[发明专利]一种检测计算机仿真结果中晶粒的取向和结晶程度的方法

说明书

技术领域

本发明属于信息处理、计算机软件和计算材料科学的技术领域，具体涉及一种在大规模分子动力学仿真计算中检测晶体取向并判定结晶程度的方法。

背景技术

大规模分子动力学仿真是研究微纳尺度物质性质的有效方法。随着计算机技术的迅速提高，目前的模拟规模可以达到上亿个原子，相当于一个约100纳米的立方体。但是，如何表征所模拟的样品仍然是一个较为复杂的问题。一般而言，对于一个待模拟的单晶或多晶样品，经过驰豫(即不施加外力，令样品中的各原子自由运动)、拉伸等过程后，单晶样品可能转变为多晶甚至非晶态样品，原始的晶向也可能会发生变化。通常采用的键对分析(或称为“公共近邻分析”)可以检测出样品中的结晶区域和非结晶区域(J DanaHoneycutt，Hans C Andersen，Molecular Dynamics Study of Melting and Freezing of SmallLennard-Jones Clusters，Journal of Physical Chemistry，1987，91，4950-4963)不过目前尚无一个较好的、可以通过计算机自动实现的办法能够检测出经过模拟后的样品中各个晶粒(即被非结晶区域所分隔的各个结晶区域)的取向。如果分子动力学软件的显示功能较好，则有经验的研究者可以通过观察样品中的原子排布确定晶粒取向，但是这样费时费力，准确度有限，对于上百纳米的样品而言几乎没有可行性。

发明内容

本发明旨在针对大规模计算机仿真中的可能的周期性晶体结构，提出一种检测其中晶粒的晶体取向并判定其结晶程度的方法。该方法既可以检测局部的结晶情况，又可以反映大范围内的整体有序程度。

本发明所述的检测计算机仿真结果中晶粒的取向和结晶程度的方法，按以下步骤进行：

1)对于计算机仿真(如大规模分子动力学仿真)后得到的结果，将其中待检测元素的所有原子的坐标读入计算机中(如果仿真体系只有一种元素，就是读入所有原子的坐标)，并设定原子的直径和沿某一欲研究的坐标轴上的采样频率；

2)将整个样品沿要研究的坐标轴平移，直到样品边缘在此轴上的坐标为0；

3)只考虑所有原子在这一坐标轴上的投影(即只考虑所有原子在此坐标轴上的坐标)。按照设定的采样频率，逐个采样点统计能覆盖到该采样点的原子个数(可以称为“计数法”)、或者通过该采样点并以该坐标轴为法线的截面(亦即，该坐标轴与该截面垂直)所截到的各个原子面积之和(可以称为“计面积法”)，得到我们所定义的离散“横轴原子密度分布函数”；

4)以离散的横轴原子密度分布函数为原始输入信号，对其进行傅立叶变换(FourierTransform)，得到振幅-频率图，观察振幅-频率图中特定晶向的特征频率(该特征频率是垂直于该晶向的晶面间距的倒数，可以从晶体学中容易的得到)以及其二次或者多次谐波，可以得到初步判定各个沿该坐标轴的特定晶向的存在。

如果继续以下步骤：

5)以设定的截止频率对原始的横轴原子密度分布函数进行高通滤波和低通滤波，以高通滤波后的每一点的信号强度除以低通滤波后每一点的信号强度，得到归一化横轴原子密度分布函数；获得此图的目的是为了排除样品粗细不均匀、几何形状不规则所造成的影响；

6)将样品在空间进行旋转一定角度；可以将样品分别沿三维直角坐标系的x，y，z轴单独或者联合旋转(如先沿x轴旋转特定角度，再沿z轴旋转特定角度，等等)，再重复步骤2)-5)；

7)重复上述步骤6)，每次执行步骤6)都判断其是否旋转到一个特定角度，当旋转到特定角度，此时在振幅-频率图的某一特征频率附近，其呈现出的振荡峰的振幅比旋转到其他角度都大，频率也比旋转到其他角度都高。这表明旋转到此角度某个晶粒的某个晶向与要研究的坐标轴平行，由此可确定原来某个晶粒的取向，并根据振荡频率与理论推算的该晶向特征频率振荡的差值，可以推断某个晶粒的晶格畸变程度。

8)直接观察旋转各角度后所得到归一化横轴原子密度分布函数图，如果可以直接找到振幅-频率图所反映出的周期性振荡信号的位置，则可以确定该取向晶粒的在所研究的坐标轴方向的位置以及长短，根据此处振荡振幅的大小，可以判定出该处结晶程度的高低(振幅越大，结晶越好)，如果难以在“横轴原子密度分布图”中直接确定各个周期性振荡信号的位置，则可能是在与所研究的坐标轴的垂直方向有多种取向的晶粒，它们的信号互相叠加导致难以分辨。

如果需要，可以再将研究的样品切分成数段，逐段研究其“横轴原子密度分布”及其傅立叶变换、“归一化横轴原子密度分布”。