硅和氧及其化合物的电子激发原子间相互作用势及超快激光损伤机理的研究

Studying the interaction process between ultrashort pulse laser and materials in theory is of great significance to explore damage mechanism and predict damage threshold of target materials. As a numerical simulation method, molecular dynamics simulations is one of the most important means to study the interaction between laser and materials. However, the MD method has an high-demanding for interatomic potentials. The key problem of molecular dynamics simulation for target materials irradiated by ultrashort pulse laser is to construct interatomic interaction potential under the conditions of electronic excitation. For laser physics research needs, in this project, we would consider the influence of electronic excitation effect on interatomic potentials, and improve the reaction force field (Reaxff) potential to obtain suitable correction Reaxff potential function to investigate silicon, oxygen and their compounds under intense laser irradiation. Using the density functional theory, we would study the physical properties, the transition between a variety of possible structures and structural characteristics of silicon, oxygen and their compounds under the conditions of electron excitation to obtain the reference database. On this basis, we would fit the interatomic interaction potential parameters under electronic excitation effect to get the final form of the interaction potential of the silicon, oxygen and their compounds atoms, and use this final form to preform numerical simulation for silicon, oxygen and their compounds on atomic level.

在理论上研究超短脉冲激光与物质相互作用过程对于探究损伤机理、预测材料损伤阈值具有重要意义。分子动力学模拟作为一种数值模拟方法，是研究激光与物质相互作用动态变化过程的重要手段之一，然而，经验MD方法对原子间相互作用势要求很高。构造电子激发条件下原子间相互作用势是进行超短脉冲激光对靶材损伤过程分子动力学模拟要解决的关键问题。本项目针对激光物理的研究需求，在反应力场Reaxff势框架下对其进行改进，考虑电子激发效应对原子间相互作用势影响，得到适于进行电子激发条件下硅和氧及其化合物材料特性分子动力学模拟的修正Reaxff势函数。利用密度泛函理论系统研究硅和氧及其化合物在电子激发下的物性、各种可能的结构以及结构之间的转变特征，形成参考数据库。以此为依据，拟合含电子激发效应的原子间相互作用势的势参数，得到电子激发条件下硅和氧及其化合物原子间相互作用势的最终形式，用于硅和氧及其化合物物性原子级数值模拟。

在理论上研究超短脉冲激光与物质相互作用过程对于探究损伤机理、预测材料损伤阈值具有重要意义，而电子激发在超短脉冲激光对靶材损伤过程起重要作用，是分子动力学模拟超快激光损伤过程要解决的一个关键问题。.基于第一性原理的大量有限温度DFT计算结果，在Tersoff 势函数框架下构造了电子激发效应下晶体Si的势函数。利用构造的势函数研究了电子激发条件下晶体Si的晶格常数和体积模量等物理量。通过一系列动力学模拟研究了电子激发效应对晶体Si熔点和稳定性的影响，捕捉到了电子激发条件下晶体Si熔点升高、稳定降低等特性变化，并探究了其变化原因。.基于含时密度泛函理论方法研究飞秒脉冲激光作用在团簇Si40以及SiO2团簇上的损伤动力学过程。随时间的演化，激光削弱了共价键强度、减弱了原子之间的库仑吸引作用，键长逐渐被拉长至某一临界值时发生断裂，最终导致整个结构坍塌。激光的极化方向和强度对二维材料和团簇的损伤过程有明显的影响。.采用修改后的双温分子动力学模型2T-MD研究了电子激发效应下诱导的电子压强及其梯度对金属Cu和Ni的超快动力学影响，在电子压强梯度下，铜和镍纳米薄膜的结构存在快速的不稳定性。.利用线性响应方法研究了不同电子温度下具有典型晶体结构的代表性金属靶材(FCC/BCC/HCP结构)以及半金属Bi、半导体Si、以及闪锌矿结构半导体GaAs和InSb的声子色散关系，得到了超短强脉冲激光下的电子激发效应对靶材稳定性的影响。对于具有密堆积结构的金属晶体（Al, Au, Mg），电子激发效应促使晶体的稳定性增强。对于具有体心立方结构的金属晶体（W，Na，Li），电子激发效应最终导致晶体的稳定性减弱。电子激发效应致使半金属晶体结构出现不稳定化，半导体甚至出现结构坍塌。.项目关于电子激发效应对不同材料性质的影响研究以及在超快激光损伤过程中所起重要作用等方面获得了新的认识，在Phys. Rev. B等重要国内外刊物上发表了系列有一定影响的论文，研究工作得到国内外同行的认同。