Bi2Te3 属于斜方晶系, 通常为了方便起见可以将其视为六面体的层 状结构, 在该结构的同一层上具有相同的原子种类。沿着z轴的方向看, 原子按照如下方式排布: Te1—Bi—Te2—Bi—Te1。 如图1 所示, Te1原子最近邻为相邻层的3个 Bi原子和3个Te1原子, Te2原子的最近邻为 相邻层的6个Bi原子。其中Te2—Bi 键为共 价键, Te1—Bi 键为共价键和离子键, 相邻 层Te1—Te1之间的相互作用则比较弱, 主要 是范德华力。因此Bi2Te3晶体极易在此面 发生解理。
������ σij = -1/V Σ ( Mαviαvjα+1/2ΣFiαβrjαβ) ……………………… (1)
式中, V 为模拟系统盒子的体积, viα为原子α在i 方向的速度分量, Fi αβ为 α和β原子在i 方向的相互作用力, rjαβ 为α和β原子在j 方向的距离。可以 看出表达式( 1) 计算了模拟系统体积内原子的平均应力。式中第一项为 与原子热运动相关的动能项, 第二项为与变形相关的势能项。
Bi2Te3的分子动力学模拟
姓名：刘晓 学号：2013207248 班级：应用化学1班 专业：电化学 学院：化工学院
主要内容：
1.分子模拟技术的概述； 2.含圆孔Bi2Te3 单晶拉伸变形的分子动力学模拟； 3.不同温度Bi2Te3纳米线力学性能分子动力学模拟。
1. 分子模拟技术的概述
1.1 分子模拟的概念 分子模拟是80年代初兴起的一种计算机辅助实验技术，是
同时发现在线弹性阶段原子排列始终保持规则形状, 圆孔边 缘存在应力集中。破坏发生时, 在应力集中部位突然出现裂缝, 并 逐渐迅速向模型外部边缘扩展直至断裂。
由应力-应变曲线以及拉伸过程中的原子构型变化可以看出 含孔Bi2Te3 单晶材料单轴拉伸的破坏形式表现为脆性断裂的特征。
3.不同温度Bi2Te3纳米线力学性能分子动力学模拟
系的动态行为(如氢键的缔合与解缔、吸附、扩散等)。分子模拟 技术目前在分子筛催化剂、高分子材料及其它固体化学、无机材 料研究开发领域的应用非常广泛。
2.含圆孔Bi2Te3 单晶拉伸变形的分子动力学模拟
2.1 模型与模拟方法 首先建立无孔模型, 尺寸为24. 4 nm×12. 8 nm×3. 0 nm( 分别沿着
2.2 应力应变曲线及结构演化分析 利用式(1) , 计算了系统的应力值, 得到加载过程中的应力-应变曲
线。图2 显示了有孔Bi2Te3 单晶块体低温时单轴拉伸的应力-应变关 系。
图2 应力-应变曲线
选取其中应变ε=5%时的应力(σx ) 分布图3 可以发现圆孔边缘存 在应力集中, 这种应力集中的现象与用连续介质力学考察宏观材料类 似, 图3 中点A 和B 的应力(σx = 6. 8 GPa) 约为远离孔洞处模型边缘 处如C 点(σx = 2. 7 GPa) 的2. 5 倍。因此极易在此处最先发生破坏。
x 、y和z 方向) , 原子个数N = 28 560。然后在几何中心处挖掉部分原 子, 形成一个直径为4. 30 nm 的圆孔( 挖掉原子数目为1 340) , 从而形 成一个原子总数N = 27 220 的模型, 如图1 所示。
原子尺度应力的计算采用的是virial 形式。该方法从能量的角度给 出的原子应力的表达式。由于在计算上容易实施, 因此virial 形式的应力 计算方法广泛地应用于分子动力学模拟中。它的表达式为
3.1 温度影响 图4 为不同温度下Bi2Te3纳米线沿x 轴方向拉伸的应力应变曲线。
图5 为弹性模量、极限强度和破坏应变随温度的变化。受温度的影响, 应力应变曲线的斜率随温度升高逐渐降低。弹性模量、极限强度和破 坏应变也随之降低。
图4 沿x轴拉伸应力应变曲线随温度的变化
与相同尺寸的Bi2Te3 块体相 比, 纳米线的弹性模量、极限强 度、破坏应变在各温度点不同 程度上均比块体低。且纳米线和
改变传统实验理念，在科研开发过程中逐步建立 新的、完善的、先进的科研开发程序，当今时代是信 息时代，是计算机时代，为适应这种发展，应该大力 应用分子模拟技术，创造一个科研开发的全新理念。
参考文献：
1.朱伟平.分子模拟技术在高分子领域的应用韩强．塑料科技. 2.童宇, 易法军, 刘立胜等.含圆孔Bi2Te3 单晶拉伸变形的分子动 力学模拟.武汉理工大学学报. 3.童宇, 易法军, 刘立胜等.不同温度Bi2Te3纳米线力学性能分子 动力学模拟.武汉理工大学学报.
块体的弹性常数、极限强度与破坏 应变随温度升高而减小。
图5 沿x轴拉伸弹性模量、极限强度、破坏应变随温度的变化
3.2 温度影响模拟结果分析
各温度点的单向拉伸结果分析其原因，作如下解释： 随着温度的升高, 原子热振动加剧, 热激活能越大, 原子的 运动越偏移原来的平衡位置, 削弱了原子间的结合强度, 从 而易导致缺陷的产生, 使得弹性常数、极限强度与破坏应 变减小。但值得注意的是相同方向的拉伸在不同温度下的 破坏形式没有明显变化。
当应变ε= 6. 4% 时, 对应强度极限为3. 2 GPa。随着应变的进一步增
加, 在应力集中部位突然出 现裂缝, 并逐渐迅速向模型外部 边缘扩展直至断裂, 最终应力急 剧下降到0。
图3 ε= 5% 时的应力（σx）分布
2.3 单轴拉伸力学分子模拟结果
模拟结果表明: 在拉伸过程中, 孔洞边缘存在应力集中现象, 模型的破坏从孔洞处开始逐渐扩展。
利用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子的结构与行为， 进而模拟分子体系的各种物理化学性质。
它是在实验基础上，通过基本原理，构筑起一套模型与算 法，从而计算出合理的分子结构与分子行为，进而研究化学反 应的路径、过渡态、反应机理等十分关键的问题。

1.2 分子模拟技术的应用 分子模拟不仅可以模拟分子的静态结构，也可以模拟分子体