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シリカガラスの分子動力学シミュレーション
福井大学 工学部 葛生 伸
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シリカガラスの分子動力学シミュレーション
体積 （密度) の温度依存性 表面の構造
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R.Brückner, J.Non-Cryst.Solids 5, 123, 1970
体積の温度依存性 R.Brückner, J.Non-Cryst.Solids 5, 123, 1970 一般的のガラス シリカガラス
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D. R. Perchak and J. M. O’Reilly, J.Non-Cryst.Solids 167, 211 (1994)
以前の研究 D. R. Perchak and J. M. O’Reilly, J.Non-Cryst.Solids 167, 211 (1994)
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B.P.Feuston, S.H.Garofalini, J.Chem.Phys. 89, 9, 1988
ポテンシャル B.P.Feuston, S.H.Garofalini, J.Chem.Phys. 89, 9, 1988
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u2中のパラメタ ρij /Å Aij /erg βij /Å Si – Si IP AP 0.29 1.88×10-9 2.50 2.29 Si – O 2.96×10-9 3.00×10-9 2.34 O – O 0.725×10-9 1.10×10-9 u3中のパラメタ ric /Å λi /erg ri /Å O – Si – O Si – O – Si 3.0 2.6 19×10-11 0.3×10-11 2.8 2.0 IP: 等方ポテンシャル (u2のみ) AP: 異方性ポテンシャル (u2+u3)
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温 度 履 歴 1 2 3 4 2000 4000 6000 8000 Time (ns) Temperature (K) 1 step = 0.1 ns Si 粒子数 216 O 粒子数 432 Δt 10-15s
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各条件での密度の温度依存性
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密度の温度履歴 Isotropic 105 Pa
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結合角分布の温度依存性 （常圧等方性ポテンシャル)
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結合角分布の温度依存性 （加圧異方性ポテンシャル)
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結合角分布の温度依存性 （常圧異方性ポテンシャル)
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結合角分布の温度依存性 （加圧等方性ポテンシャル)
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配位数分布の温度依存性
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配位数分布の温度依存性
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密度の仮想温度依存性温度依存性 各温度から300 Kまで急冷前後密度依存性
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結合角分布の仮想温度依存性 （常圧等方性ポテンシャル)
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結合角分布の仮想温度依存性 （加圧異方性ポテンシャル)
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配位数分布の仮想温度依存性
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シリカガラス表面の分子動力学シミュレーション
表面では欠陥構造が多数 ⇒ 原子間の電荷の移動 ⇒ 電荷平衡法により考慮
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シリカ表面の分子動力学シミュレーション ポテンシャル Morse-Stretch ポテンシャル + クーロンポテンシャル R0 (Å)
D0 (kcal/mol) γ O-O 3.7835 0.5363 Si-Si 3.4103 0.2956 Si-O 1.6148 8.8022
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原子間の電荷移動効果 i0 (eV) 電荷平衡 (QEq)法 基礎方程式 原子 i の化学ポテンシャル 平衡条件 電荷の保存 O
8.741 Si 4.168
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電荷平衡 (QEq) 法の基礎方程式 クーロン積分 Ai: 規格化因子，ni: 主量子数，zi: 定数
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クーロン積分 r / Å J(r) / eV O-O O-Si Si-Si 14..4 / r
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シミュレーションセルと周期境界条件 z x, y 粒子数 ６４８
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温度履歴 Surface Generation Stepwise Cooling 100 K / 1 ps Relaxation
Analysis
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ＳｉおよびOの相対数密度分布 (バルクの総数密度で規格化)
z / Å n qEQ Si O FQ z / Å Present 密度分布
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表面付近の動径分布関数 QEq z / Å g(r) FQ
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表面付近のSi-O-Si結合角分布 qEQ FQ Tetrahedral Planer
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配位数分布 z / Å 4-coord. Si 3-coord. Si FQ qEQ BO NBO Deb
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配位数分布 Deb Si 4-coord. Si 3-coord. Si charge / e Total Charge density
z / Å charge / e Si Total Charge density 4-coord. Si 3-coord. Si NBO BO Deb
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Debye –Waller Factor / Å2
表面付近のSi-O-Si結合角分布 qEq z / Å Debye –Waller Factor / Å2 Si O FQ Debye-Waller Factor Deb
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表面の欠陥構造 E’ センター
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