Analysis of hydrogen transport in a metal by quantum/molecular/statistical dynamics

通过量子/分子/统计动力学分析金属中的氢传输

基本信息

批准号：
21K18682
负责人：
徳増崇
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

2022年度は、2021年度に構築された分子間ポテンシャルを用いて、鉄内部の水素の移動を経路積分法によりシミュレーションする手法を、いくつかの条件について行った。しかし、いくつかの条件で計算エラーが発生したため、ポテンシャルの再検討を行った。具体的にはEAMポテンシャルからABOポテンシャルへとシステムを変化させて計算を行った。まず、計算システムのエネルギー保存則を確認した。鉄は2000個の鉄原子で構成した。初期温度は400[K]、タイムステップは0.1[fs]と1.0[fs]である。計算システムの全エネルギーを最小化した後、NVEアンサンブルを用いて0.1[ns]のシミュレーションを行った。計算結果から、タイムステップを0.1[fs]にするとエネルギー保存則が成立することが確認された。次に原子間ポテンシャルが正しく使われていることを確認するために、先行研究との比較も行った。具体的には、溶解エネルギーの計算を行った。まず、Fe-H系の全エネルギーを最小化した後、H原子を除去した。その後、再び鉄の系を最小化した。このシミュレーションに先立ち、ダイヤモンド構造を持つ炭素原子の系について、炭素原子1個あたりのエネルギーを計算した。算出したFe-H系の全エネルギーから、鉄の系の全エネルギーと取り出した炭素原子のエネルギーを差し引いて、溶解エネルギーを算出した。炭素原子を八面体の空隙に配置した場合、計算結果は先行研究と比較的一致し、ポテンシャルの妥当性が示された。

2022年，我们利用2021年构建的分子间势，采用路径积分法在多种条件下模拟了铁内部氢的运动。然而，在某些条件下出现了计算错误，因此我们重新检查了潜力。具体而言，通过将系统从EAM电位改变为ABO电位来进行计算。首先，我们确认了计算系统的能量守恒定律。铁由2000个铁原子组成。初始温度为400[K]，时间步长为0.1[fs]和1.0[fs]。在最小化计算系统的总能量后，我们使用 NVE 系综进行了 0.1[ns] 的模拟。从计算结果可以看出，当时间步长设置为0.1[fs]时，能量守恒定律成立。接下来，为了确认原子间势的使用是否正确，我们还与之前的研究进行了比较。具体来说，我们计算了溶解能。首先，将Fe-H体系的总能量最小化，然后去除H原子。之后，铁系统再次最小化。在此模拟之前，计算了具有金刚石结构的碳原子系统的每个碳原子的能量。通过从计算的Fe-H体系的总能量中减去铁体系的总能量和提取的碳原子的能量来计算溶解能。当碳原子放置在八面体空隙中时，计算结果与之前的研究相对一致，证明了该势的有效性。