由于原子模拟能较好的把原子间的相互作用势考虑的较为妥善，里面又不涉及到解薛定 谔方程，这使得原子模拟变得相对较为简单。他能很好地描述金属问题，得到的实验结果与 实验过程或现象较为符合。所以原子模拟理论得到了搞的的重视，使得其发展迅猛。在材料 设计中占有不可或缺的位置。由于无法利用实验直接测定原子间的相互作用，所以原子间势 的表示变得非常重要。如果选取的势函数不同，原子模型也就不同。如果模型过于简单，就 很难精确地描述实际的金属。如果过于复杂，又很难有效的推广利用。

原子级材料计算和设计的基础是原子间的相互作用势，从上世纪 20 年代开始，人么年提 出了各种各样的原子间的相互作用势，像 Lennard-Jones 势、Morse 势等。近几十年，又发展 出像 Tersoff、EAM 势等多体势，他们在材料表面、缺陷、团簇的结构计算模拟中起着举足轻 重的作用。

随着计算技术的发展和计算机性能的提高，越来越多的学者开始专注于研究材料的结构 和特性量子力学。因为计算条件的限制，对于 1000 个原子以上的原子组成的复杂体系，目前 仍然难以通过第一计算原理计算完成。因此，在材料的力学计算当中，各种各样的原子间的 等效势仍然起着相对重要的作用。对于材料从微观到宏观的一些过度尺度的对象研究中，原 子间的相互作用势仍然具有不可替代的作用。我们本次的实验主要就是探索金属钽（Ta）的 Tersoff 势函数。希望能较好的拟合出金属钽的势函数，从而对金属钽的一些性能研究做出贡 献。

1。2 金属钽及其应用

钽(Ta)是一种高熔点金属，是电子工业和空间技术发展不可缺少的战略原料，由于钽的 硬度适中、富有延展性、热膨胀系数很小，以及极高的抗腐蚀性等性质特点，使其在很多领 域得到广泛应用，比如可做电子管的电极、整流器、电解、电容。医疗上用来制成薄片或细

线，缝补破坏的组织等，同时钽也常做为结构材料中的合金元素。此外，钽还可以用来替代 不锈钢，寿命是不锈钢的几十倍以上，在某些领域，钽也可以用来取代某些贵金属材料，从 而大大的降低了成本。由于钽在电容、化工、高温合金以及原子能中的应用不断的扩大，对 金属钽的研发也成了重中之重。钽是一种典型的 BCC 金属，也经常用做同类金属研究中的模 型材料。为了更深入地研究钽的性质以及钽材料服役中的各种材料过程，从理论上用计算机 模拟手段研究金属钽的各类物理性质和力学性质与其结构的关系，是一个重要的研究领域， 而计算机模拟中，准确的势函数是不可缺少的。当前对于金属体系，多数势函数都是中心势 场模型，然而最近的一些研究表明，与角度相关的多体键序势函数也能够很好地描述一些金 属的性质。目前角度相关势函数模型已经在铁、钨等金属中获得了应用，本项目拟在金属钽 的中心势场模型的基础上，建立钽的角度相关的多体键序势函数模型。势函数模型的构造是 材料模拟和材料设计中的重要步骤。

钽从微电子学到核能有很多应用，它可以形成稳定的氧化物，并能跟铜金属化形成大规 模的扩散势垒，因为铜和钽有非常有限的相互溶解度。对铜-钽铸件的分析指出把融化的钽加 入铜中，在 1200°C 时钽在铜中的溶解度可以达到 0。025 wt%。随着纳米技术的出现，材料原 子尺度的模拟反应越来越重要。对于金属 Ta 构建一个可靠的经验证实的势函数，对于研究和 理解金属 Ta 的各种性质有着重要意义。

1。3   计算机模拟在材料科学中的应用[1]