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
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
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
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)
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
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)
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
各条件での密度の温度依存性
密度の温度履歴 Isotropic 105 Pa
結合角分布の温度依存性 （常圧等方性ポテンシャル)
結合角分布の温度依存性 （加圧異方性ポテンシャル)
結合角分布の温度依存性 （常圧異方性ポテンシャル)
結合角分布の温度依存性 （加圧等方性ポテンシャル)
配位数分布の温度依存性
配位数分布の温度依存性
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
結合角分布の仮想温度依存性 （常圧等方性ポテンシャル)
結合角分布の仮想温度依存性 （加圧異方性ポテンシャル)
配位数分布の仮想温度依存性
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
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 10.4112 Si-Si 3.4103 0.2956 11.7139 Si-O 1.6148 45.9970 8.8022
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
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
クーロン積分 r / Å J(r) / eV O-O O-Si Si-Si 14..4 / r
シミュレーションセルと周期境界条件 z x, y 粒子数 ６４８
温度履歴 Surface Generation Stepwise Cooling 100 K / 1 ps Relaxation Analysis
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
表面付近の動径分布関数 QEq z / Å g(r) FQ
表面付近のSi-O-Si結合角分布 qEQ FQ Tetrahedral Planer
配位数分布 z / Å 4-coord. Si 3-coord. Si FQ qEQ BO NBO Deb
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
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
表面の欠陥構造 E’ センター