Zust"anden im Phasenraum, $_{ens} = _t$ + \item Bewegungsgleichung als Propagationsvorschrift $\Rightarrow$ Gesamtenergie erhalten + \item Au"serdem konstant: $N$ und $V$ +\end{itemize} +$\Rightarrow$ Simulation eines NVE-Ensembles +\[ + \rho_{ens}=\delta(H(t)-E) +\] +\begin{picture}(350,10) +\end{picture} +F"ur andere Ensembles: +\begin{itemize} + \item Anpassung der Bewegungsgleichungen f"ur eine Sequenz von Konfigurationen + im gew"unschten Ensemble +\end{itemize} +\begin{center} +{\color{red} oder} +\end{center} +\begin{itemize} + \item Tricks zur Kontrolle von $T$ und $p$ + $\Rightarrow$ $NVE \rightarrow NVT,NpT$\\ + Anmerkung: $T$ und $p$ fluktuieren, + Mittelwerte entsprechen den gew"unschten Werten +\end{itemize} +\end{slide} -} +\begin{slide} +{\large\bf + kanonisches Ensemble (NVT) +}\\ +\begin{picture}(350,10) +\end{picture} +Trick: {\em temperature scaling} +\begin{itemize} + \item forcieren der gew"unschten Temperatur in jedem Schritt + \item $E_{kin} = 3/2 Nk_BT$ + \item eigentlich {\em velocity scaling} + \item Berendsen Thermostat: + \[ + \lambda = \sqrt{1+\frac{\delta t}{\tau_T}\Big(\frac{T_{ref}}{T}-1\Big)} + \] + \begin{center} + $\tau_T>100\times\delta t \Rightarrow$ reale thermische Fluktuationen\\ + {\scriptsize Berendsen et al. J. Chem. Phys. 81 (1984) 3684.} + \end{center} +\end{itemize} +Andersen: +\begin{itemize} + \item Zuf"alliges "Andern der Geschwindigkeit eines Atoms entsprechend + der Temperatur + \item Physikalische Interpretation: Kopplung an W"armebad + \item {\color{green} n"utzlich zum Berechnen thermodynamischer Gr"o"sen} + \item {\color{red} nicht geeignet zur Beschreibung atomistischer Prozesse}\\ + (unphysikalische St"orung der Bewegung des einzelnen Atoms) +\end{itemize} \end{slide} \begin{slide} {\large\bf + isothermales isobares Ensemble (NpT) +}\\ +\begin{picture}(350,10) +\end{picture} +Trick: {\em pressure scaling} +\begin{itemize} + \item analog zum {\em temperature scaling} + \item $p = - \frac{\partial \mathcal{V}}{V}$ (Alternative sp"ater) + \item eigentlich {\em volume scaling} + \item Berendsen Barostat: + \[ + \mu = \Big[1-\frac{\delta t}{\tau_p}\beta (p_0-p)\Big]^{1/3} + \] +\end{itemize} +\begin{picture}(350,10) +\end{picture} +Andersen: +\begin{itemize} + \item modifizierte Bewegungsgleichung + (neue Variable $Q$, ${\bf \rho}_i = {\bf r}_i/V^{1/3}$) + \[ + \mathcal{L}(\rho^N,\dot{\rho}^N,Q,\dot{Q}) + =\frac{1}{2}mQ^{2/3}\sum_i \dot{\rho}_i^2 - + \sum_{ir_c$ + \item Atome in Subzell-Listen eintragen\\ + $\Rightarrow$ $\mathcal{O}(N)$ + \item WW mit Atomen aus $27$ Subzellen\\ + $\Rightarrow$ $\mathcal{O}(27N \frac{N}{M^3})$\\ + $N/M^3$ Materialkonstante + \end{itemize} + $\Rightarrow$ $\mathcal{O}(27N \frac{N}{M^3} + N) = \mathcal{O}(N)$ + \end{minipage} + \begin{minipage}{5cm} + \includegraphics[width=5cm]{cell_meth.eps} + \end{minipage} +\end{itemize} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Thermodynamische Gr"o"sen } +\begin{itemize} + \item Innere Energie: + \[ + E = + = < \sum_i \frac{{\bf p}_i^2}{2m_i} > + + \] + \item Temperatur/Druck + \[ + = k_BT, \quad + = k_BT + \] + \begin{center} + {\em "Aquipartitionstheorem} + \end{center} + Temperatur: + \[ + <\sum_i {\bf p}_i \frac{{\bf p}_i}{m_i}> = 3Nk_BT \quad + \Rightarrow \quad T=\frac{1}{3Nk_B} <\sum_i \frac{{\bf p}_i^2}{m_i}> + \] + Druck: + \[ + <\sum_i {\bf q}_i \nabla_{{\bf q}_i} \foo> = 3Nk_BT \quad + \stackrel{\textrm{kart. Koord.}}{\Rightarrow} \quad + - \frac{1}{3} <\sum_i {\bf r}_i \nabla_{{\bf r}_i} \foo> = -Nk_BT + \] + \begin{center} + mit + \end{center} + \[ + - \nabla_{{\bf r}_i} \foo = {\bf f}_i^{tot} = {\bf f}_i^{ext} + {\bf f}_i^{int} + \] + \begin{center} + wobei + \end{center} + \[ + \frac{1}{3} \sum_i {\bf r}_i {\bf f}_i^{ext}=-pV, \quad + \frac{1}{3} \sum_i {\bf r}_i {\bf f}_i^{int}= + - \frac{1}{3} \sum_i {\bf r}_i \nabla_{{\bf r}_i} \pot = \vir + \] + \begin{center} + folgt + \end{center} + \[ + pV = Nk_BT + <\vir> + \] +\end{itemize} +\end{slide} + +%\begin{slide} +%{\large\bf +% Thermodynamische Gr"o"sen +%} +%\begin{itemize} +% \item W"armekapazit"at +% \item Struktur Werte +% \item Diffusion +%\end{itemize} +%\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Idee des Tersoff Potentials +} + \begin{picture}(350,10) + \end{picture} +\begin{itemize} + \item Potential f"ur kovalente Bindungen\\ + ($Si$: $sp^3$-Hybridisierung, 4 "au"sere Elektronen, + 4 gerichtete Bindungen, Winkel: $109,47 ^{\circ}$)\\ + $\Rightarrow$ Bindungsenergie von 3 Atomen $i,j,k$ + abh"angig von $r_{ij},r_{ik},r_{jk}$ {\color{red} und} + $\theta_{ijk},\theta_{ikj},\theta_{kij}$ + \item {\em\color{blue} bond order} Potential + im Gegensatz zu {\em explicit angular}\\ + \[ + \pot = \pot_R(r_{ij}) + {\color{blue} b_{ijk}} \pot_A(r_{ij}) + \] + \begin{picture}(350,10) + \end{picture} + \begin{itemize} + \item $b_{ijk}$: umgebungsabh"angiger Term + \item $b_{ijk}=const.$ $\Rightarrow$ Paarpotential + \item Schw"achung der Paarbindung je mehr Nachbarn vorhanden\\ + qualitative Motivation: Anzahl der Elektronenpaare pro Bindung + \item St"arke der Bindung monoton fallend mit Koordinationszahl\\ + steiler Abfall $\Rightarrow$ Dimer\\ + schwacher Abfall $\Rightarrow$ maximale Koordinationszahl + (hcp-Struktur) + \item Pseudopotentialtheorie: + \[ + b_{ijk} \sim Z^{-\delta} + \] + \begin{center} + {\scriptsize Abell et al. Phys. Rev. B 31 (1985) 6184.} + \end{center} + \end{itemize} +\end{itemize} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Form des Tersoff Potentials: +}\\ +Gesamtenergie: +\[ +E = \frac{1}{2} \sum_{i \neq j} \pot_{ij}, \quad +\pot_{ij} = f_C(r_{ij}) \left[ f_R(r_{ij}) + b_{ij} f_A(r_{ij}) \right] +\] +Repulsiver und attraktiver Beitrag: +\begin{eqnarray} +f_R(r_{ij}) &=& A_{ij} \exp(-\lambda_{ij} r_{ij}) \nonumber \\ +f_A(r_{ij}) &=& - B_{ij} \exp(-\mu_{ij} r_{ij}) \nonumber +\end{eqnarray} +Cut-Off Funktion: +\[ +f_C(r_{ij})=\left\{\begin{array}{ll} + 1, & r_{ij} < R_{ij} \\ + \frac{1}{2} + + \frac{1}{2} \cos \Big[ \pi (r_{ij} - R_{ij})/(S_{ij} - R_{ij}) \Big], + & R_{ij} < r_{ij} < S_{ij} \\ + 0, & r_{ij} > S_{ij} +\end{array} \right. +\] +{\em bond order} Term: +\begin{eqnarray} +b_{ij} &=& \chi_{ij} (1 + \beta_i^{n_i} \zeta^{n_i}_{ij})^{-1/2n_i} +\nonumber \\ +\zeta_{ij} &=& \sum_{k \ne i,j} f_C (r_{ik}) \omega_{ik} g(\theta_{ijk}) +\nonumber \\ +g(\theta_{ijk})&=&1+c_i^2/d_i^2 - c_i^2/[d_i^2 + (h_i - \cos \theta_{ijk})^2] +\nonumber +\end{eqnarray} +Anmerkung: +\begin{itemize} + \item einfach indizierte Parameter nur abh"angig vom jeweiligen Atomtyp + \item doppelt indizierte: geometrisches Mittel ($A,B,R,S,\omega,\chi$), + arithmetisches Mittel ($\lambda,\mu$) +\end{itemize} +\end{slide} + +%\begin{slide} +%{\large\bf +% EAM +%} +% +%\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Albe Reparametrisierung +}\\ +\begin{picture}(350,20) +\end{picture} +Schw"achen von Tersoff (2,3) +\begin{itemize} + \item Zu geringe Dimer-Bindungsenergie + \item T(2): gut f"ur Oberfl"acheneigenschaften + \item T(3): gut f"ur Bulkeigenschaften +\end{itemize} +\begin{picture}(350,20) +\end{picture} +$\Rightarrow$ Reparametrisierung durch Albe et al.\\ +{\scriptsize P. Erhart und K. Albe. Phys. Rev. B 71 (2005) 035211} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Zusammenfassung / Ausblick +}\\ +\begin{tabular}{|l|c|lr|} +\hline +Zusammenfassung & {\em moldyn}-Bibliothek & Ausblick und & Priorit"at \\ +\hline +{\bf Integrator} & & & \\ +Velocity Verlet & ${\color{green} \surd}$ & & - \\ +Gear Predictor Corrector & ${\color{red} \times}$ & GEAR-5 & $\bullet\bullet$ \\ +{\bf Potential} & & & \\ +Harmonischer Oszillator & ${\color{green} \surd}$ & & - \\ +Lennard-Jones &$ {\color{green} \surd}$ & & - \\ +Tersoff & ${\color{green} \surd}$ & & - \\ +Albe & ${\color{green} \surd}$ & & - \\ +Tersoff/Albe (inkl. $\lambda^3$) & ${\color{red} \times\times}$ & + & $\bullet\bullet\bullet$ \\ +{\bf Ensembles} & & & \\ +{\em temperature scaling} & ${\color{green} \surd}$ & & - \\ +{\em pressure scaling} & ${\color{green} \surd}$ & & - \\ +Andersen $T$ & ${\color{red} \times}$ & & - \\ +Andersen $p$ & ${\color{red} \times}$ & & $\bullet$ \\ +{\bf Simulationszelle} & & & \\ +periodische RB & ${\color{green} \surd}$ & & - \\ +$T,p$-Skalierung pro Atom & ${\color{green} \surd}$ & & - \\ +{\bf Thermodynamische Gr"o"sen} & einige & viele + & $\bullet\bullet\bullet\bullet\bullet$ \\ +\hline +\end{tabular} \end{slide} \end{document}