Performance of state-of-the-art force fields for atomistic simulations of silicon at high electronic temperatures
Performance of state-of-the-art force fields for atomistic simulations of silicon at high electronic temperatures
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高电子温度下硅原子模拟的最先进力场性能
DOI：
10.1140/epjst/e2019-800181-3
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发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Martin E. Garcia
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Bernd Bauerhenne;Martin E. Garcia
密集的飞秒激光脉冲或离子轰击使硅 (Si) 进入具有热电子和冷离子的非平衡状态。由于从头算分子动力学 (MD) 模拟最多只能处理 103 个原子，因此需要分析原子间势（或力场）来执行描述非平衡状态下 Si 的大规模模拟。我们最近构建了 Si 在高电子温度 Te 下的电势，它是从头开始 MD 模拟开发的。在本研究中，我们分析了该势与其他可用的 Te 相关 Si 势和一些广泛使用的基态 Si 势的性能，这些基态 Si 势通过将其参数拟合到从头开始 MD 模拟来适应非平衡。我们分析了再现非热效应的能力，如热声子挤压和块状硅的超快熔化，以及由于硅薄膜的键软化而导致的膨胀。我们的结果表明，可用的Te依赖势不能定量描述后者。具有适合从头开始 MD 模拟的参数的势给出了更好的描述。我们提出的电势在所研究的电势中给出了最好的描述，因为它的分析形状针对基态和激光激发态进行了优化。
Intensive femtosecond laser pulses or ion bombardment drives Silicon (Si) into a nonequilibrium state with hot electrons and cold ions. Since ab initio molecular dynamics (MD) simulations can only deal with at most 103atoms, an analytical interatomic potential (or force field) is necessary for performing large-scale simulations describing Si in nonequilibrium. We recently constructed a potential for Si at high electronic temperaturesTe’s, which was developed from ab initio MD simulations. In this study, we analyze the performance of this potential compared to other availableTe-dependent Si potentials and to some widely used ground state Si potentials, which were adapted to nonequilibrium by fitting their parameters to ab initio MD simulations. We analyze the ability for reproducing nonthermal effects like thermal phonon squeezing and ultrafast melting in bulk Si as well as the expansion due to bond softening of a thin Si film. Our results show that the availableTe-dependent potentials cannot quantitatively describe the latter. A much better description is given by the potentials with parameters fitted to ab initio MD simulations. Our proposed potential gives the best description among the studied ones, since its analytical shape was optimized for the ground and the laser excited state.
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