Abstract

Tradycyjnie symulacje komputerowe układów w skali atomowej prowadzone są przy użyciu klasycznej metody dynamiki molekularnej (MD) bądź kwantowych metod ab initio. Główną wadą ujęcia klasycznego jest jego empiryczna natura, a co za tym idzie - niewielka przenośność, jego prostota natomiast pozwala na przeprowadzanie symulacji układów zawierających miliony atomów. W wyniku zastosowania metod kwantowych otrzymuje się bardziej wiarygodne energie i siły, kosztem znacznego skomplikowania metody, które narzuca ograniczenie na rozmiar badanego układu, rzędu kilku setek atomów.W metodach hybrydowych podejmuje się próbę traktowania wybranych fragmentów układu dokładną metodą kwantową, podczas gdy pozostała część układu traktowana jest zgrubnie - w ujęciu klasycznym. Opracowana w 2004 r. metoda Learn-on-the-Fly (LOTF) umożliwia fizycznie spójne osadzenie wyników otrzymanych na drodze kwantowej w klasycznej symulacji MD, przy czym w swoim oryginalnym sformułowaniu metoda ta nadaje się tylko do zastosowania w układach, w których dominują oddziaływania krótkiego zasięgu, takich jak półprzewodniki.Celem pracy było rozszerzenie formalizmu LOTF tak, aby możliwe stało się jego zastosowanie do układów metalicznych, gdzie na skutek delokalizacji elektronowej konieczne staje się użycie wielociałowych potencjałów dalekozasięgowych. W ramach pracy opracowano metodę Divide-and-Conquer LOTF (DCLOTF) oraz jej implementację w postaci programu komputerowego nanoTB, za pomocą których możliwe staje się prowadzenie hybrydowych symulacji układów opisywanych przez potencjał Suttona-Chena. Stosowalność metody zademonstrowano przeprowadzając przy jej użyciu szereg hybrydowych symulacji nanoindentacji powierzchni miedzianej sztywnym ostrzem.Two disjoint approaches have traditionally been employed in the simulation of atomic-scale systems - the classical molecular-dynamics (MD) approach and the quantum-based ab initio techniques. The main disadvantage of the classical approach stems from its empirical nature, and consists in poor transferability of the underlying potentials. The simplicity of the method, on the other hand, allows for the study of systems containing millions of atoms. By employing quantum-based methods one obtains more reliable energies and forces, yet the inherent complexity of the method limits the size of the system under study to severel hundred atoms.Hybrid methods attempt to treat the system under study with both methods concurrently - a subset of the original system is designated for treatment with the quantum-based approach, whereas the remaining part of the system is treated classically. The Learn-on-the-Fly (LOTF) formalism devised in 2004 allows for a physicall sound embedding of quantum-based results within an MD simulation. However, in its original formulation the method is limited to systems described by short-range interactions, such as semiconductors.The aim of this work was to extend the LOTF formalism in such a way that it could be applied to metallic systems, where, due to electronic delocalization, it becomes necessary to employ long-ranged, many-body potentials. As part of the work the method termed Divide-and-Conquer Learn-on-the-Fly (DCLOTF) was devised and implemented in the form of the nanoTB computer code, allowing for carrying out hybrid simulations of systems described by the Sutton-Chen potential. The applicability of the method was demonstrated by the performing of a series of hybrid simulations of nanoindentation of a copper workmaterial with a rigid tool.

Author (1)