Development of interatomic potentials in the Tersoff-Albe formalism for metal compounds
| Title: | Development of interatomic potentials in the Tersoff-Albe formalism for metal compounds |
| Author(s): | Byggmästar, Jesper |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics |
| Discipline: | Physics |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2016 |
| Abstract: |
Interatomic potentials are used to describe the motion of the individual atoms in atomistic simulations. An accurate treatment of the interatomic forces in a system of atoms requires heavy quantum mechanical calculations, which are not computationally feasible in large-scale simulations. Interatomic potentials are computationally more efficient analytical functions used for calculating the potential energy of a system of atoms, allowing simulations of larger systems or longer time scales than in quantum mechanical simulations.
The interatomic potential functions must be fitted to known properties of the material the potential describes. Developing a potential for a specific material typically involves fitting a number of parameters included in the functional form, against a database of important material properties, such as cohesive, structural, and elastic properties of the relevant crystal structures. In the Tersoff-Albe formalism, the fitting is performed with a coordination-based approach, where structures in a wide range of coordination numbers are used in the fitting process. Including many differently coordinated structures in the fitting database is important to get good transferability to structures not considered in the fitting process.
In this thesis, we review different types of widely used interatomic potentials, and develop an iron-oxygen potential in the Tersoff-Albe formalism. We discuss the strengths and weaknesses of the developed potential, as well the challenges faced in the fitting process. The potential was showed to successfully predict the energetics of various oxygen-vacancy defect clusters in iron, and the basic properties of the common iron oxide wüstite. The potential might therefore mainly be applicable to atomistic simulations involving oxygen-based defects in solid iron, such as irradiation or diffusion simulations.
Interatomära potentialer används för att beskriva enskilda atomers rörelse i atomistiska simuleringar. En bra beskrivning av de krafter som verkar mellan enskilda atomer i ett system kräver tunga kvantmekaniska beräkningar, som begränsar antalet atomer som effektivt kan simuleras. Interatomära potentialer är numeriskt mera effektiva och simplare analytiska funktioner som ger potentialenergin för ett system av atomer. Beräkningsmässigt effektiva potentialer möjliggör simuleringar av större system och längre tidsskalor än i kvantmekaniska simuleringar.
Interatomära potentialer måste anpassas till egenskaperna av det material som potentialen beskriver. Utvecklingen av en potential innefattar typiskt en numerisk anpassning av ett antal parametrar som är inkluderade potentialfunktionen, med hjälp av en databas av viktiga materialegenskaper. Materialegenskaper som ofta tas i beaktande i anpassningen är kohesions-, struktur- och elastiska egenskaper hos de relevanta kristallstrukturerna. Grundidén i Tersoff-Albe-formalismen är en koordinationsbaserad anpassning, där egenskaperna hos strukturer med koordinationstal i ett brett intervall tas i beaktande. En koordinationsbaserad anpassning möjliggör att potentialen med stor sannolikhet också kan beskriva andra strukturer som inte inkluderats i anpassningen.
I denna avhandling diskuteras den fysikaliska bakgrunden hos olika typer av populära interatomära potentialer, samt utvecklingen av en järn-syre-potential i Tersoff-Albe-formalismen. Utmaningar i utvecklingen av potentialen, samt dess svagheter och styrkor diskuteras. Den anpassade järn-syre-potentialen visas kunna beskriva den relativa stabiliteten och energierna för en rad olika syre-vakansdefekter i järn, samt de viktigaste egenskaperna hos järnoxiden wüstit. Potentialens främsta tillämpningsområden är därför atomistiska simuleringar där olika syrebaserade defekter i järn förekommer, såsom i jonbestrålningar av material eller diffusionssimuleringar.
|
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| gradu_jesper_byggmastar.pdf | 1.237Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4026]