Authors:	Carre, Antoine
Title:	Development of empirical potentials for amorphous silica
Online publication date:	19-Dec-2007
Year of first publication:	2007
Language:	english
Abstract:	Development of empirical potentials for amorphous silica Amorphous silica (SiO2) is of great importance in geoscience and mineralogy as well as a raw material in glass industry. Its structure is characterized as a disordered continuous network of SiO4 tetrahedra. Many efforts have been undertaken to understand the microscopic properties of silica by classical molecular dynamics (MD) simulations. nIn this method the interatomic interactions are modeled by an effective potential that does not take explicitely into account the electronic degrees of freedom. In this work, we propose a new methodology to parameterize such a potential for silica using ab initio simulations, namely Car-Parrinello (CP) method [Phys. Rev. Lett. 55, 2471 (1985)]. The new potential proposed is compared to the BKS potential [Phys. Rev. Lett. 64, 1955 (1990)] that is considered as the benchmark potential for silica. First, CP simulations have been performed on a liquid silica sample at 3600 K. The structural features so obtained have been compared to the ones predicted by the classical BKS potential. Regarding the bond lengths the BKS tends to underestimate the Si-O bond whereas the Si-Si bond is overestimated. The inter-tetrahedral angular distribution functions are also not well described by the BKS potential. The corresponding mean value of theSiOSi angle is found to be ≃ 147◦, while the CP yields to aSiOSi angle centered around 135◦. Our aim is to fit a classical Born-Mayer/Coulomb pair potential using ab initio calculations. To this end, we use the force-matching method proposed by Ercolessi and Adams [Europhys. Lett. 26, 583 (1994)]. The CP configurations and their corresponding interatomic forces have been considered for a least square fitting procedure. The classical MD simulations with the resulting potential have lead to a structure that is very different from the CP one. Therefore, a different fitting criterion based on the CP partial pair correlation functions was applied. Using this approach the resulting potential shows a better agreement with the CP data than the BKS ones: pair correlation functions, angular distribution functions, structure factors, density of states and pressure/density were improved. At low temperature, the diffusion coefficients appear to be three times higher than those predicted by the BKS model, however showing a similar temperature dependence. Calculations have also been carried out on crystalline samples in order to check the transferability of the potential. The equilibrium geometry as well as the elastic constants of α-quartz at 0 K are well described by our new potential although the crystalline phases have not been considered for the parameterization. We have developed a new potential for silica which represents an improvement over the pair potentials class proposed so far. Furthermore, the fitting methodology that has been developed in this work can be applied to other network forming systems such as germania as well as mixtures of SiO2 with other oxides (e.g. Al2O3, K2O, Na2O). Die Bestimmung empirischer Potentiale f¨ur amorphes Siliziumdioxid Ein grundlegendes Verst¨andnis von amorphem Siliziumdioxid (SiO2) ist von großer Bedeutung f¨ur die Geowissenschaften und die Mineralogie, als auch f¨ur Anwendungen in der Glasindustrie. Von grundlegendem Interesse ist SiO2 auch, da es das Paradebeispiel eines Glasbildners mit einer tetraedrischen Netzwerkstruktur ist. Viele Anstrengungen sind in der Vergangenheit unternommen worden, um die mikroskopischen Eigenschaften von SiO2 mit Hilfe von klassischen Molekulardynamik(MD)-Simulationen zu verstehen. In MD-Simulationen werden die interatomarenWechselwirkungen mit effektiven Potentialen modelliert, ohne dabei explizit die elektronischen Freiheitsgrade zu ber¨ucksichtigen. In dieser Arbeit wird mittels einer Ab-Initio-Simulationsmethode, der sog. Car-Parrinello-Molekulardynamik (CPMD) [Phys. Rev. Lett. 55, 2471 (1985)], ein effektives Potentialmodell f¨ur SiO2 parametrisiert. Das resultierende neue Potential wird mit dem sog. BKS-Potential [Phys. Rev. Lett. 64, 1955 (1990)] verglichen, das in den letzten 10 Jahren in vielen Simulationsstudien zu SiO2 verwendet wurde. Als erster Schritt werden CPMD-Simulationen von fl¨ussigem SiO2 bei 3600K durchgef¨uhrt, um strukturelle Eigenschaften aus der CPMD mit denen resultierend aus dem BKS-Modell zu vergleichen. Das BKS-Modell f¨uhrt zu einer etwas kleineren Si-O-Bindungsl¨ange und zu einer etwas gr¨oßeren Si-Si-Bindungsl¨ange. Außerdem werden die Winkelverteilungsfunktionen nicht gut durch das BKS-Modell beschrieben. So finden wir f¨ur das BKS-Modell einen mittleren SiOSi-Winkel von 147◦, w¨ahrend die CPMD-Simulation einen SiOSi-Winkel von 135◦ liefert. Unser Ziel ist es, ein klassisches Born-Mayer/Coulomb-Paarpotential mit den CPMD-Rechnungen zu parametrisieren. Zu diesem Zweck verwenden wir die Kraftanpassungsmethode von Ercolessi und Adams [Europhys. Lett. 26, 583 (1994)]. Die CPMD-Konfigurationen und die zugeh¨origen interatomaren Kr¨afte werden f¨ur die Fitprozedur verwendet. MD-Simulationen mit dem resultierenden Potentialmodell f¨uhren zu einer Struktur, die sich st¨arker als im Fall des BKS-Modells von der aus der CPMDSimulation gewonnenen Struktur unterscheidet. Deshalb wird ein anderes Fitkriterium auf Grundlage der Paarkorrelationsfunktionen aus der CPMD verwendet. Mit diesem Ansatz erhalten wir eine bessere ¨ Ubereinstimmung mit den CPMD-Resultaten als mit dem BKS-Modell. Dies gilt in Bezug auf Paarkorrelationsfunktionen, Winkelverteilungen, Strukturfaktoren, Dichte und Druck, sowie die phononische Zustandsdichte. Bei tiefen Temperaturen sind die Selbstdiffusionskonstanten etwa ein Faktor 3 gr¨oßer als die mit dem BKS-Modell berechneten, allerdings zeigen sie eine ¨ahnliche Temperaturabh¨angigkeit. Um die Transferabilit¨at des neuen Potentials zu testen, werden auch Rechnungen an kristallinen Systemen durchgef¨uhrt. Die Gleichgewichtsgeometrie als auch die elastischen Konstanten von α-Quarz bei 0K werden mit dem neuen Potential sehr gut beschrieben, obwohl bei seiner Parametrisierung keinerlei Informationen ¨uber kristalline Phasen eingegangen sind. Wir haben ein neues Paarpotentialpotential f¨ur SiO2 parametrisiert, das eine Verbesserung gegen¨uber bisherigen Paarpotentialmodellen darstellt. Die Fitmethodologie, die in dieser Arbeit entwickelt wurde, kann auch auf andere netzwerkbildende Systeme angewandt werden, so z.B. Mischungen von SiO2 mit anderen Oxiden (Al2O3, K2O, Na2O, etc.).
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1712
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-14996
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen