Kinetic Monte Carlo Modeling and Simulation of Phase Boundaries and Polycrystals
相界和多晶的动力学蒙特卡罗建模与仿真
基本信息
- 批准号:1108643
- 负责人:
- 金额:$ 21.18万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2011
- 资助国家:美国
- 起止时间:2011-10-01 至 2015-09-30
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
SchulzeDMS-1108643 This project concerns kinetic Monte Carlo (KMC) models for the evolution of crystals with phase and grain boundaries. KMC is especially useful for exploring the dynamics of atomistic scale crystal growth problems, many of which have a significant bearing on nanotechnology. The essence of the idea is to coarse-grain a molecular dynamics (MD) simulation. While MD is conceptually simple, robust, and faithful to the underlying physics, it is hopelessly slow in many instances. This problem is particularly apparent when simulating the evolution of crystalline solids, where individual atoms hover for long periods of time in basins of attraction before making occasional transitions to neighboring configurations. When the crystal is well defined, an alternative model that replaces the Newtonian dynamics with a Markov chain readily suggests itself: One replaces the original configuration space with an occupation array for a crystal lattice that idealizes the arrangement of the basins of attraction, and introduces transition probabilities based on transition state theory. Clearly, such a scheme works best when the crystal is uniform -- free of dislocations, grain boundaries, impurities and surface structures. Unlike MD, KMC models have to be carefully adapted to handle these sorts of irregularities. While this is complicated and requires specialized simulation software in each case, the payoff is the ability to perform simulations on the scale of nano-devices -- something that is essentially impossible with MD. In this project, the principal investigator addresses two specific challenges to KMC modeling of crystal growth. The first is modeling of crystal-melt interfaces, melt-vapor interfaces and tri-junctions, with the aim of applying the model to the growth of nanowires. The second is the motion of grain boundaries within a polycrystal. Technology, particularly within the micro-electronic industries, is increasingly focused on smaller and smaller devices. As a result, it is now important to be able to simulate device manufacturing and performance on atomic length scales. There are relatively few computational tools that can resolve the atomic scale behavior of a complicated system containing, say, a few thousand atoms. One of the more promising approaches is kinetic Monte Carlo -- a model that approximates the atomic scale motion of atoms that have perfect stacking arrangements, i.e., that form perfect crystals. Crystals are, however, idealizations, and they feature many defects that require special consideration. Any atomic scale devices attached to crystals would similarly require special treatment. This project is aimed at extending kinetic Monte Carlo models so that they can handle such irregularities. The project is funded by the Division of Mathematical Sciences and the Division of Materials Research.
SchulzeDMS-1108643 本计画系关于具有相界及晶界之晶体演化之动力学蒙地卡罗模型。 KMC对于探索原子尺度晶体生长问题的动力学特别有用,其中许多问题与纳米技术有着重要的关系。 其思想实质是对粗粒化的一种分子动力学(MD)模拟。 虽然MD在概念上简单,健壮,并且忠实于底层物理,但在许多情况下它是令人绝望的慢。 这个问题在模拟结晶固体的演化时尤其明显,在结晶固体中,单个原子在吸引盆地中徘徊很长一段时间,然后偶尔过渡到相邻的配置。 当晶体被很好地定义时,一个用马尔可夫链取代牛顿动力学的替代模型很容易出现:一个是用晶格的占据阵列取代原始的构型空间,该阵列理想化了吸引盆的排列,并引入了基于过渡态理论的转移概率。 很明显,当晶体是均匀的--没有位错、晶界、杂质和表面结构时,这种方案效果最好。 与MD不同,KMC模型必须仔细调整以处理这些类型的不规则性。 虽然这很复杂,并且在每种情况下都需要专门的模拟软件,但回报是能够在纳米器件的规模上进行模拟-这在MD中基本上是不可能的。 在这个项目中,首席研究员解决了两个具体的挑战,晶体生长KMC建模。 第一个是晶体-熔体界面,熔体-蒸汽界面和三结的建模,目的是将该模型应用于纳米线的生长。 第二种是多晶体内晶界的运动。 技术,特别是在微电子工业中,越来越多地集中在越来越小的设备上。 因此,现在重要的是能够在原子长度尺度上模拟器件制造和性能。 相对而言,很少有计算工具可以解决包含数千个原子的复杂系统的原子尺度行为。 其中一种更有前途的方法是动力学蒙特卡罗--一种近似具有完美堆叠排列的原子的原子尺度运动的模型,即,形成完美的晶体 然而,晶体是理想化的,它们具有许多需要特别考虑的缺陷。 任何附着在晶体上的原子级装置都同样需要特殊处理。 该项目旨在扩展动力学蒙特卡罗模型,使其能够处理这种不规则性。 该项目由数学科学部和材料研究部资助。
项目成果
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