[论文解读] 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 6

一句话总结

本文分析了反应性原子间势能——特别是Tersoff-Brenner、Stillinger-Weber、ReaxFF和EDIP——重点关注其几何与立体化学建模能力。提出了一种基于模型捕捉结构特征（如金刚石与林达石相）能力的分类体系（RST-SW轴），并证明可通过修改两体相互作用引入有效的四体相关性，从而在不引入显式四体项的情况下准确模拟二面角效应。

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.

研究动机与目标

• 研究反应性原子间势能在建模多型相（如金刚石和林达石）时的几何与立体化学保真度。
• 评估现有经验模型是否充分运用了简单而有效的设计原则来描述复杂成键环境。
• 探索是否可将四体相关效应（如二面角依赖性）嵌入根本上为三体模型的框架中，而无需引入新的显式项。
• 提出一个基于模型再现关键结构特征（如配位数和键角）能力的分类框架（RST-SW轴）。
• 通过揭示被忽视的设计可能性（如多极小点对称对势），激励进一步发展简化但精确的经验相互作用模型。

提出的方法

• 提出一种基于势能模型对几何特征（如配位数、键角和多型性）建模能力的分类体系（RST-SW轴）。
• 回顾并比较主要的反应性力场：Stillinger-Weber、Tersoff-Brenner、EDIP、ReaxFF、ABOP以及基于神经网络的势能。
• 分析Tersoff-Brenner势能的函数形式，强调非加和性以及使用指数函数建模键序效应。
• 提出一种通过修改两体势能形状来模拟四体相关性（如二面角效应）的方法，特别是通过在林达石特征的第三近邻距离处引入微小排斥作用。
• 使用示意图（如图6）说明修改后的势能曲线如何因有效电子-电子排斥效应而倾向于金刚石相而非林达石相。
• 通过类比烃类体系（如船式构象应变）来证明修改后两体相互作用的物理解释力。

实验结果

研究问题

• RQ1 反应性原子间势能在多大程度上能准确建模立体化学特征，如立方金刚石与六方林达石之间的区别？
• RQ2 是否可在不引入显式四体项的前提下，有效捕捉三体势能框架中的四体相关效应（如二面角依赖性）？
• RQ3 是否存在尚未被发现的、更简单的经验原子间势能设计原则，正如最近发现的多极小点对称对势所提示的那样？
• RQ4 不同函数形式（如指数函数与其他函数）如何影响键序势能对复杂成键环境的建模能力？
• RQ5 势能面（PES）与反应性力场中键序形式之间的关系是什么？

主要发现

• 尽管Tersoff-Brenner和Stillinger-Weber势能广受欢迎，但由于其三体相互作用的对称性，它们本身无法区分金刚石与林达石结构。
• 通过在林达石特征的第三近邻距离处向两体势能中引入微小排斥项，可有效抑制六方相的形成，转而偏好金刚石相。
• 这种修改后的两体相互作用无需显式四体项即可成功模拟四体相关效应（如二面角应变），正如烷烃中键应变的类比所示。
• 最近发现的多极小点对称对势虽在实际中意义不大，但表明仍可能存在更简单且被忽视的模型，值得进一步探索。
• 目前尚无共识认为所有简单而有效的经验势能设计方法均已耗尽，表明在模型构建方面仍有创新空间。
• 所提出的RST-SW轴为基于几何保真度和结构建模能力对反应性势能进行定性分类提供了有用框架。