[发明专利]一种基于密度分布矩阵的大规模仿真体系的表征方法

说明书

技术领域

本发明属于信息处理、计算机软件和计算材料科学的技术领域，具体涉及一种在大规模分子动力学仿真计算中利用密度分布矩阵检测晶粒取向、结晶程度，或者进行数据压缩存储的方法。

背景技术

大规模分子动力学仿真是研究微纳尺度物质性质的有效方法。随着计算机技术的迅速提高，目前的模拟规模可以达到上亿个原子，相当于一个约100纳米的立方体。但是，如何表征所模拟的样品仍然是一个较为复杂的问题。对于原子在空间中的排布，通常采用计算机直接显示、键对分析和径向分布函数(Radial Distribution Function，RDF)分析等分析手段。若采用一般的三维显示技术，把每一个原子按照空间位置直接显示出来，则对于上亿规模的体系，按照计算机硬件的发展规律，近期内无法完成这样的任务。而且，通过直接显示技术仅仅可以观察到处于晶体表面的原子，对于晶体内部的原子则被表面原子所遮挡，无法直接观察，更无法判定它们的结晶情况。键对分析(或称为“公共近邻分析”)可以检测出样品中的结晶区域和非结晶区域，并检测出材料或器件的局部是否具有FCC(面心立方)或者HCP(密排六方)等结构。但是该方法计算繁杂，对大规模体系的分析耗时太多，所以分析大块晶体中的各晶粒的具体取向仍有不足之处。RDF分析是对整个体系平均化，虽然可以根据RDF峰的尖锐程度得到所模拟体系晶化程度的信息，但缺乏对局部结构的分析和进一步定量分析的能力。

对于一个连续的机械过程，例如拉伸和压缩，或者金属结晶和融化，晶体的表征是动态的。不仅要求能大量地记录下多个相邻时刻的有关信息，而且要求能对过程加以实时地跟踪和显示。此外，对于大规模的体系，若仿真过程中精确记录所有原子的位置以供后续分析，则数据记录文件过大。即使对于目前105量级的原子，数据记录文件也可达100MB，因此不可能频繁地，实时地记录数据文件。这导致仿真过程中所经历的许多动力学过程的细节无法被记录下来。特别是对于仿真体系的一些关键的转变点，由于缺乏细节，只能依靠推测等经验手段，严重地妨碍了对整个过程的理解。

发明内容

本发明旨在针对大规模计算机仿真结果中的可能的周期性晶体结构，提出一种检测其中晶粒的晶体取向并判定其结晶程度的方法。该方法既可以检测局部的结晶情况，又可以反映大范围内的整体有序程度。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于密度分布矩阵的大规模仿真体系表征方法，包括以下步骤：

(1)统计一个有限空间中所有点的原子存在情况，对统计数据进行离散化处理，根据原子密度分布函数得到了一个一维的、二维的或三维的原子密度分布矩阵；

(2)把密度分布矩阵投影到一个或多个平面上；

(3)对原子密度分布矩阵进行采样。

上述步骤(3)中，当采样频率低于奈奎斯特频率，即欠采样频率条件下，利用大范围花纹的产生规律判定晶向与结晶程度。

上述步骤(3)中，当采样频率高于奈奎斯特频率，即足够采样频率条件下，利用对称性和晶面间距分析晶向与结晶程度。

有益效果：大规模体系仿真结果的有效表征是将分子动力学应用到纳米工程领域的一个瓶颈。常用的直接显示、键对分析和径向分布函数等基于原子位置的表征手段或者消耗计算机资源过大，无法用于超大规模的体系；或者无法充分表现体系的细节；或者中间数据文件较大，难以保存足够的数据，从而损失动态细节。本发明可以在仿真过程中实时地按照一定的分辨率要求生成类似于透射电镜的照片的平面投影结果，并可进一步利用晶体学的知识对所体系进行分析。对于目前纳米研究中比较受关注的一维或准一维体系，还可以得到纵向密度分布函数，并直接引用信息科学中有关信号处理的理论进行分析。同时，本表征方法所生成的数据记录文件是传统方法(直接记录原子位置)所生成文件大小的1/50～1/100，因此可以大大增加记录频率，捕捉动力学过程的细节以深入理解整个体系的动态规律。

附图说明

图1是不同采样率下的二维原子密度投影；

图2是采样频率等于特征频率时的投影示意图；

图3两种采样情形示意图；

图4晶粒取向推测；

图5弛豫后空心金纳米球的密度投影。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述以上步骤。

首先阐明本发明的原理：

1.密度分布矩阵的引入