Моделирование структуры матриц, включающих наноча- стицы: молекулярная динамика в Li₂B₄O₇

Abstract

Представлена новая модель описания межатомных и угловых взаимодействий в твердофазных кристаллических боратах с учетом периодичности структуры. Модель применена для модели- рования свойств Li₂B₄O₇ в диапазоне температур от 0 K до точки плавления и давлений от 0 до 10000 MPa. Моделирование весьма хорошо воспроизводит размеры ячейки, атомные позиции и расстояния в боро-кислородных полиэдрах, а также полярный характер кристаллической струк- туры. Предсказан сегнето-параэлектрический переход второго рода типа порядок-беспорядок при температуре Кюри (T_C≈839K), обусловленный прыжками атомов лития между двумя пози- циями в решетке. С увеличением или уменьшением давления полная энергия и свойства кристал- ла при 300 K показывают наличие ступени при p_t≈5000MPa, предполагающей существование обратимого фазового перехода второго рода. При давлениях ниже p_t объем ячейки следует закону Мурнагана (Murnaghan) с объемным модулем B_O=15.6GPa и его первой производной B_O^' = 4.31 (при атмосферном давлении). В отличие от фазы низкого давления, в которой сосуществуют трех- и четырехкоординированные атомы бора, в фазе высокого давления весь бор четырехкрат- но координирован. Настоящий подход непосредственно применим для моделирования структуры наноразмерных систем.

A new model describing interatomic and angular interactions, taking into account periodic properties in borate-type solid phases, is presented and applied to Li₂B₄O₇ through simulations at temperatures ranging from 0 K to the melting point and in the pressure range 0 to 10000 MPa. Simulation reproduces quite well cell lengths, atomic positions and distances in boron-oxygen polyhedrons and the polar nature of the crystal structure. An order-disorder type ferro-paraelectric transition of the second kind is found to occur at a Curie point T_C≈839K, corresponding to jumping of Li atoms between two lattice sites. By increasing or decreasing the pressure, the total energy and the crystal properties for simulations performed at 300 K show a shoulder at p_t≈5000MPa, implying the existence of a reversible second-order phase transition. The cell volume below p_t follows a Murnaghan law with the bulk modulus B_O=15.6GPa and its first derivative B_O^' = 4.31 (at ambient pressure). In contrast to the low-pressure phase where threefold and fourfold boron atoms coexist, in the high-pressure phase all borons are fourfold-coordinated. The present approach can be directly applied to modelling the structure of nanosized systems.