[論文レビュー] Reactive interatomic potentials and their geometrical features

L Kocbach, Suhail Lubbad|ArXiv.org|Aug 11, 2009

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、反応性原子間ポテンシャル、特にTersoff-Brenner、Stillinger-Weber、ReaxFF、EDIPを分析し、それらの幾何学的およびステレオ化学的モデリング能力に焦点を当てる。本論文は、ダイヤモンドとロンズデールイト相の区別といった構造的特徴をどれだけ正確に捉えられるかに基づいて分類体系（RST-SW軸）を提案し、有効な四体相関を修正された二体相互作用を用いて導入できることを示唆している。これにより、明示的な四体項を導入せずに二面角効果を正確にモデリングすることが可能になる。

ABSTRACT

We discuss various approaches to modeling the interatomic interactions for molecular dynamics with special focus on the geometrical structural properties. The type of interactions considered are so called reactive force fields, i.e. interactions without predefined bonds and structures. The discussed cases cover the well known Stillinger-Weber, Tersoff-Brenner, EDIP, ReaxFF and ABOP interaction models as well as some additional examples. We discuss also a recently published synthesis of diamond-like structures by isotropic pair potential with multiple minima and use this concepts to propose a sort of classification scheme for interactions with respect to the geometry modeling. In most details we discuss the Tersoff-Brenner potentials and also Stillinger-Weber potential, since these models still appear quite popular in recent research, even though the newer models are more efficient in most respects, except of simplicity. We also propose simple modifications of the basically three-body interactions in order to attempt the simulation of four-body correlation effects. The main motive for this study has been to find how the geometrical features are related to theoretical concepts and whether all possibilities for simplification are exhausted.

研究の動機と目的

• 反応性原子間ポテンシャルの幾何学的およびステレオ化学的忠実度を調査し、特にダイヤモンドやロンズデールイトといった多形体のモデリングに注目する。
• 既存の経験的モデルが、複雑な結合環境をモデリングするための単純で効果的な設計原理を十分に活用しているかどうかを評価する。
• 明示的な四体項を追加せずに、四体相関効果（例：二面角依存性）を根本的に三体モデルに組み込む可能性を探る。
• ダイヤモンドや結合角といった重要な構造的特徴をどれだけ正確に再現できるかに基づいて、モデルの分類フレームワーク（RST-SW軸）を提案する。
• 複数の最小値を持つ等方的対ポテンシャルといった、見過ごされがちな設計可能性を強調することで、簡素化されつつも正確な経験的相互作用モデルのさらなる開発を促進する。

提案手法

• ダイヤモンドや結合角、多形性といった幾何的特徴をどれだけ正確にモデリングできるかに基づいて、ポテンシャルの分類体系（RST-SW軸）を提案する。
• 主な反応性力場（Stillinger-Weber、Tersoff-Brenner、EDIP、ReaxFF、ABOP、およびニューラルネットワークベースのポテンシャル）をレビュー・比較する。
• Tersoff-Brennerポテンシャルの関数形を分析し、非加法性と結合秩序効果をモデル化するための指数関数の使用に注目する。
• 三番目の近接原子距離に特徴的な小さな反発項を二体ポテンシャルに追加することで、四体相関（例：二面角効果）を模倣する手法を導入する。
• 模式図（例：図6）を用いて、有効な電子間反発効果によりダイヤモンド相がロンズデールイト相よりも好ましくなるように修正されたポテンシャル曲線を説明する。
• 炭化水素系（例：ボート形歪み）との類似性を示し、修正された二体相互作用の物理的妥当性を裏付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反応性原子間ポテンシャルは、立方晶ダイヤモンドと六方晶ロンズデールイトの区別といったステレオ化学的特徴をどれほど正確にモデリングできるか。
• RQ2 明示的な四体項を導入せずに、四体相関効果（例：二面角依存性）を三体ポテンシャルフレームワーク内で効果的に捉えることは可能か。
• RQ3 複数の最小値を持つ等方的対ポテンシャルの最近の発見が示唆するように、未発見のより単純な設計原理がまだ存在するのだろうか。
• RQ4 指数関数と他の関数との違いが、結合秩序ポテンシャルが複雑な結合環境をモデリングする能力にどのように影響するか。
• RQ5 反応性力場におけるポテンシャルエネルギー面（PES）と結合秩序形式主義の関係は何か。

主な発見

• Tersoff-BrennerおよびStillinger-Weberポテンシャルは、人気が高いが、対称的な三体相互作用のため、ダイヤモンドとロンズデールイト構造を本質的に区別できない。
• ロンズデールイトに特徴的な三番目の近接原子距離に小さな反発項を二体ポテンシャルに追加することで、モデルは六方晶相の形成を効果的に抑制し、ダイヤモンド相を優遇する。
• この修正された二体相互作用は、明示的な四体項を必要とせず、四体相関効果（例：二面角歪み）を効果的に模倣でき、アルカンにおける結合歪みとの類似性から妥当性が裏付けられる。
• 複数の最小値を持つ等方的対ポテンシャルの最近の発見は、実用的意義は限定的だが、単純で見過ごされがちなモデルが依然として存在し、検討すべきであることを示している。
• すべての単純で効果的な経験的ポテンシャル設計手法が枯渇したという合意は存在せず、モデル構築における革新の余地が依然としてある。
• 提案されたRST-SW軸は、幾何学的忠実度と構造モデリング能力に基づいて反応性ポテンシャルを分類するための有用な定性的フレームワークを提供する。