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Ergebnisse

  • IMD wurde um das Potenzialmodell von Tangney und Scandalo (TS) erweitert, wodurch Metall-Oxide unter Berücksichtungung von Polarisierbarkeits-Einflüssen simuliert werden können.
  • IMD wurde um die Wolf-Summation erweitert. Die linearen Skalierungseigenschaften ermöglichen bei Simulationen von Metall-Oxiden einen drastischen Zeitgewinn (Abb. 1).
  • Mit diesen beiden Erweiterungen wurden relevante thermodynamische und strukturelle Eigenschaften von Siliziumdioxid reproduziert, allerdings um bis zu drei Größenordnungen schneller als in früheren Arbeiten.
  • Anschließend wurden sowohl das TS-Verfahren als auch die Wolf-Summation in potfit implementiert. Kraftfelder für beliebige Metall-Oxide können jetzt generiert werden.
  • Es wurde ein reparametrisiertes Siliziumdioxid-Potenzial nach Tangney und Scandalo erstellt und validiert (Abb. 2). Die Reduzierung des Abschneide-Radius um 20 Prozent erbringt eine weitere Halbierung der Simulations-Dauer (Abb. 1).
  • Als Anwendung des TS-Modells jenseits von Siliziumdioxid wurde ein Kraftfeld für Magnesiumoxid erstellt und validiert. Unseres Wissens gibt es kein anderes Paarpotenzial für flüssiges Magnesiumoxid, welches dieses wichtige Material so effizient simulieren kann.
  • Für Teilprojekt B.2 wurde ein hocheffizientes Kraftfeld für kristallines Alpha-Aluminiumoxid erstellt, welches dort für Simulationen zur Riss-Ausbreitung verwendet wurde. In diesem Zuge wurde - vermutlich erstmals - das Verhalten elektrostatischer Dipolmomente in Riss-Simulationen untersucht.
  • Dank der Visualisierung elektrostatischer Dipolmomente in Molekulardynamik-Simulationen von Metall-Oxiden von Teilprojekt D.3 konnte der Einfluss mechanischer Störungen auf Dipol-Felder noch besser untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, wie genau sich ausbreitende Risse in Aluminiumoxid die Dipol-Momente beeinflusst. Außerdem konnten wellenförmige Störungen im Feld der Dipole sichtbar gemacht werden (siehe Abb. 4).
  • In IMD wurde das Model von Streitz und Mintmire erfolgreich implementiert. Die Verwendung der Wolf-Summation lieferte auch bei der Optimierung der Ladungen eine signifikante Verkürzung der Rechenzeit. Dies ist auch, im Gegensatz zum ursprünglichen Streitz-Mintmire-Verfahren, auf die Verwendung der Conjugate-Gradient-Methode zurückzuführen.
  • Die Ladungsverteilung eines aus Metall und eigenem Oxid zusammengesetzten Systems wird korrekt wiedergegeben (Abb. 3).

 

Abb. 1: Benötigte Rechenzeit in Abhängigkeit der Anzahl der Atome für die Wolfsumme gegenüber der bisher eingesetzten Ewaldsumme, simuliert in IMD: Perfekte lineare Skalierung der Wolfsumme bis hin zu 2,5 Millionen Teilchen. Die Reduzierung des Abschneide-Radius verringert die Rechenzeit um weitere 50 Prozent.

Abb.2: Siliziumdioxid-Schmelze bei 3000 Kelvin, simuliert mit IMD: Graue Kugeln zeigen Silizium-Atome, jedes Sauerstoff-Atom wird durch sein normiertes Dipolmoment repräsentiert wird. Die Farben verdeutlichen Richtungen und zeigen, dass die Probe im Mittel unpolar ist.

Abb. 3a: Visualisierung eines Systems Aluminium / Aluminiumoxid.

Abb. 3b: Zur Ladungsverteilung einer Grenzflächenstruktur bestehend aus AlO und Al. Es sind die Ladungswerte senkrecht zur Grenzfläche aufgetragen. Die Ladungen der Al-Atome gehen erwartungsgemäß im Metall auf den Wert Null zurück.

Abb. 4: Nach oben abbiegender Riss im Aluminiumoxid. Sichtbar sind Störungen im elektrischen Feld der Dipole. Ausgehend von der Riss-Spitze breitet sich eine wellenförmige Störung aus.