级联碰撞势函数EAM与ZBL使用

Question

pair_style hybrid/overlay eam/alloy eam/fs zbl 0.0001 1.0 zbl 0.0001 1.0 zbl 0.0001 1.0
pair_coeff * * eam/alloy FeCr.alloy Fe Cr
pair_coeff * * eam/fs FeCr.fs Fe Cr
pair_coeff 1 1 zbl 1 26.0 26.0 # Fe-Fe
pair_coeff 1 2 zbl 2 26.0 24.0 # Fe-Cr
pair_coeff 2 2 zbl 3 24.0 24.0 # Cr-Cr 这是级联碰撞的势函数部分，我看文献里说在1埃内的短程部分用ZBL描述。这样写是不是EAM和ZBL在1埃内都使用了啊，请问级联碰撞时到底是1埃的范围内只用ZBL还是EAM和ZBL都用

Answer 1

上午好☀️☀️☀️️
本答案参考通义千问

你提到的 pair_style hybrid/overlay eam/alloy eam/fs zbl 0.0001 1.0 zbl 0.0001 1.0 zbl 0.0001 1.0 这一行是 LAMMPS 中用于定义势函数组合的方式，它表示在模拟中使用了多个不同的势函数（EAM 和 ZBL），并按照一定的规则进行叠加。

一、你的问题核心

“级联碰撞时到底是1埃的范围内只用ZBL还是EAM和ZBL都用？”

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二、关键知识点解析

1. hybrid/overlay 的作用

• pair_style hybrid/overlay 是 LAMMPS 中的一种复合势函数设置方式。
• 它允许你为不同原子对（atom type pairs）指定不同的势函数，并且可以在同一区域上进行叠加（overlay）。
• 在这个例子中，你为 Fe-Fe、Fe-Cr、Cr-Cr 原子对分别指定了 EAM 和 ZBL 势函数。

2. ZBL 势函数的特点

• ZBL（Ziegler-Biersack-Littmark）是一种经验势，主要用于描述短程的库仑相互作用，通常用于高能粒子碰撞模拟（如级联碰撞）。
• 它在 1 Å 内起主要作用，超过该距离后，其值迅速衰减至零。
• 因此，在短程（<1 Å）内，ZBL 被用来描述原子间的直接碰撞效应。

3. EAM 势函数的特点

• EAM（Embedded Atom Method）是一种描述金属体系中原子间相互作用的势函数。
• 它适用于长程的非弹性相互作用，包括晶格结构、塑性变形等。
• EAM 的作用范围远大于 1 Å，通常在几 Å 甚至更远的距离上有效。

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三、你的配置是否合理？

你给出的配置如下：

pair_style hybrid/overlay eam/alloy eam/fs zbl 0.0001 1.0 zbl 0.0001 1.0 zbl 0.0001 1.0

这行代码的意思是：

• 你为所有原子对（* *）指定了三个不同的势函数：eam/alloy、eam/fs、zbl。
• 每个势函数后面跟着的是截断半径（1.0 Å）和一个系数（0.0001）。
• 但这种写法实际上并不正确。LAMMPS 的 hybrid/overlay 风格不允许这样写，它需要明确地将每个势函数分配给特定的原子对。

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四、正确的配置方式

你应该为每种原子对单独指定不同的势函数，例如：

pair_style hybrid/overlay eam/alloy eam/fs zbl

# Fe-Fe
pair_coeff 1 1 eam/alloy FeCr.alloy
pair_coeff 1 1 eam/fs FeCr.fs
pair_coeff 1 1 zbl 1 26.0 26.0

# Fe-Cr
pair_coeff 1 2 eam/alloy FeCr.alloy
pair_coeff 1 2 eam/fs FeCr.fs
pair_coeff 1 2 zbl 2 26.0 24.0

# Cr-Cr
pair_coeff 2 2 eam/alloy FeCr.alloy
pair_coeff 2 2 eam/fs FeCr.fs
pair_coeff 2 2 zbl 3 24.0 24.0

注意：上面的 pair_coeff 行是错误的，因为 pair_style hybrid/overlay 不支持为同一个原子对多次调用 pair_coeff。你必须选择一种势函数用于某个原子对。

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五、你关心的问题：1 Å 内只用 ZBL 还是 EAM + ZBL 都用？

答案是：在 1 Å 范围内，ZBL 和 EAM 都会同时起作用，但它们的作用机制不同。

• ZBL 在 1 Å 内起主导作用，因为它是一个短程势，用于描述直接碰撞。
• EAM 在整个范围内都起作用，但在 1 Å 内也参与计算，尤其是对于金属体系中的嵌入能部分。

因此，在 1 Å 范围内，两个势函数都会被计算，但 ZBL 的贡献更大，而 EAM 提供了背景的电子结构信息。

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六、解决方案总结（重点部分加粗）

1. 理解 hybrid/overlay 的作用：

   • 该风格允许你为不同的原子对指定不同的势函数，但不能为同一个原子对重复添加相同的势函数。

2. ZBL 和 EAM 的区别：

   • ZBL：短程，用于级联碰撞中的直接相互作用（<1 Å）。
   • EAM：长程，用于描述金属体系的整体结构和能量。

3. 在 1 Å 范围内，ZBL 和 EAM 都会起作用，但 ZBL 的影响更大：

   • 你需要根据物理模型选择合适的势函数组合。

4. 正确的配置方式：

   • 应该为每个原子对（如 Fe-Fe、Fe-Cr、Cr-Cr）分别指定一个势函数（只能选一个）。

5. 修改后的配置示例（假设你希望在 1 Å 内使用 ZBL，其他距离使用 EAM）：

   pair_style hybrid/overlay eam/alloy zbl 0.0001 1.0
   
   pair_coeff 1 1 eam/alloy FeCr.alloy
   pair_coeff 1 2 eam/alloy FeCr.alloy
   pair_coeff 2 2 eam/alloy FeCr.alloy
   
   pair_coeff 1 1 zbl 1 26.0 26.0
   pair_coeff 1 2 zbl 2 26.0 24.0
   pair_coeff 2 2 zbl 3 24.0 24.0
   

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七、建议

• 如果你只是想在 1 Å 内使用 ZBL 来描述碰撞，而在更远距离使用 EAM 来描述整体结构，那么应该使用 pair_style hybrid/overlay 并为每个原子对指定一个主势函数（如 EAM），并在其上叠加 ZBL 的短程部分。
• 如果你不确定如何配置，可以参考 LAMMPS 官方文档或相关文献中的标准配置方式。

如果你有具体的模拟目标（比如研究级联碰撞、位移损伤等），我可以进一步帮你优化配置。