离子固体中远距离静电相互作用的原子-连续多尺度建模

这是一篇即将发表在《固体力学与物理杂志》上的文章的预印本。(doi:10.1016 / j.jmps.2013.09.025）.

离子固体中远距离静电相互作用的原子-连续多尺度建模

作者:Jason Marshall和Kaushik Dayal，卡内基梅隆大学

摘要

我们提出了一种多尺度原子-连续介质方法来研究有缺陷的离子晶体。缺陷

通常在离子和电子固体中起中心作用，不仅限制了可靠性，而且更重要的是

然后使这些材料的功能变得至关重要。例子包括

通过带电点缺陷和复合氧化物的运动传导电流的固体电解质

通过畴壁缺陷运动显示多功能的铁电体。因此,

了解缺陷的结构及其对电气和机械的响应是很重要的

字段。然而，一个主要的障碍是离子固体中的相互作用包括短程原子

相互作用以及远距离静电相互作用。现有原子到连续体多

尺度方法，如准连续体方法，仅适用于原子相互作用

短程。此外，量子力学的经验还原密度泛函模型

无法捕捉到这些材料中感兴趣的关键现象。

为了解决这一开放性问题，我们开发了一种多尺度原子方法来粗粒度长链

范围电相互作用的离子晶体与缺陷。在这些情况下，电荷密度为

快速变化的快速变化的，但几乎是周期性的关键思想是利用极化密度场

作为一种多尺度介质，利用近周期特性实现有效的粗粒度化

变异的。在远离缺陷的区域，晶体接近完美，极化

字段充当代理，使我们能够避免考虑电荷变化的细节。我们

将这种方法与标准的准连续体方法相结合

短程相互作用实现了高效的多尺度原子-连续体方法。另一方面

注意，我们研究了一个对我们的方法至关重要的问题:即

计算偏振场的选择。这可能对我们的粗粒度是致命的

方案;然而，我们表明，始终如一地考虑边界电荷离开连续体

静电场与单元胞的选择无关。