Tracking Microstructure of Crystalline Materials: A Post-Processing Algorithm for Atomistic Simulations
原子模拟技术由于具有极高的时空分辨率，已成为材料研究的有力工具。为了理解在原子尺度上控制材料行为的基本原理，并直接与实验工作联系起来，有必要量化用原子学模拟的材料的微观结构。具体而言，目前还不存在用于识别微晶、其晶体取向和整体样品织构的定量工具。在这里，我们开发了一种后处理算法，能够表征这些功能，同时还记录了它们在模拟过程中的演变。此外，数据的呈现方式与传统实验技术中使用的可视化方法相似。该算法的效用是通过分析几种类型的模拟细胞，这是常见的原子建模文献中，但也可以应用到各种其他原子的研究，需要精确的识别和跟踪的微观结构。
2014-07-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Optimization and Validation of a Deep Learning CuZr Atomistic Potential: Robust Applications for Crystalline and Amorphous Phases with near-DFT Accuracy
我们表明，基于密度泛函理论（DFT）计算的深度学习神经网络势（DP）可以很好地描述Cu-Zr材料，这是一个二元合金系统的例子，可以共存于几种有序的金属间化合物中，并作为非晶相。Cu-Zr的复杂相图使其成为传统原子力场的挑战系统，无法很好地描述不同的性质和相。相反，我们表明，DP的方法，使用一个大型数据库与~ 300 k配置可以呈现结果一般与DFT。训练集包括原始和散装的基本金属和金属间化合物的配置，在液相和固相除了板和非晶配置。DP模型进行了验证，通过比较体性质，如晶格常数，弹性常数，体模量，声子谱，表面能DFT值相同的结构。此外，我们对比DP的结果与使用公认的两个嵌入式原子方法的潜力得到的值。总的来说，我们的DP潜力提供了近DFT的精度为不同的Cu-Zr相，但其计算成本的一小部分，从而使精确计算的现实原子模型，特别是非晶相。
2020-02-17 cond-mat.mtrl-sci
Uniaxial compression of crystalline HCP titanium: an atomistic modelling study of size effects
University of Turku（图尔库大学）
通过分子动力学模拟，研究模型尺寸和应变率对α-钛压缩力学响应的影响，发现弹性质独立于尺寸和应变率，而塑性变形中尺寸效应显著，且系统尺寸与应变率强耦合。
2026-06-29 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic simulations of nanoindentation in single crystalline tungsten: The role of interatomic potentials
计算建模通常用于辅助先进材料的实验探索，以更好地理解力学测试过程中的基本塑性机制。在这项工作中，我们进行分子动力学（MD）模拟模拟实验室的球形纳米压痕晶体W矩阵不同的原子间的潜力：EAM，修改的EAM，和最近开发的机器学习基于制表高斯近似势（tabGAP）描述的W-W的相互作用。结果表明，载荷位移和应力-应变曲线之间的相似性，无论数值模型。然而，在弹性到塑性形变转变的早期阶段观察到的差异，显示出不同的机制，位错的形核和演化，这是由于伯格斯矢量大小的差异，堆垛层错和位错滑移能。此外，还考虑了大压头尺寸下的接触压力，对加载过程中的螺位错和刃位错进行了详细的分析。此外，我们还计算了在所有原子间相互作用势下这种位错的滑移势垒，结果表明，tabGAP模型的计算结果与密度泛函理论的计算结果相比是最精确的，并且与已有的实验数据定性一致
2022-12-11 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Prediction of the electron density of states for crystalline compounds with Atomistic Line Graph Neural Networks (ALIGNN)
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；Theiss Research（泰斯研究公司）
基于机器学习（ML）的模型极大地增强了传统的材料发现和设计流程。具体而言，近年来，用于材料属性预测的替代ML模型已经证明了在预测离散标量值目标属性方面的成功，其DFT计算值的合理准确性。然而，由于目标的复杂性和可用训练数据的有限量，诸如电子态密度（DOS）的光谱目标的准确预测提出了更具挑战性的问题。在这项研究中，我们提出了一个扩展的最近开发的原子线图神经网络（ALIGNN），以准确地预测DOS的一个大的材料单元格结构，训练到公开可用的JARVIS-DFT数据集。此外，我们评估两种方法的目标量的表示-一个直接的离散化频谱，和使用自动编码器获得的压缩低维表示。通过这项工作，我们展示了基于图形的特征化和建模方法在预测复杂目标中的实用性，这些目标取决于材料结构的化学和方向特性。
2022-01-20 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.atm-clus
Nanoindentation of single crystalline Mo: Atomistic defect nucleation and thermomechanical stability
本研究利用分子动力学模拟不同压头尺寸、晶向和温度下单晶Mo的球形纳米压痕，揭示[001]位错结的形成与高温稳定性可能决定其热机械稳定性。
2025-02-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
A Multiscale Approach for Modeling Crystalline Solids
在本文中，我们提出了一个建模方法，桥梁的原子尺度与宏观尺度的晶体材料。该方法结合了识别和建模的控制单元过程在微观层面上的基本材料性能的直接原子测定。这些性质是使用从头计算量子力学计算得出的多体力场计算的。用这种方法描述了高纯钽单晶的力学响应，包括温度和应变速率对硬化速率的影响。由此产生的原子信息模型被发现捕捉这些晶体的行为的显着特征，如：初始屈服点对温度和应变速率的依赖性，存在一个显着的阶段I的容易滑动，特别是在低温和高应变速率;第二阶段硬化的突然发生及其向低应变方向转变的趋势，并最终消失，随着温度的升高或应变速率的降低，在低应变速率或高温下的抛物线型第二阶段硬化，在高应变速率或低温下的第二阶段软化，在高应变下的饱和趋势，饱和应力的温度和应变速率依赖性，以及硬化速率的取向依赖性。
2001-04-20 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic deformation behavior of single and twin crystalline Cu nanopillars with preexisting dislocations
采用分子动力学模拟研究了共格的Cu ~（111）孪晶界对Cu纳米柱塑性形变行为的影响.我们的工作表明，具有和不具有孪晶界的支柱的机械响应是决定性的驱动初始位错源的特性。在大尺寸柱状晶和大量初始可动位错的条件下，屈服应力和流变应力主要由最长的可动位错控制。建立了屈服应力和流变应力与最长位错长度的反相关关系，其外推结果与实验屈服应力数据吻合良好。实验报告的微妙的差异，屈服和流动应力之间的支柱与没有孪晶界，因此可能与移动位错的最大长度。在热处理和机械加载过程中可动位错减少的微柱尺寸很小的情况下，可以清楚地区分有孪晶界和无孪晶界的微柱的力学响应。在变形过程中的位错饥饿是更清楚地存在于柱没有孪晶界比柱的孪晶界，因为孪晶界作为一个钉扎表面的位错网络。
2021-04-09 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic Origin of Urbach Tails in Amorphous Silicon
指数带边已经在各种材料中观察到，包括晶体和非晶体。在本文中，我们推断这些尾巴在非晶和有缺陷的晶体硅的结构起源的直接计算与电流{ \it ab initio}方法。我们发现，指数尾出现在放松模型的金刚石与适当的点缺陷。在非晶硅（a-Si）中，我们发现网络中存在短键和长键的结构丝，并且在两个带尾的极端边缘附近的尾态也是连续的，在结构丝上有许多局域化。我们连接的存在下，这两个灯丝系统的缺陷和/或拓扑紊乱的存在下，结构松弛。
2008-02-10 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Atomistic simulations of the crystalline-to-amorphous transformation of gamma-Al2O3 nanoparticles: delicate interplay between lattice distortions, stresses, and space charges
采用大规模分子动力学模拟研究了γ-Al 2 O3在300 ~ 900 K温度范围内的相稳定性随尺寸的变化。对于γ-Al_2 O_3晶体，O亚晶格的FCC-HCP转变为α-Al_2 O_3的体相转变在900 K时仍然受到动力学阻碍。然而，通过形成准八面体Al局部配位球的FCC O-亚晶格的局部扭曲变得热激活，如由Al-O键的部分共价性驱动的。相反，球形γ-Al 2 O3纳米颗粒（尺寸为6和10 nm）在900 K下经历晶体到非晶的转变，其从重构表面开始并通过阴离子和阳离子的集体位移传播到核心，导致形成Al的7倍和8倍局部配位球。重建的富Al表面通过扩散的贫Al过渡区与化学计量的芯分离。这种成分的不均匀性造成了NP内部电荷的不平衡，这引起了一个净库仑吸引力，该吸引力足够强，可以将NP核中的初始应力状态从压缩扭转为拉伸。这些发现揭示了氧化物纳米系统中晶格畸变、应力和空间电荷区域之间的微妙相互作用。提供了对所报道的金属氧化物纳米颗粒随着尺寸减小而膨胀的基本解释，这对例如非均相催化、纳米颗粒烧结和纳米颗粒增强金属基复合材料的增材制造具有重要意义。
2023-02-17 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
An Atomistic-based Finite Deformation Continuum Membrane Model for Monolayer Transition Metal Dichalcogenides
提出了过渡金属二硫属化物（TMD）单分子膜的有限变形晶体弹性膜模型。单层TMD是具有排列在三个平行表面中的原子的多原子厚的二维（2D）结晶膜。在本公式中，TMD膜的变形配置通过其中间表面的变形图和垂直于中间表面的两个拉伸来表示。基于晶体弹性的运动学规则被用来表达的连续应变的变形键长和键角的TMD。由原子间相互作用势导出了TMD薄膜的连续超弹性应变能。在本构关系中还考虑了两个简单的TMD晶格之间的相对位移。一个光滑的有限元框架，使用B样条数值实现目前的连续膜模型。所提出的模型将纯2D膜（如石墨烯）的基于晶体弹性的膜理论推广到多原子厚的TMD晶体膜。数值结果表明了相对位移和两个正常拉伸的重要性。所提出的基于原子的连续体模型准确地匹配材料模量，复杂的后屈曲变形，和平衡能量预测的纯原子模拟。它还准确地再现了包含数千万个原子的大面积TMD样品的实验结果。
2022-04-25 cond-mat.mtrl-sci
Mesoscale computational study of the nano-crystallization of amorphous Ge via a self-consistent atomistic - phase field coupling
锗是许多相变材料中的基本元素，即可以在其结晶相和非晶相之间进行可逆转变的系统。它们被广泛用于当前的数字电子产品中，并为下一代非易失性存储器设备带来了巨大的希望。然而，这些应用所需的超快相变可能是非常复杂的，即使是单组分系统，这些现象的物理理解仍然缺乏。在本文中，我们研究了在高温下从非晶薄膜结晶Ge的成核和生长相场模型通知的基本材料性质的原子计算。的原子计算捕获的Ge晶格的各向异性，这导致在界面能和迁移率的取向依赖性的全部。这些取向关系，然后准确地恢复相场模型在有限厚度通过一种新的参数化策略的基础上的不变性解决方案的Allen-Cahn方程。通过这种多尺度方法，我们研究了成核和生长之间的相互作用，发现结晶Ge晶粒的平均半径和成核速率之间的关系遵循简单的Avrami型标度律。我们认为，这些可以用来覆盖一个广泛的区域的成核率空间，从而方便与实验比较。
2013-12-13 cond-mat.mtrl-sci
Taming Multi-Domain, -Fidelity Data: Towards Foundation Models for Atomistic Scale Simulations
本文提出总能量对齐方法TEA以无缝整合异构量子化学数据，并据此训练出首个覆盖分子与晶体体系统一数据集的开源通用MLIP模型MACE-Osaka24，在有机和无机体系均达到领先精度。
2025-11-10 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Atomistic and experimental study of microstructural evolution in nanocrystalline iron subjected to irradiation
本研究通过分子动力学模拟和X射线衍射实验，探究纳米晶铁在辐照下的微观结构演化，发现晶粒粗化、位错密度降低及辐照诱导退火现象，并揭示晶粒生长符合随机生长机制。
2025-05-27 cond-mat.mtrl-sci
Imeall: A Computational Framework for the Calculation of the Atomistic Properties of Grain Boundaries
我们描述了\texttt{Imeall}软件包的计算和材料中晶界的原子属性的索引。该软件包提供了一个结构化的数据库，用于存储原子结构及其相关属性，配备了可编程的应用程序接口，以原子间势计算器。该数据库采用通用索引系统，允许存储任何晶体材料的任意晶界结构。的有用性的\texttt{Imeall}包证明通过计算，存储和分析放松的晶界结构的低指数取向轴对称倾斜和扭曲边界的密集范围内的$α$ -铁的各种原子间势。该软件包的能力进一步证明了通过进行自动化的结构生成，位错分析，间隙网站检测，和杂质偏析能量在整个晶界范围。所有计算的原子属性都通过网络框架公开，提供对晶界存储库和分析工具套件的开放访问。
2017-09-29 cond-mat.mtrl-sci
Role of defects in the electronic properties of amorphous/crystalline Si interface
确定的非晶/结晶Si异质结构的能带对准的机制是解决与直接原子模拟的接口进行使用的各种计算方案，从经典的模型势分子动力学从头算方法的层次组合。我们发现，在协调无缺陷的样品的频带对齐几乎消失，并独立于接口的细节。相反，在缺陷丰富的样品中，带对齐相对于无缺陷的情况是相当大的不同，但值得注意的是，几乎独立于缺陷的浓度。我们合理化这些发现的半导体接口的理论。
2001-05-14 cond-mat.mtrl-sci
Validating x-ray line-profile defect analysis using atomistic models of deformed material
晶体材料中位错缺陷的数量强烈影响其性能，因此在实验样品中分析该数量的能力具有很大的实用性。作为透射电子显微镜直接计数的补充，X射线衍射线轮廓的定量分析是一种重要的工具。这是一种间接的量化方法，因此需要仔细验证推理过程中的物理模型。在这里，我们进行直接评估的能力，线轮廓分析，量化方面的位错和堆垛层错人口利用变形铜单晶的原子模型。我们直接分析这些模型，以确定缺陷内容的确切细节（我们的“地面实况”）。然后，我们生成的模型和分析它们使用相同的程序在实验分析中使用的理论线轮廓。这导致我们能够与确切数据进行比较的缺陷含量的推断测量。我们表明，线轮廓分析是能够提供良好的预测位错密度和堆垛层错分数跨越两个数量级。我们进一步展示了沃伦和阿弗巴赫所调用的位错分布的均方应变中的外截止半径如何对应于根据Wilkens模型人工构建的位错的限制随机分布中的晶胞尺寸。总体而言，我们的研究结果提供了重要的新的支持，使用线轮廓分析的量化晶体材料中的线和平面缺陷。
2022-04-29 cond-mat.mtrl-sci
Large-scale multiscale modeling of phase transformation in nanocrystalline materials: Atomistic and Phase-Field methods
本研究将原子分子动力学模拟与介观相场计算方法相结合，以研究多晶铝微结构中的相变。事实上，工程材料的微观结构计算建模可以帮助优化其工业应用的机械性能（例如涡轮叶片的定向凝固）。因此，多尺度建模方法的开发，以找到制造变量（如温度）和晶体材料的微观结构特性（如晶粒尺寸）之间的关系，这可以用来开发一个先进的制造工艺的敏感应用。结果表明，晶粒生长的原子模型可以作为研究相变动力学的第一性原理方法，更准确地描述多晶材料的形貌。另一方面，相场介观方法需要较少的计算工作量，但仍然依赖于半经验数据来捕捉准确的相变制度，这使得这种方法适合于快速检查新的制造条件以及其对多晶材料的微观结构性能的影响。
2019-06-17 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic Models of Amorphous Metal-Organic Frameworks
人们对金属有机骨架（MOFs）和多孔配位聚合物的非晶态越来越感兴趣，它们可以通过压力诱导的非晶化、温度诱导的非晶化、熔融淬火、球磨、辐照等来制备。它们可以表现出有用的物理和化学性质，不同于在晶态下可实现的那些，以及更容易加工，以及优于晶体和粉末的固有优点，例如高透明度和机械坚固性。然而，这些无定形状态是特别具有挑战性的特征，并在微观尺度上的框架结构的确定是困难的，只有间接的结构信息可从衍射实验。在这个角度来看，我们审查和比较现有的方法可用于确定的微观模型的无定形MOFs，基于实验数据和模拟方法。特别是，我们提出的原子模型，可以使用反向蒙特卡罗（RMC）方法，连续随机网络（CRN），经典和\emph{ab initio}分子动力学，反应力场，和模拟组装/聚合算法。
2022-03-29 cond-mat.mtrl-sci
Optical $N$-insulators: topological obstructions in the atomistic susceptibility tensor
拓扑能带理论的一个强有力的结果是，非平凡相位对构造局域化的Wannier函数造成了障碍。在陈氏绝缘体中，不可能构造出在两个方向上都具有平移对称性的Wannier函数。类似地，在量子自旋霍尔绝缘体中不能形成遵守时间反演对称性的瓦尼尔函数。拓扑学的分子轨道解释是有启发性的，最近被扩展到拓扑晶体绝缘体，其中包括与空间群对称性有关的障碍物。在这篇文章中，我们介绍了一类新的二维拓扑材料，称为光学$N$ -绝缘体，具有障碍，以构建局部分子极化率。光学不变量$N$是原子磁化率张量$χ$的缠绕数，并计算电磁线性响应理论中的奇点数。我们通过分析材料的光学能带结构--磁化率张量的本征向量--来破译这些奇异性，这些本征向量构成了光学布洛赫函数的集合。这些本征矢量的定域基是光学Wannier函数，它代表了分子在不同晶格位置的极化率。我们证明了在非平凡的光学相位$N\neq 0$中，这样的局域偏振基是不可能构造的。利用$K$理论的数学机制，这些光学$N$相被进一步细化以解释材料的潜在晶体对称性，从而产生物质的拓扑电磁相的分类。
2021-10-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Laves phase crystal analysis (LaCA): Atomistic identification of lattice defects in C14 and C15 topologically close-packed phases
晶体结构中缺陷的识别对于原子模拟分析至关重要。许多基于局部原子排列分类的表征缺陷的方法可用于简单的晶体结构。然而，目前还没有方法来识别拓扑紧密堆积（TCP）相如Laves相的晶体结构和内部缺陷。我们提出了一种新的方法，Laves相位晶体分析（LaCA），通过交织现有的结构分析算法来表征Laves晶体中的原子排列。新方法可以识别Laves相的C14和C15多型体、这些相中的典型晶体学缺陷以及常见的变形机制，如同步剪切和非基底位错。C36 Laves相的缺陷可以通过偏离构成该相的C14和C15结构的周期性排列来检测。LaCA是健壮的，可扩展到其他TCP阶段。
2021-04-16 cond-mat.mtrl-sci
Scaling Properties of Flexible Membranes from Atomistic Simulations: Application to Graphene
结晶膜的结构和热力学特征是正态-正态关联函数G（q）的长波行为。我们计算G（q）的蒙特卡罗和分子动力学模拟的准谐波模型势和石墨烯的现实潜力。为了访问有限大小的系统（高达40000个原子）的长波长限制，我们引入了基于集体原子移动（波移动）的蒙特卡罗采样。我们发现一个幂律行为$G(q)\propto q^{-2+η}$具有相同的指数$η\approx 0.85$为两个潜在的。这一发现从微观方面支持了连续介质方法中膜的标度理论的充分性，即使是对于像石墨烯这样非常刚性的材料。
2009-03-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
A multiscale and multiphysics framework to simulate radiation damage in nano-crystalline materials
本工作提出了一个多尺度、多物理场的框架来研究纳米晶材料的辐射损伤。该框架结合了两种方法，包括电子效应的分子动力学模拟和纳米晶体材料中的长期原子扩散模拟。在此框架下，我们研究了纳米晶材料在辐射事件下的自修复行为。我们发现，在级联模拟过程中，在纳米晶体中产生的缺陷的数量是小于在单晶。这种行为是由于在级联模拟过程中，间隙原子在晶界网络中的快速吸收，而空位迁移到边界的时间比间隙原子长得多。因此，纳米晶体材料显示出自修复行为，其中缺陷的数量和尺寸随时间急剧减少。我们发现纳米晶材料的自修复行为是有限的，大约50%的空位存活下来。这种效应是由于空位簇的集体行为比单个空位稳定得多。
2022-09-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Identification of a Multi-Dimensional Reaction Coordinate for Crystal Nucleation in $\text{Ni}_3\text{Al}$
多组分合金凝固过程中的形核是一个复杂的过程，包括不同晶相之间的竞争以及化学成分和有序性。在这里，我们结合过渡界面采样与广泛的提交人分析，探讨原子机制在成核的初始阶段在$\text{Ni}_3\text{Al}$。从熔体中的结晶团簇的形成和生长受到三个描述符之间的相互作用的强烈影响：新兴核的大小，结晶度和化学短程有序。我们证明，它是必不可少的，包括所有三个功能在一个多维的反应坐标正确描述的成核机制，特别是化学短程秩序起着至关重要的作用，在小集群的稳定性。识别多维反应坐标的必要性，预计将是非常重要的原子表征的成核过程中的复杂，多组分系统。
2020-06-23 cond-mat.mtrl-sci
Mechanical properties of polycrystalline graphene based on a realistic atomistic model
石墨烯目前只能通过化学气相沉积法大量生长，这种方法可以产生多晶样品。在这里，我们描述了一种方法来构建现实的多晶石墨烯样品的原子模拟，并将其应用于研究其机械性能。我们发现，裂纹起始于晶界相遇的点，然后主要在锯齿形或扶手椅方向通过晶粒传播，与最近的实验工作一致。与早期的理论预测相反，我们观察到正态分布的本征强度（约为单晶石墨烯的50%）和失效应变，它们不依赖于晶粒之间的取向差角。外推的晶粒尺寸超过15纳米的结果在一个失败的应变约0.09和杨氏模量约600 GPa。当晶界交汇点被识别为Griffith裂纹时，强度的降低可以用传统的连续介质模型来充分解释。
2012-05-07 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Realistic atomistic structure of amorphous silicon from machine-learning-driven molecular dynamics
非晶硅（a-Si）是一种被广泛研究的非晶体材料，但其原子结构的细微细节仍然不清楚。在这里，我们表明，a-Si的准确结构模型可以通过利用机器学习算法的力量来创建原子间势来获得。我们最好的a-Si网络是通过在分子动力学模拟中以10 $^{11}$ K/s的速率（即在10 ns的时间尺度上）从熔体冷却获得的。该结构示出了低于2%的缺陷浓度，并且与关于过量能量、衍射数据以及$^{29}$ Si固态NMR化学位移的实验一致。我们表明，这种质量水平是不可能实现更快的淬火模拟。然后，我们生成了一个4,096个原子的系统，该系统正确地再现了结构因子中第一个尖锐衍射峰（FSDP）的大小，与迄今为止的实验结果最接近。我们的研究证明了机器学习原子间相互作用势对阐明非晶功能材料的准确结构和性质的更广泛影响。
2018-03-07 cond-mat.mtrl-sci
Defects from phonons: Atomic transport by concerted motion in simple crystalline metals
点缺陷在晶体材料中起着至关重要的作用，因为它们不仅影响热力学性质，而且对动力学过程也至关重要。虽然它们在热力学平衡中是必要的，但通常认为在本体中自发形成缺陷是极不可能的，除了接近熔点的温度。在这里，我们证明了通过原子模拟的过程，涉及协调的原子运动，引起缺陷的形成，实际上是频繁的体心立方金属，甚至下降到约50%的熔化温度。它表明，这种行为是密切相关的晶格振动的非谐性和平坦的能量景观沿某些结晶方向，一个功能，是不存在的，例如，面心立方晶格结构。这一见解对我们对这些材料的一般理解有影响，并为第4族过渡金属中所谓的异常扩散提供了补充解释。
2019-12-04 cond-mat.mtrl-sci
Structural identification in general crystalline systems via Voronoi cell topology
Bar Ilan University（巴伊兰大学）；University of Wisconsin–Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
针对现有晶体结构识别方法仅适用于少数简单结构的问题，提出一种可枚举任意晶体结构经无穷小扰动后Voronoi胞拓扑的算法，生成分类器实现通用晶体系统的自动识别，并在多个结构上验证了方法有效性。
2026-10-15 cond-mat.mtrl-sci cs.CG physics.comp-ph
Coupled structural and magnetic properties of ferric fluoride nanostructures part I: a Metropolis atomistic study
提出了一种改进的Metropolis原子模拟来模拟离子纳米结构系统中的晶界（GBs）和界面的结构，并将其应用于三氟化铁（FeF 3）的磁性有趣的情况。我们选择了长程原子间的潜力调整实验结果，并适应了以前建立的Monte Carlo计划，包括各种修改的模拟退火/大都市算法。扭曲和倾斜的GBs的原子结构作为晶粒的相对取向差的函数已经实现，产生接近实验测量的属性。这种方法考虑了远离界面的晶粒结构，以限制晶粒的相对取向，而没有任何周期性的边界条件。得出的结论是，一个长程库仑衰减的原子间势是必要的，以获得GB结构呈现正确的局部拓扑结构，但从结晶到非晶态的平滑过渡。最后从拓扑结构和局部磁结构两个方面讨论了其结构特征。
2010-03-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Amorphous shear bands in crystalline materials as drivers of plasticity
本文通过实验与原子模拟结合，揭示了晶体材料中非晶剪切带形成的材料性能趋势及其驱动塑性或导致断裂的条件，并提出通过成分调控提高名义脆性材料韧性的策略。
2023-08-07 cond-mat.mtrl-sci
Imaging individual solute atoms at crystalline imperfections in metals
直接成像构成材料的所有原子，也许更重要的是，决定材料性能的晶体缺陷，仍然是一个艰巨的挑战。在这里，我们提出了一种新的方法，化学敏感的场离子显微镜（SEM）结合对比度的解释，从密度泛函理论（DFT）和元素识别，使飞行时间质谱和数据挖掘。分析-doppler具有真正的原子分辨率，我们演示了该技术如何可以揭示在微观结构中的特定位置处的单个溶质原子的存在。这种新技术的性能展示在揭示个别Re原子在蠕变变形过程中形成的Ni中的晶体缺陷。由A-REAL提供的原子细节使我们能够直接将我们的结果与模拟进行比较，并解决了一个长期存在的问题，即Re如何延长高温下服役的镍基高温合金的寿命。
2019-03-31 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Atomistic mechanisms of dynamics in a two-dimensional dodecagonal quasicrystal
本研究通过分子动力学模拟二维十二角准晶，发现其动力学呈现异质性、非阿伦尼乌斯弛豫及两阶段弛豫，且更接近金属玻璃形成液体而非晶体。
2025-05-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Data-Driven Modeling of Dislocation Mobility from Atomistics using Physics-Informed Machine Learning
本文提出一种基于不确定性量化驱动的主动学习范式，利用物理信息图神经网络（PI-GNN）从自动化高通量分子动力学模拟中学习位错迁移率定律，在体心立方金属中比传统唯象模型更准确地捕捉底层物理规律。
2024-03-20 cond-mat.mtrl-sci
Suppression of anharmonicities in crystalline membranes by external strain
在实践中，物理膜由于其放置的环境而暴露于一定量的外部应变（拉伸或压缩）。结果，膜的声子模式的行为被修改。我们表明，在刚性的二维膜的非谐效应是高度抑制张力的应用下。为此，我们考虑了自洽屏蔽近似（SCSA）中弯曲模和伸缩模之间的非谐耦合，并将SCSA中得到的高度-高度关联函数与相应的谐波传播子进行了比较.弹性理论的结果进行比较原子蒙特卡罗模拟的石墨烯膜在张力下。我们发现，虽然需要相当高的应变值来避免软膜中的非谐性，但小于1%的应变场足以抑制刚性膜中的所有非谐效应，如石墨烯。
2011-05-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Role of pre-ordered liquid in the selection mechanism of crystal polymorphs during nucleation
采用过渡路径取样法研究了钼凝固过程中均匀形核的原子机制。该机制的特点是形成一个预结构区域的高键取向秩序的过冷液体，然后由结晶体相的成核的中心内的生长固体集群。这种前体在该过程中起着至关重要的作用，因为它提供了液体和结晶核之间的扩散界面，这降低了界面自由能并促进了体相的成核。此外，预定区域的结构特征不同于液相和固相，并且预选成核的特定多晶型物。Mo的成核机制与表现出不同结晶体相的金属的成核机制的相似性表明，前体的形成是在这些材料中观察到的一般特征。前体的结构特征对最终结晶体相的强烈影响表明，对于所研究的系统，多晶型物选择发生在成核的非常早期的阶段。
2020-06-09 cond-mat.mtrl-sci
Anomalous elastic buckling of hexagonal layered crystalline materials in the absence of structure slenderness
异质层状晶体材料，如石墨烯、氮化硼、硫酸钨等，由于其独特的原子结构和优异的热、机械和物理性能的组合，引起了人们的极大关注。利用机械屈曲是一种很有前途的途径来控制其结构形态，从而调整其物理性能，从而产生许多新的应用。在本文中，我们采用有限元分析（FEA），分子动力学（MD）模拟和连续介质建模研究的机械屈曲的层状晶体材料与晶体层平行的纵向轴线制成的列。结果表明，随着长细比的减小，材料的力学失稳模式由弯曲失稳模式逐渐过渡到剪切失稳模式。当长细比趋于零时，临界屈曲应变εcr收敛到一个远小于材料机械强度的有限值，表明在适当的实验条件下是可以实现的。这种机械屈曲模式是反常的和反直觉的。对于一组典型的六方层状晶体材料，连续介质力学模型预测的临界屈曲应变εcr与有限元和分子动力学模拟的结果吻合得很好。对石墨的MD模拟表明，连续介质力学模型适用于20 nm的尺度。该理论模型还揭示了高度的弹性各向异性是在没有结构细长的情况下由层状晶体材料制成的柱的异常机械屈曲的起源。这项研究提供了工程层状晶体材料在各种纳米材料和纳米器件通过机械屈曲的途径。
2014-06-19 cond-mat.mtrl-sci
Fully Atomistic Molecular Dynamics Simulations of Elastic Properties of Tetragraphene Monolayer
最近提出了一种称为tetrahexcarbon的准2D半导体碳同素异形体，也称为tetragraphene，具有结合正方形和六边形环的不寻常结构。基于第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，预测了四石墨烯的力学和电子性质。然而，对其在不同温度下的力学行为的全面研究仍然缺乏。在这项工作中，使用完全原子反应分子动力学（MD）模拟，我们调查的单层四石墨烯拉伸应变下的力学性能从线性政权到完整的结构故障（断裂）。考虑了不同的温度，并将结果与其他两种已知的平面碳同素异形体：石墨烯和五石墨烯进行了比较。一个有趣的结果是，通过温度或张力的施加，四石墨烯经历了从结晶到无定形结构的转变。在室温下，四元石墨烯的两个正交晶胞方向的临界应变分别为38%和30%，高于石墨烯和五元石墨烯的临界应变。在室温下，四石墨烯沿其方向的杨氏模量值比石墨烯的杨氏模量值小三至六倍，并且是五石墨烯的杨氏模量值的约57%。沿两个方向的四石墨烯的极限拉伸强度值，也被证明是小于石墨烯和五石墨烯。
2022-07-20 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Multiscale analysis of crystal defect formation in rapid solidification of pure aluminium and aluminium-copper alloys
快速凝固导致独特的微观结构特征，其中较少研究的主题是各种晶体缺陷的形成，包括高位错密度以及晶体取向的梯度和分裂。由于这些缺陷严重影响材料的机械性能和性能特征，因此了解缺陷形成机制以及它们如何取决于凝固条件和合金化非常重要。为了阐明快速凝固诱导晶体缺陷的形成机制，我们进行了多尺度模拟分析，包括键级势的分子动力学（MD），相位场晶体振幅扩展（PFC-AE）模拟，和顺序耦合相位场-晶体塑性（PF-CP）模拟。对由此产生的位错密度进行量化并与过去的实验进行比较。原子的方法（MD，PFC）可以用来校准连续水平的晶体塑性模型，和框架增加了从多尺度分析产生的机制的见解。
2021-09-22 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic understanding of two-dimensional monatomic phase-change material for non-volatile optical applications
本研究通过原子级分析揭示了二维单原子相变材料Sb薄膜厚度依赖的光学响应，发现2纳米厚度限制并实现了硅基波导中的可逆光学开关。
2025-12-11 cond-mat.mtrl-sci
On the role played by electrons in the stress-strain curves of ideal crystalline solids
本文利用密度泛函理论与热力学分析，研究Cu、Al和金刚石在单轴应变下电子电荷响应对力学性能的影响，发现Cu和Al的应力-应变曲线偏离线弹性，并可用由Van-Hove奇点和电子重新分布引起的一级与二级相变解释。
2025-08-27 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic simulations of thermodynamic properties of liquid gallium from first principles
针对液体模拟中力场不精确和忽略核量子效应的挑战，采用深度势结合量子热浴的第一性原理方法，成功描述了液态镓的相变过程并准确获得了其热力学性质，为无序系统研究开辟了新范式。
2023-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Antiskyrmions and their electrical footprint in crystalline mesoscale structures of Mn$_{1.4}$PtSn
Skyrmionic材料具有未来信息技术的潜力，例如赛道存储器。这一进步的关键是系统具有高度的可调性和可扩展性，存储的信息易于通过全电子技术读取和写入。拓扑磁激发，如skyrmions和antiskyrmions，引起一个特征的拓扑霍尔效应。然而，迄今为止，在薄膜和体样品中的反回旋离子的电检测一直具有挑战性。在这里，我们应用磁光显微镜结合电输运，探讨antikyrmion相，因为它出现在结晶介观结构的赫斯勒磁铁锰$_{1.4}$ PtSn。我们揭示了霍尔签名的反kyrmions符合我们的理论模型，包括异常和拓扑组件。我们研究其依赖于垂直设备的厚度，场的方向，和温度。我们的原子模拟和实验各向异性的研究表明，反kyrmions和一个复杂的磁性，包括竞争的铁磁，反铁磁和手性交换相互作用，而不是捕获的微磁模拟之间的联系。
2023-03-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
A Comprehensive Assessment and Benchmark Study of Large Atomistic Foundation Models for Phonons
University of South Carolina（南卡罗来纳大学）；Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）
本文评估了六种大原子基础模型在声子特性预测中的表现，发现EquiformerV2在预测原子力和三阶IFCs方面表现最佳，而微调版本在预测二阶IFCs、LTC等声子性质上优于其他模型。
2025-09-03 cond-mat.mtrl-sci
Mechanical Properties of a Diamond Schwarzite: From Atomistic Models to 3D-Printed Structures
三周期极小曲面（TPMS）在周期边界条件约束下具有局部极小的曲面面积。不同的家庭的表面得到不同的拓扑满足这样的条件。此类族的示例包括基元（P）、陀螺（G）和金刚石（D）表面。从一个纯数学的主题，TPMS最近已被发现在材料科学作为结构应用的最佳几何形状。黑硅钙石是由Mackay和Terrones于1991年提出的一种具有TPMS形状的三维结晶多孔碳纳米晶体。尽管其复杂的拓扑结构对使用化学气相沉积（CVD）等传统纳米级制造方法进行合成构成了严重限制，但TPMS可以通过3D打印等增材制造（AM）技术制造。在这项工作中，我们使用了来自D族（D8bal）的施瓦济石结构的优化原子模型来生成表面网格，随后通过熔融沉积建模（FDM）用于3D打印。这种D施瓦茨矿是用热塑性聚乳酸（PLA）聚合物长丝3D打印的。研究了原子模型和3D打印模型在单轴压缩下的力学性能。全原子分子动力学（MD）模拟也进行了研究单轴压缩行为的D8bal原子模型。对3D打印的施瓦茨矿进行了机械测试，发现变形机制与MD模拟中观察到的相似。这些结果暗示了由结构拓扑支配的尺度无关的力学行为。
2020-01-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Atomistic and mean-field estimates of effective stiffness tensor of nanocrystalline copper
Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences（波兰科学院基础技术研究所）
通过分子模拟研究纳米铜的弹性张量，分析晶粒取向和分布对整体刚度张量各向异性的影响，并提出基于单晶数据的平均场模型，预测与原子模拟结果一致。
2018-04-16 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Closing the gap between atomic-scale lattice deformations and continuum elasticity
晶格变形可以在微观上通过明确说明原子的位置来描述，或者在宏观上通过连续弹性来描述。在这项工作中，我们报告的连续弹性场的描述来自晶体结构的原子表示，也包括典型的微观尺度的功能。应变分量的解析表达式从表示周期性晶格位置的傅立叶模式的复振幅获得，其通常可以由原子建模或实验提供。这些振幅的大小和相位，连同应变的连续描述，能够表征晶体旋转、晶格变形和位错。此外，结合所谓的相位场晶体模型的振幅扩展，他们提供了一个合适的工具，微观到宏观尺度的桥梁。这项研究使深入分析弹性效应的宏观和中尺度系统，同时考虑到微观细节。
2019-04-24 cond-mat.mtrl-sci
Unbiased Atomistic Predictions of Crystal Dislocation Dynamics using Bayesian Force Fields
本研究基于ab initio数据构建贝叶斯机器学习力场，实现单晶Cu高温高应力位错动力学的原子尺度模拟，首次可靠定量预测位错迁移率和交滑移能垒。
2024-01-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
E-coherent crystalline interfaces: coherency enhanced by discohesion arrays
研究通过非仿射变换实现的e-相干界面，揭示其独特的拓扑性质及在晶界、孪晶界和相界中的广泛存在。
2025-11-24 cond-mat.mtrl-sci
Learning Ordering in Crystalline Materials with Symmetry-Aware Graph Neural Networks
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
针对多组分晶体材料中化学序影响性质的问题，通过定制数据集基准测试发现，对称等变图神经网络架构能有效区分原子序，而传统对称不变模型则无法做到。
2024-09-20 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.chem-ph
Coupled structural and magnetic properties of ferric fluoride nanostructures: part II, a Monte-Carlo Heisenberg study
我们提出了一个纳米结构的氟化铁的磁结构的数值研究，使用Monte-Carlo-Metropolis模拟退火技术和经典的海森堡哈密顿与超交换角的依赖。参数根据实验结果进行调整，原子结构和拓扑结构取自同一系统中晶界的先前原子模型。我们发现了完美的反铁磁晶粒和晶界处的无序磁结构（类似于自磁），这与实验结果一致。最低的磁能和磁挫折率被发现是依赖于晶粒的相对取向差，即阳离子拓扑结构。通过模拟磁滞回线，我们发现磁化旋转在空间上是不均匀的。我们得出结论的模型可能的扩展。
2010-01-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Chemical bonding in chalcogenides: the concept of multi-centre hyperbonding
由于成键和非成键电子离域的复杂性，非晶和结晶硫属化物中化学键相互作用的确切性质仍然不清楚。虽然元素周期表中的一列元素的电子离域程度的增加被广泛认可，但其对化学键合相互作用的影响以及对硫属化物的后续材料性质的影响以前从未从原子观点全面理解。在这里，我们提供了一个化学键合框架，通过研究原型碲化物非易失性存储器，相变材料（PCM），和相关的硫属化合物，通过密度泛函理论，分子动力学（DFT-MD）模拟的行为硫属化合物（和，在原则上，其他孤对材料）。识别先前未考虑的多中心“超键”的存在（孤对反键轨道）相互作用不仅阐明了各种材料性质的起源，以及它们在非晶相和晶相之间的大小对比，而且还阐明了晶相PCM和其中一个成键亚群之间非常相似的化学键合性质（具有相同的键长）中发现的无定形相变材料，在显着的对比现有的观点。从这种新的键合相互作用的角度建立的结构-性能关系将有助于设计改进的硫属化物材料的不同应用，基于基本的化学键合的观点。
2020-04-20 cond-mat.mtrl-sci
DeepCrysTet: A Deep Learning Approach Using Tetrahedral Mesh for Predicting Properties of Crystalline Materials
SAKURA internet Inc.（樱花互联网公司）；National Institute for Materials Science (NIMS)（国立材料科学研究所）；The University of Tokyo（东京大学）；RIKEN（理化学研究所）；Kyoto University（京都大学）
针对图表示丢失晶体三维信息的问题，提出基于Delaunay四面体网格的深度学习框架DeepCrysTet，在分类和弹性属性预测上超越现有GNN模型。
2023-09-07 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Amorphous materials as a frontier challenge for universal interatomic potentials
Inorganic Chemistry Laboratory, Department of Chemistry, University of Oxford（牛津大学化学系无机化学实验室）
研究非晶态材料对通用原子间势的挑战，引入基于精选数据集的基准框架，评估主流模型可转移性，识别局限并探究微调策略，为非晶功能材料领域应用及相关模型设计提供指导。
2026-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Neighbors Map: an Efficient Atomic Descriptor for Structural Analysis
本文提出一种将原子环境编码为二维图像的邻居图描述符，结合卷积神经网络实现低计算成本的高精度结构分析，并展示了其在畸变晶体分类、相变追踪和液-非晶转变分析中的应用。
2023-09-22 cond-mat.mtrl-sci
