[論文レビュー] Rapid Production of Accurate Embedded-Atom Method Potentials for Metal Alloys

Logan Ward, Anupriya Agrawal+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2012

Surface and Thin Film Phenomena参考文献 6被引用数 30

ひとこと要約

本稿では、既存の単元素EAMポテンシャルを組み合わせることで、多成分金属合金の埋め込み原子法（EAM）ポテンシャルを高速かつ高精度に生成する手法を提示する。この手法は、追加の計算コストを伴わず、同時にフィッティングされた合金ポテンシャルと同等の精度を達成し、Al-Ni、Cu-Au、およびCu-Al-Zr系における結晶相および非晶相で検証されている。

ABSTRACT

The most critical limitation to the wide-scale use of classical molecular dynamics for alloy design is the availability of suitable interatomic potentials. In this work, we demonstrate a simple procedure to generate a library of accurate binary potentials using already-existing single-element potentials that can be easily combined to form multi-component alloy potentials. For the Al-Ni, Cu-Au, and Cu-Al-Zr systems, we show that this method produces results comparable in accuracy to alloy potentials where all parts have been fitted simultaneously, without the additional computational expense. Furthermore, we demonstrate applicability to both crystalline and amorphous phases.

研究の動機と目的

• 古典的分子動力学における合金設計の主要な障壁である、正確で容易に入手可能な原子間ポテンシャルの不足を解決すること。
• 多成分合金用の信頼できるEAMポテンシャルを迅速かつ低コストで生成できる手法を開発すること。
• 既存の単元素ポテンシャルを組み合わせることで、完全に同時にフィッティングされた合金ポテンシャルと同等の精度が得られることを示すこと。
• 本手法が、複数の二元および三元系における結晶相および非晶相の両方で検証されること。

提案手法

• 本手法は、各成分元素の既存で高品質な単元素EAMポテンシャルを組み合わせることで、多成分EAMポテンシャルを構築する。
• 埋め込み原子法の関数形を活用し、全エネルギーを二体相互作用および埋め込みエネルギー寄与の和として表現する。
• 埋め込みエネルギー関数を、合金内におけるすべての近接原子からの電子密度寄与を考慮するように適応させる。
• 全ポテンシャルセットを再びスクラッチからフィッティングする必要がなくなるため、計算コストを著しく削減する。
• 本手法は、二元系（Al-Ni、Cu-Au）および三元系（Cu-Al-Zr）に適用され、既存の単元素ポテンシャルのみを用いている。
• 構造的・エネルギー的・動的性質を基準データおよび同時にフィッティングされたポテンシャルと比較することで、検証が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に再フィッティングを行わず、多成分合金用の正確なEAMポテンシャルを迅速に生成できるか？
• RQ2 組み合わせたポテンシャルの精度は、同時にフィッティングされた合金ポテンシャルと比べてどの程度か？
• RQ3 本手法は、複雑な合金系における結晶相および非晶相を信頼性高く記述できるか？
• RQ4 既存の単元素ポテンシャルをどの程度組み合わせることで、移行性があり正確な多成分ポテンシャルが得られるか？
• RQ5 本手法は、無秩序状態およびガラス状態を含む、さまざまな熱力学的・構造的状態でも精度を維持するか？

主な発見

• 組み合わせたEAMポテンシャルは、Al-Ni、Cu-Au、およびCu-Al-Zr系において、構造的およびエネルギー的性質について、同時にフィッティングされた合金ポテンシャルと同等の精度を達成した。
• 本手法は、ポテンシャル開発の計算コストを、完全な多成分フィッティング手順を排除することで著しく削減した。
• 本手法は、結晶相および非晶相（ガラス構造を含む）を高精度にモデル化できた。
• 得られたポテンシャルは、格子定数、核結合エネルギー、弾性率といった重要な物理的性質を高い精度で再現した。
• 本手法は、多様な合金組成および原子環境にわたって、移行性と頑健性を示した。
• 本技術により、既存の単元素ポテンシャルのみを用いて、新しい合金系用のEAMポテンシャルライブラリを迅速に生成できるようになった。