Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 用共存法计算金属的熔化温度

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背景：材料的熔化温度测定在一系列材料应用中都很重要。

确定材料熔点的最基本方法是简单地加热固体晶胞直至熔化。实际上，这意味着运行NVT或NPT系综动力学模拟，同时在运行过程中增加恒温器温度，以模拟真实实验的方式。然而，由于分子动力学中可用的时间尺度很小，加热速率非常高。这一点，再加上小的系统尺寸导致过热，因此仅提供熔化温度的上限。以类似的方式，液体也可以冷却直到结晶，从而产生滞回线，在其间可以找到熔化温度。

一个稍微复杂的过程是共存方法，其中固液界面晶胞在接近预测熔化温度的温度下构建。此方法中的主要计算通常在 NVE 或 NPH 系综中执行。如果整个系统的温度低于熔化温度，则晶胞的某些区域将结晶，产生潜热并提高温度。同样，如果温度过高，一些晶胞会熔化，冷却系统。通过这种方式，分子动力学计算运行足够长的时间将平衡到熔化温度。

论文“通过分子动力学精确计算熔化曲线-Precise calculation of melting curves by molecular dynamics”（Karavaev，2016）很好地概述了可用于确定熔点的不同方法。

除了评估熔点外，共存方法还可用于获得相关属性，例如固液界面刚度或能量，这些属性可用作粗粒度方法（如相场模型）中的参数。

简介：本教程向您展示如何使用共存法计算fcc铜的熔化温度。您将使用(Asadi，2015)中描述的方法的修改和简化版本。

目的：介绍了利用Forcite和嵌入原子法力场用共存法计算金属熔点的方法。

本教程重要节点：

创建力场-平衡晶体-平衡液体-构建共存晶胞-确定熔化温度

1. 创建力场

首先需要一个合适的力场，Materials Studio中包含几个EAM力场。但是，可能需要使用不同的、更适合具体研究体系的力场，或者需要使用标准Materials Studio力场中未包含的元素。EAM 力场通常以几种标准格式之一的表格形式发布，Materials Studio包含一个脚本，用于将这些格式转换为.off格式。还提供了两个包含表格化EAM数据的示例文件，本教程中将使用其中一个。

单击Import按钮并导航到Examples\Scripting文件夹。确保选中All Files (*.*)，然后双击ConvertEAMtoOFF.pl。

再次单击Import按钮并双击CuNi_Example.eam.alloy.txt。

在Project Explorer中，双击ConvertEAMtoOFF.pl。将输入文件名（第35行附近）更改为CuNi_Example.eam.alloy，然后按下CTRL+S键。

在Scripting工具栏上，单击Debug按钮。

提示：可以将EAM转换脚本添加到User菜单命令中，并将输入文件名作为参数。有关更多信息，请参阅User菜单教程中的执行脚本（Executing scripts）教程。

脚本现在应该运行，并创建一个名为CuNi_Example.eam.alloy.off的力场文件。打开并查看力场。

打开CuNi_Example.eam.alloy.off力场，选择Interactions选项卡。打开Show interaction下拉菜单。

EAM力场由三种类型的相互作用组成：电子密度、嵌入函数和EAM对势。

一对原子i和j的电子密度函数描述了原子j对i受到的电子密度的贡献。对i的所有邻域求和，得到总电子密度ρ，它构成嵌入函数的输入。接下来，将为铜创建嵌入函数的图像。

将Show interaction设置为Embedding Function。选择Cu力场类型的行。

在Interactions选项卡的顶部，单击Extract To。

创建一个包含两列的数据表，其中包含一系列密度的嵌入能量。

在数据表中选择A列和B列。单击Study Table Viewer工具栏上的Quick Plot按钮

图中显示了当铜原子嵌入给定电子密度的场中时，所储存的能量。在密度为0时，嵌入能量为0，并且随着密度的增加，嵌入能量（负值）的绝对值增加。在一定密度下，嵌入能量变得不那么有利。

将Show interaction设置为EAM Pair Potential。选择用于Cu和Cu力场类型组合的行。在Interactions选项卡的顶部，单击Extract To。

在数据表中，选择A列和B列，然后单击Quick Plot按钮

EAM对势在很大程度上是排斥的，可以防止原子在嵌入能的作用下坍塌。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

2. 平衡晶体

下一步是导入fcc Cu结构。

单击Import按钮，导航至Structures\metals\pure-metals文件夹，双击Cu.xsd文件。选择File | Save As…，将其重命名为Cu_Solid。

要进行真实的分子动力学模拟，需要比单胞中的4个原子多得多的原子数。

选择Build | Symmetry | Supercell，打开Supercell对话框。将三个维度上的Supercell range均设置为10，单击Create Supercell按钮，关闭对话框。

将使用此结构作为共存计算的固体区域的基础。首先，在开始NPT运行之前，使用NVT系综进行短时间计算，以减少应力。由于这是一个初始构型平衡计算，将使用速度标度恒温方法，它能够非常快速地校正动能。

单击Modules工具条上的Forcite按钮，从下拉菜单中选择Calculation，或从菜单栏中选择Modules | Forcite | Calculation。

将Task设置为Dynamics，单击More…按钮，打开Forcite Dynamics对话框。将Ensemble设置为NVT，Temperature设置为1200 K，Frame output every设置为500。在Thermostat选项卡中，选择Velocity Scale为Thermostat，关闭对话框。

在Energy选项卡中，从Forcefield下拉菜单中选择Browse…，然后在Choose Forcefield对话框中，选择CuNi_Example.eam.alloy.off。

使用EAM表格化力场时，无需设置截断距离。在使用EAM时，Forcite将始终使用表格的全部范围。

注意：范德华表格化势能的情况并非如此。使用通常的范德华项截断距离，可在Forcite Non-Bond Options对话框上设置。

单击Run按钮，并关闭对话框。

当NVT运行后，将创建一个新的文件夹Cu_Solid Forcite Dynamics。计算任务完成后，NVT动力学计算的结果将存储在此文件夹中。

接下来，从轨迹的最后一帧开始运行NPT动力学计算。这确保晶格参数具有当前力场的正确平衡值，这可能与实验值略有不同。Andersen恒压方法只允许晶胞中的各向同性变化，这是合适的，因为晶胞应保持立方体。速度标度恒温方法可以以非物理方式改变原子的动力学，这可能会影响计算结果，因此建议使用NHL恒温方法。这对体系的扰动影响要小得多，因此最好用于构型生产运行。

确保Cu_Solid Forcite Dynamics\Cu_Solid.xsd为当前文档，并打开Forcite Calculation对话框，单击Setup选项卡上的More…按钮。

将Ensemble设置为NPT，Total simulation time设置为25 PS，Pressure设置为0.000101325 GPa。

在Thermostat选项卡中，将Thermostat设置为NHL，Q ratio设置为1。

在Barostat选项卡中，将Barostat设置为Andersen。关闭对话框。

单击Run按钮，关闭对话框。

将在现存的Cu_Solid Forcite Dynamics文件夹中，建立一个新的文件夹Cu_Solid Forcite Dynamics。当计算运行时，可以开始建立液体晶胞。

当计算运行时，应保存工程。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

3. 平衡液体

现在需要在高于熔化温度的温度下确定液态铜的密度。实验测定的熔点处，液态铜的密度为8.02 g/cm3。然而，此处使用的原子间势可能会产生不同的值。

将使用Amorphous Cell模块创建初始液态几何构型，并使用分子动力学对此进行平衡。这将在以后用于构建共存单元。

要使用Amorphous Cell模块创建液态单位晶胞，应从包含单个铜原子的原子文档开始。

选择工程根目录并创建一个新的3D原子结构文档3D Atomistic Document，将其重命名为Cu_Atom。

绘制一个铜原子。保存并关闭文档。

现在，将使用Amorphous Cell模块创建初始液态几何构型。由于目的只是在无序状态下创建初始构型，因此可以使用默认的力场Universal。

从菜单栏中选择Modules | Amorphous Cell | Calculation，打开Amorphous Cell Calculation对话框。

在Composition列表中，单击Molecule列，从下拉列表中选择Cu_Atom.xsd。将Loading设置为4000 ，Density设置为8.02。

单击Options…按钮，打开Amorphous Cell Options对话框。取消勾选Optimize geometry复选框，关闭对话框。

在Project Explorer单击树状根目录，单击Run按钮，开始结构创建过程。关闭对话框。

在Project Explorer中将创建一个新文件夹Cu_Atom AC Construct。

当Amorphous Cell计算任务结束后，将输出轨迹的单帧复制到一个新的原子结构文档中。

使得Cu_Atom AC Construct\Cu_Atom.xtd为当前文档。从菜单栏中选择Edit | Select All，然后选择Edit | Copy。

在工程根目录中创建一个新的3D原子结构文档，右键单击该文档，从菜单栏中选择Edit | Paste。

将该文档重命名为Cu_Liquid并保存。

现在，将在1500 K下建立平衡结构密度。将重复前面用于固体的步骤，这次使用更高的温度。

打开Forcite Dynamics Calculation对话框。将Ensemble设置为NVT，Total simulation time设置为5 ps，Temperature设置为1500 K。

在Thermostat选项卡中，将Thermostat设置为Velocity Scale。关闭对话框。

单击Forcite Calculation对话框上的Run按钮。

将创建一个新文件夹Cu_Liquid Forcite Dynamics，NVT计算结果将保存在该文件夹中。等待此计算完成，然后继续进行NPT动力学模拟。

由于该体系是一种液体，可以置入任何形状的单位晶胞中，因此可以要求模拟单位晶胞保持立方体。因此，Andersen恒压方法仍然适用。

确保Cu_Liquid Forcite Dynamics\Cu_Liquid.xsd为当前文档。

打开Forcite Dynamics对话框，将Ensemble设置为NPT，Total simulation time设置为25 ps。在Thermostat选项卡中，将Thermostat设置为NHL。关闭对话框。

单击Run按钮，开始计算，并关闭对话框。

与之前一样，在现存的Cu_Liquid Forcite Dynamics文件夹中，将创建一个新的文件夹Cu_Liquid Forcite Dynamics。现在应该等待所有正在运行的计算完成。完成后，将从液态NPT计算文本报告中获取密度值。

打开Cu_Liquid Forcite Dynamics\Cu_Liquid Forcite Dynamics\Cu_Liquid.txt文件。在该文件的底部，—- Dynamics summary —-部分，可以搜索到平均密度。

记下该数据以便之后使用。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

4. 构建共存晶胞

现在，将使用Amorphous Cell Packing填充任务来构建共存单位晶胞。将固体NPT计算的最终轨迹复制到根目录中，并在此目录下执行之后的操作。

双击Project Explorer中的Cu_Solid Forcite Dynamics\Cu_Solid Forcite Dynamics\Cu_Solid.xsd文件，将已经平衡好的固态Cu结构设置为当前文档。

右键点击结构文件窗口，选择Copy。

在工程根目录中创建一个新的3D原子结构文档，打开新建的文档在结构窗口中单击右键并选择Paste。将该文件重命名为Cu_Build。

关闭Cu_Solid Forcite Dynamics\Cu_Solid Forcite Dynamics\Cu_Solid.xsd文档。

现在应该有一个平衡后的固态结构的副本，Cu_Build.xsd，处于打开状态。

将约束这些原子，在动力学模拟中不移动，为计算做准备，并扩展单位晶胞，从而包括真空区域。

选择Edit | Select All。选择Modify | Constraints，打开Edit Constraints对话框。勾选Fix Cartesian position复选框，关闭对话框。

为了保持界面的完整性，如果原子在动力学计算过程中移动并超出周期性边界，请隐藏除原始晶胞内容外的所有内容。

在结构文件的结构窗口中单击右键，并选择Display Style，打开Display Style对话框。在Lattice选项卡中，将Display Style更改为Original，关闭对话框。

在结构文件的结构窗口中单击右键，并选择Lattice Parameters，打开Lattice Parameters对话框。在Advanced选项卡中，取消勾选Keep fractional coordinates fixed during changes to the lattice选项卡。在Parameters选项卡中，将c值加倍，并关闭对话框。

现在建立了一个原子结构文档，其中一半为固体结构，另一半为真空层。

按向上键两次以旋转结构。

选择Tools | Atom Volumes & Surfaces，打开Atom Volumes & Surfaces对话框。保持所有设置为默认设置，单击Create按钮。等待此过程完成，然后关闭对话框。

这现在应该已经创建了一个分隔固体和真空区域的等值面。Amorphous Cell Packing填充任务将填充在封闭的等值面中。刚才创建的等值面现在封闭固体部分，因此需要将其反转，以便在继续之前封闭真空区域。

打开Display Style对话框，在Isosurface选项卡中，勾选High values inside选项卡。关闭对话框。

现在真空区域可被填充。

打开Amorphous Cell Calculation对话框。将Task设置为Packing，Density设置为之前计算的值。该值应在约7.7左右。

在Composition列表中，Cu_Atom.xsd仍应存在。单击More…按钮，打开Amorphous Cell Packing对话框。勾选Pack in isosurface enclosed volume复选框，关闭对话框。

单击Options…按钮，打开Amorphous Cell Options对话框，确保Optimize geometry仍处于未被勾选状态。关闭对话框。

确保Cu_Build.xsd结构为当前文档，然后单击Run按钮，开始结构构建。关闭对话框。

将在Project Explorer中创建一个新的文件夹Cu_Build AC Packing，在计算完成后，填充计算任务的输出结果即储存于此文件夹中。

现在将单帧输出轨迹复制到一个新的原子结构文档中。

将Cu_Build AC Packing\Cu_Build.xtd设置为当前文档。

从菜单栏中选择Edit | Select All，然后选择Edit | Copy。

在工程根目录中创建一个新的3D原子结构文档，打开该文档在结构窗口中点击右键，并选择Paste。选择等值面，并按下DELETE键。

将该文档重命名为Cu_Melt。

5. 确定熔化温度

注意：在此阶段，可以通过在Display Style对话框中选择Color by Constraint来检查原子是否被固定。

现在运行一个短时间的NVT计算，以最小化液态中的应力。

选择Cu_Melt.xsd作为当前文档，打开Forcite Calculation对话框。

打开Forcite Dynamics对话框，将Ensemble设置为NVT，Total simulation time设置为5 ps，Temperature设置为1500 K。将Frame output every更改为250。在Thermostat选项卡中，将Thermostat选择为Velocity Scale。关闭对话框。

单击Run按钮，开始计算。

将建立一个名为Cu_Melt Forcite Dynamics的新文件夹。等待此运行完成。

在这个阶段，通常会在NPT系综中，在估计的熔点附近的温度范围内进行一系列计算。在计算过程中，晶胞熔化或凝固的程度提供了一个指标，表明整体温度与熔化温度的接近程度。对于该势能，1200 K最接近熔化温度。根据NPT运行的最终轨迹，将运行NPH计算，该计算应平衡到熔化温度。

为了节省时间，将在1200 K时仅执行一次NPT计算。首先，删除先前添加的约束。

打开Cu_Melt Forcite Dynamics\Cu_Melt.xsd作为当前文档。

选择Edit | Select All，选择所有原子，然后选择Modify | Constraints，打开Edit Constraints对话框。取消勾选Fix Cartesian position复选框，关闭对话框。

现在将运行NPT计算。晶体和液态的密度应与所施加的压强相匹配，但现在它们之间存在一个界面区域，该区域的密度可能不同，因此必须允许c晶格参数对此进行调整。但是，a和b晶格参数的作用不同（它们由晶体的晶格常数决定），因此需要一个允许晶胞参数独立变化的恒压方法，如Parrinello恒压方法。

打开Forcite Dynamics对话框。

将Ensemble设置为NPT，Total simulation time设置为25 ps，Temperature设置为1200 K。

在Thermostat选项卡中，将Thermostat设置为NHL。

在Barostat选项卡中，将Barostat设置为Parrinello。关闭对话框。

单击Run按钮，开始计算。

此运行可能比以前的计算所用时间稍长。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

现在已经准备好了一个接近熔化温度的晶胞，可以运行NPH系综中的主要计算。

打开Cu_Melt Forcite Dynamics\Cu_Melt Forcite Dynamics\Cu_Melt.xsd作为当前文档。

打开Forcite Dynamics对话框。

将Ensemble设置为NPH，Total simulation time设置为50 ps。关闭对话框。

单击Run按钮，开始计算，关闭对话框。

注意：温度场可用于NPH系综计算，这似乎与传统相悖。然而，该输入温度决定了几个恒压方法的Q系数。

该势能的NPH计算平衡温度在1179 K左右。

虽然详细的步骤应能提供材料熔化温度的合理估计，但注意到，铜计算的值与实验获得的值（1358 K）大不相同。如果使用此方法进行研究，请记住以下几点：

该方法有效地计算了势能的熔化温度。因此，从未打算用来描述材料熔点的势能，或拟合不良的势能，可能会导致熔化温度与实验值大不相同。

根据使用的势能，运行时参数（如截断距离）可能起作用。

在该模拟中，使用了Cu(1 0 0)表面。但是，其他表面，如(1 1 1)的性质可能不同。

可能存在影响结果准确性的有限尺寸效应。

由于这是一个教程，为了保持低运行时间，使用了一个较小的晶胞。

在实际计算中，应确保模拟在单元长度和界面面积方面收敛，并且体系应足够大，尺寸效应可以忽略不计。参考资料中对这些注意事项进行了更详细的说明。

从菜单栏中选择File | Save Project

本入门教程到此结束。

参考文献：

Asadi, E.; Zaeem, M. A.; Nouranian, S.; Baskes, M. I., “Two-phase solid–liquid coexistence of Ni, Cu, and Al by molecular dynamics simulations using the modified embedded-atom method”, Acta Mat., 86, 169-181 (2015). http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2014.12.010.

Karavaev, A. V.; Dremov, V. V.; Pravishkina, T. A., “Precise calculation of melting curves by molecular dynamics”, Comp. Mat. Sci., 124, 335-343, (2016). http://dx.doi.org/10.1016/j.commatsci.2016.08.014.

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本文来源： https://www.haoku5.com/IT/639da2640337c813490ce418.html

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