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Materials Studio建模教程-9：layer builder工具建立硅的孪晶结构、建立金属-聚合物-金属体系

华算科技 MS杨站长 2023-03-18
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layer builder工具的使用

目的：介绍使用层状物构建工具在两个表面之间建立界面结构和金属-聚合物-晶体层状结构的方法。
所用模块：Materials Visualizer
往期系列教程：
Materials Studio建模教程-1：自动保存、导入结构、生成图表文档、创建文件夹并移动文档、添加和重命名HTML文档等
Materials Studio建模教程-2：绘制苯酚、二环戊二烯、2-氯吡啶分、甲基丙烯酸甲酯分子结构模型，添加照明效果！
Materials Studio建模教程-3：绘制卟啉分子-绘制五元环、复制、粘贴、平移、旋转、连接、编辑化学键、添加氢原子等！
Materials Studio建模教程-4：绘制有机金属结构模型-Fragment Browser辅助下复杂结构的绘制
Materials Studio建模教程-5：使用结构集合文件，重叠与对齐分子结构！
Materials Studio建模教程-6：准确定位和移动原子
Materials Studio建模教程-7：分子在表面吸附模型的建立
Materials Studio建模教程-8：均聚物、嵌段共聚物、无规共聚物、树枝状高分子模型
背景：

在建模过程中在很多情况下，必须关注界面之间的相互作用。例如聚合物和金属表面之间的相互作用，以及两个表面层之间的相互作用等。利用Materials Studio中的层结构构建工具，可以很容易地建立不同的层结构或界面。

介绍：

Build Layers工具是一个使用不同种类材料建立体系的、简易方便但功能强大的解决方案。本教程演示layer builder工具使用的两个实例，建立金属-聚合物-金属体系，和建立硅的孪晶结构模型。

本教程包括如下内容：

（1）开始
（2）建立硅的孪晶结构
（3）建立金属-聚合物-金属体系
注意：本教程的第二部分需要使用Amorphous Cell模块。

一、开始

启动Materials Studio并建立一个名为Layer的新工程。如想获得关于创建新工程的指导，可参见Project management教程。

如果Materials Studio还没有打开，双击桌面上的Materials Studio图标，或者从Windows开始菜单的程序列表中选择BIOVIA | Materials Studio，以启动程序。
打开New Project对话框，输入Layer作为工程名，单击OK按钮。

新工程将以Layer为工程名列于Project Explorer中。

注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将工程中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。有关恢复默认参数设置的步骤，可参见创建工程教程（Creating a project tutorial）。

二、建立硅的孪晶结构

当两个独立的晶体以对称的方式共享某些相同的晶格点时，就会发生晶体孪生。其结果是两种不同的晶体在多种特定构型中互生。孪晶晶界或组成面将两个晶体分开。纯硅可用于生产超纯硅片，用于半导体工业、电子工业和光伏等应用领域。研究纯硅晶体中孪晶等缺陷的形成具有重要意义。这部分教程涵盖了使用表面模型构建工具和层结构构建工具，建立硅中的孪晶界面的结构。
（1）切割两个表面
（2）建立孪晶的层结构
（3）设置层结构偏移对齐
（4）整理结构建立孪晶
1、切割两个表面
首先必须建立一个新的工作目录。

在Project Explorer中单击Layer工程根目录，右击选择New | Folder，将目录重命名为silicon。
现在将silicon的晶体结构导入到silicon目录下。

选择silicon目录，单击Standard工具栏上的Import按钮，打开Import Document对话框。导航至Examples\Documents\3D Model，导入Si.xsd。
硅的晶体结构显示在一个3D Atomistic文件中，现在必须切割硅的(3 1 0)晶面。

选择Build | Surfaces | Cleave Surface，打开Cleave Surface对话框。将Cleave plane(hkl)更改为3 1 0，将Fractional Thickness增加到9.0，单击Cleave按钮。

将显示一个包含表面结构的新3D Atomistic文件。现在必须切割第二个表面与其相匹配。

使初始硅的晶体结构文件为当前文档，在Cleave Surface对话框中，将Cleave plane (hkl)更改为-3 1 0，单击Cleave按钮。关闭对话框。

现在将有两个新文件，Si (3 1 0)和Si (-3 1 0)。在建立层结构之前，需要对层重新定向，因为这会使后面的对齐阶段变得更容易。

在一个3D Atomistic文件中右击，从快捷菜单中选择Lattice Parameters，打开Lattice Parameters对话框。

在Advanced选项卡中，单击Reorient to standard按钮。打开另一个文档并再次单击Reorient to standard按钮，关闭对话框。

现在准备建立孪晶硅的层结构。

2、建立孪晶的层结构

使用Build Layers工具建立孪晶硅。

从菜单栏中选择Build | Build Layers，打开Build Layers对话框。

在Define Layers选项卡上，指定Layer 1为Si (3 1 0).xsd，Layer 2为Si (-3 1 0)。单击Build layered structure as a surface单选按钮。

已经定义了两个层，并指定其作为表面建立，而不是作为晶体。

选择Matching选项卡，检查晶格参数的匹配性，单击Build按钮。

将在Layer.xsd文件中显示层结构。

使用向右方向键旋转结构，使其处于下图所示的位向。

硅层状结构

可以看到两层没很好的对齐，图中用数字1、2指示出来，它们标记的原子应该处于同一位置，所以需要调整两个层的排列情况。

3、设置层结构偏移对齐

将通过查看图中高亮显示的两个原子的分数坐标的不同，来改变层的排列。要做到这一点，最简单的方法是使用Properties Explorer。

从菜单栏中选择View | Explorers | Properties Explorer，单击上图所示的原子1。为此可能需要旋转结构。

在Properties Explorer中，双击FractionalXYZ，记下X、Y和Z值，对原子2重复该操作。

提示：如果难以选中原子，可以将Display Style设置为Ball and Stick。

查看屏幕右下角的坐标轴，会发现X、Y对应于U和V。由于想在V方向对一个表面进行偏移，所以需要比较两个Y坐标值。原子1的值为0.5，原子2的值为0.4，所以需要将第二层偏移0.1。可以使用Layer Builder工具进行该操作。

在Build Layers对话框中，选择Layer Details选项卡，将Layer 2的v方向的Origin offset更改为0.1，单击Build按钮，关闭对话框。

使用左方向键旋转结构。

将显示新的层结构，并且在该结构中原子正确地对齐。

4、整理结构建立孪晶

最后阶段是平移右边的层结构，使两层部分重叠，然后移除重合的原子。当建立层结构时，每个层被自动地定义为一个集合。

从菜单栏中选择Edit | Edit Sets，打开Edit Sets对话框。选择Layer 2，并单击Select按钮，关闭对话框。

从表面晶格中分离出来的层被选中，将平移这一层，使原子的第一层重合。可以通过按住X、Y或Z键来强制片段按设置方向平移。不过这不是相对于坐标轴指针平移片段，而是相对于屏幕的平移。此处X由左向右，Y是上下方向，Z是内外方向，所以应该沿着X方向平移。

同时按住SHIFT + ALT和鼠标右键，按住X键，移动鼠标使第一层原子重合，如下图所示。

提示：如果有三键鼠标，或有滚轮的鼠标，可以通过在按住SHIFT的同时，使用鼠标中键或滚轮。如果想强制在某个特定的方向进行平移，仍然必须按住方向键。

重叠的硅结构

下面将要移除重合的原子，应使用高级选择工具选中。

从菜单栏中选择Edit | Atom Selection。

打开Atom Selection对话框。

Atom Selection对话框

从Select by Property下拉菜单中选择Z Coordinate，将Equal To选项设置为Inclusive Range，将范围更改为-0.1到0.1。

将选择Z坐标值为-0.1到+0.1之间的所有原子。

将Selection mode更改为Select from the existing selection，单击Select按钮，关闭对话框。

只有重合原子被选定。

按下DELETE键。

将删除重合原子，留下正确的结构。

在Atoms and Bonds工具栏上单击Calculate Bonds按钮旁的选项箭头，选择Delete Bonds。
所有的键都从孪晶结构中移除。

右击3D Atomistic文件，从快捷菜单中选择Display Style，打开Display Style对话框。

在Atom选项卡上，选择CPK显示样式，并将CPK scale更改为0.5。在Lattice选项卡中，在Range区域，将Max. V值增加到3.00，关闭Display Style对话框。

现在已经建立了硅的孪晶结构。

硅的孪晶结构

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

三、建立金属-聚合物-金属体系

本教程的这部分内容包括使用表面构建工具、聚合物构建工具和层结构构建工具，建立有机-无机界面。
（1）导入金属表面结构
（2）建立蜡状聚合物
（3）建立层状结构
1、导入金属表面结构
在本例中，将建立一个体系，包括铁晶体表面的蜡状碳链。为此，首先需要导入铁的晶体结构并建立超晶胞。

在Project Explorer中单击Layer工程根目录，右击并选择New | Folder，将目录重命名为polymer-metal。
在工具栏上单击Import按钮，导入Fe.xsd结构文件。
在开始之前，将显示样式更改为球棍模型。

打开Display Style对话框，在Atom选项卡中选择Ball and stick，关闭对话框。

晶胞的尺寸太小，不能在其上填充聚合物和计算真实的相互作用，所以需要使用超晶胞工具增加晶胞的尺寸。

从菜单栏中选择Build | Symmetry | SuperCell，打开SuperCell对话框。

将A更改为7，B更改为3，C更改为2，单击Create Supercell按钮。

显示一个超晶胞。

Fe晶体的超晶胞

在继续之前，需要记录新的晶格参数，因为在建立蜡状聚合物时会使用这些数据。

在3D Atomistic文件中右击，从快捷菜单中选择Lattice Parameters，打开Lattice Parameters对话框。记录长度a和b的值，关闭对话框。

2、建立蜡状聚合物

蜡状聚合物的创建需要先建立一个聚合物，然后建立一个包含聚合物的无定形晶胞。

从菜单栏中选择Build | Build Polymers | Homopolymer。

打开Homopolymer对话框。将要建立包含4个重复单元的乙烯均聚物，因为乙烯是默认的重复单元，所以只需要改变重复单元的数目。

将Chain length更改为4，单击Build按钮，关闭对话框。

显示一个由8个C原子组成的聚合物链，但这是聚合物理想的描述而不是真实的。可以通过建立包含聚合物的无定形晶胞构建真实聚合物结构。Amorphous Cell使用修正的具有化合键形态概率选择的马可夫过程(Allen and Tildesley, 1987)，计算分子内和分子间的非键相互作用。

从Modules工具栏选择Amorphous Cell工具，然后选择Calculation，或者从菜单栏中选择Modules | Amorphous Cell | Calculation。
打开Amorphous Cell Calculation对话框。

Amorphous Cell Calculation对话框的Setup选项卡

从Task下拉列表中选择Confined layer。从Composition表格Molecule列的第一行，选择Polyethylene.xsd，并将Loading设置为5。

当改变晶胞中的分子数目时，晶胞参数也随之改变，从而保持密度为常数。

蜡状聚合物的密度大约为0.7g/cm3，为反映此值，应修改目标密度。

将Density从1更改为0.7。

默认的晶胞类型为三维周期性，然而，如果要建立的结构包括3层，则中间层必须是受限层。当密度改变时，在下一区域中的晶胞参数再次改变，然而，希望晶胞参数a和b与前面建立的Fe超晶胞的参数相匹配。

单击More...按钮，打开Amorphous Cell Confined Layer对话框。从Lattice type下拉列表中选择Orthorhombic，将a和b值设置为Fe超晶胞中记录的值。关闭对话框。

现在准备建立非晶聚合物。

单击Run按钮，关闭对话框。

当单击Run按钮时，在Project Explorer中显示一个名为Polyethylene AC Layer的新文件夹。几秒钟之后，Job Control中将显示计算任务状态，包括不同的阶段：setup、starting、running和complete。计算任务完成后，结果显示在Polyethylene AC Layer文件夹下的Polyethylene.xtd文件中，为包括5个聚合物的无定形晶胞。

使得Polyethylene.xtd为当前文档，旋转晶胞。

将看到聚合物被限制在一个盒子中。

3、建立层状结构

将要建立一个结构，由金属层、蜡层加上第二个金属层组成。

从菜单栏中选择Build | Build Layers。

打开Build Layers对话框。

Build Layers对话框的Define Layers选项卡

从Layer 1的下拉列表中，选择Fe.xsd，Layer 2选择Polyethylene.xtd，Layer 3选择Fe.xsd。

已经定义了每层的结构。

选择Layer Details选项卡。

此处为不同层的信息，例如是否存在真空等。注意此处没有设置真空层。

选择Matching选项卡。

可在该选项卡中设置层的晶格参数，由于已经建立了蜡层，它和金属层是匹配的，所以此处不需要修改设置。

选择Options选项卡，勾选Configure for confined shear use复选框。

当在Amorphous Cell或Forcite模块中，使用限制剪切的层结构时，每一层需要特殊名称命名，并检查盒子已正确地设置了层结构。

选择Layer Details选项卡。

现在第三层定义了20.0 Å的真空层，这可以避免由于周期性边界条件导致的和第一层的相互作用。

单击Build按钮，关闭对话框。

新的层结构显示在一个名为Layer.xsd的文件中。

Fe-聚合物-Fe层状结构

该结构现可用于Amorphous Cell或Forcite模块，计算蜡的剪切性能。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

本教程到此结束。

参考文献

Allen，M. P. ；Tildesley，D. J. Computer Simulation of Liquids，Oxford University Press：London (1987).

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