[论文解读] 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 30

一句话总结

本文提出了一种快速、准确的方法，通过组合现有的单质EAM势，生成多组分金属合金的嵌入原子法（EAM）势。该方法在无需额外计算成本的情况下，实现了与同时拟合的合金势相当的精度，并在Al-Ni、Cu-Au和Cu-Al-Zr体系的晶体与非晶相中得到验证。

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.

研究动机与目标

• 解决经典分子动力学在合金设计中面临的关键瓶颈：缺乏准确且易于获取的原子间势。
• 开发一种方法，实现多组分合金可靠EAM势的快速、低成本生成。
• 证明通过组合现有单质势可获得与全体系同时拟合的合金势相当的精度。
• 在多个二元和三元体系的晶体与非晶相中验证该方法的有效性。

提出的方法

• 该方法通过组合每个组分元素的现有高质量单质EAM势，构建多组分EAM势。
• 其利用嵌入原子法的函数形式，总能量表示为两两相互作用与嵌入能贡献之和。
• 嵌入能函数被调整以考虑合金中所有邻近原子的电子密度贡献。
• 该方法避免了从头开始重新拟合整个势函数集，显著降低了计算成本。
• 该方法应用于二元体系（Al-Ni、Cu-Au）和三元体系（Cu-Al-Zr），仅使用现有的单质势。
• 通过与参考数据和同时拟合的势进行比较，对结构、能量和动力学性质进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以无需对势参数进行完整重拟合，快速生成多组分合金的准确EAM势？
• RQ2 组合势的精度与同时拟合的合金势相比如何？
• RQ3 该方法是否能可靠地描述复杂合金体系中的晶体与非晶相？
• RQ4 现有单质势在多大程度上可组合以获得可转移且准确的多组分势？
• RQ5 该方法在不同热力学和结构状态（包括无序和玻璃态）下是否保持精度？

主要发现

• 组合的EAM势在Al-Ni、Cu-Au和Cu-Al-Zr体系中，对结构和能量性质的精度与同时拟合的合金势相当。
• 该方法通过消除完整多组分拟合过程，显著降低了势开发的计算成本。
• 该方法成功以高保真度模拟了晶体与非晶相，包括玻璃态结构。
• 所得势能准确再现关键物理性质，如晶格常数、结合能和弹性模量。
• 该方法在不同合金成分和原子环境之间表现出良好的可转移性与鲁棒性。
• 该技术可仅利用现有单质势，快速生成新合金体系的EAM势库。