ATOMIC-TO-CONTINUUM MULTISCALE MODELING OF DEFECTS IN CRYSTALS WITH NONLOCAL ELECTROSTATIC INTERACTIONS
ATOMIC-TO-CONTINUUM MULTISCALE MODELING OF DEFECTS IN CRYSTALS WITH NONLOCAL ELECTROSTATIC INTERACTIONS
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具有非局域静电相互作用的晶体缺陷的原子到连续多尺度建模
DOI：
10.1115/1.4056111
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发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Dayal, Kaushik
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Jha, Prashant;Marshall, Jason;Knap, Jaroslaw;Dayal, Kaushik
这项工作开发了一个多尺度建模框架，用于具有一般几何形状和边界条件的晶体缺陷，其中离子相互作用很重要，并有可能应用于离子固体和电场与材料的相互作用。总体策略是在准连续多尺度方法的框架下提出的；具体来说，使用受有限元启发的运动学描述可以显着减少描述原子位置的大量自由度。这项工作的关键进展是一种在不受几何或边界条件限制的情况下有效、准确地处理非局域静电荷-电荷相互作用的方法。静电相互作用是长距离且衰减缓慢，因此需要考虑所有电荷对，使得强力方法在计算上难以实现。这里提出的方法考虑了近场中精确的电荷-电荷相互作用，并在远场中使用粗粒度近似。粗粒度近似和相关误差是基于具有小周期长度尺度的有限体的极限严格推导的，从而使得近似中的误差能够被控制在期望的容差内。该方法应用于氮化镓的简单模型，结果表明，使用所提出的方法可以以所需的精度水平近似静电相互作用。
This work develops a multiscale modeling framework for defects in crystals with general geometries and boundary conditions in which ionic interactions are important, with potential application to ionic solids and electric field interactions with materials. The overall strategy is posed in the framework of the quasicontinuum multiscale method; specifically, the use of a finite element inspired kinematic description enables a significant reduction in the large number of degrees-of-freedom to describe the atomic positions. The key advance of this work is a method for the efficient and accurate treatment of nonlocal electrostatic charge–charge interactions without restrictions on the geometry or boundary conditions. Electrostatic interactions are long range with slow decay and hence require consideration of all pairs of charges making a brute-force approach computationally prohibitive. The method proposed here accounts for the exact charge–charge interactions in the near-field and uses a coarse-grained approximation in the far-field. The coarse-grained approximation and the associated errors are rigorously derived based on the limit of a finite body with a small periodic lengthscale, thereby enabling the errors in the approximation to be controlled to a desired tolerance. The method is applied to a simple model of gallium nitride, and it is shown that electrostatic interactions can be approximated with a desired level of accuracy using the proposed methodology.
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