Comparison of model potentials for molecular dynamics simulation of crystalline silica

Simulationen von SiO2 mit dem von van Beest, Kramer und vanSanten (BKS) entwickelten Paarpotenzial erzeugen vielezufriedenstellende Ergebnisse, aber auch charakteristischeSchwachstellen. In dieser Arbeit wird das BKS-Potenzial mitzwei kürzlich vorgeschlagenen Potenzialen verglichen, dieeffektiv Mehrteilchen-Wechselwirkungen beinhalten. Der ersteAnsatz erlaubt dazu fluktuierende Ladungen, der zweiteinduzierbare Polarisierungen auf den Sauerstoffatomen. Die untersuchten Schwachstellen des BKS Potenzialsbeinhalten das Verhältnis der zwei Gitterkonstanten a und cim Quarzübergang, das von BKS falsch beschrieben wird.Cristobalit und Tridymit erscheinen instabil mit BKS.Weiterhin zeigt die BKS-Zustandsdichte charakteristischeAbweichungen von der wahren Zustandsdichte. DerÜbergangsdruck für den Stishovit I-II Übergang wird deutlichüberschätzt. Das Fluktuierende-Ladungs-Modell verbesserteinige der genannten Punkte, reproduziert aber viele andereEigenschaften schlechter als BKS. DasFluktierende-Dipol-Modell dagegen behebt alle genanntenArtefakte. Zusätzlich wird der druckinduzierte Phasenübergang imalpha-Quarz untersucht. Alle Potentiale finden die selbeStruktur für Quarz II. Bei anschliessender Dekompressionerzeugt BKS eine weitere Phase, während die beiden anderenPotentiale wieder zum alpha-Quarz zurückkehren. Weiterhinwerden zwei Methoden entwickelt, um die piezoelektrischenKonstanten bei konstantem Druck zu bestimmen. Die Ergebnissegeben Hinweise auf eine möglicherweisenicht-elektrostatische Natur der Polarisierungen imFluktuierende-Dipole-Modell. Mit dieser Interpretation scheint das Fluktuierende-DipolPotential alle verfügbaren experimentellen Daten am bestenvon allen drei untersuchten Ansätzen zu reproduzieren.

---------------------------------------------------- Simulating SiO2 with the two-body potential developed by vanBeest, Kramer, and van Santen (BKS) produces manysatisfactory results but also characteristic flaws. In thiswork the BKS potential is being compared with two recentlysuggested potential energy surfaces that effectivelyincorporate many-body interactions. The first approachallows for charge fluctuations, the second introducesinducible polarisations on the oxygen atoms. The failures of the BKS potential being investigated includethe ratio of the lattice constants a and c in the quartztransition, which is qualitatively flawed in BKS.Cristobalite and Tridymite appear unstable with BKS.Additionally, the BKS density of states (DOS) showscharacteristic discrepancies from the true DOS. Thetransition pressure for the stishovite I-II tranisition isvastly overestimated. The fluctuating-charge model improvessome of these aspects, but many properties are reproducedmuch less satisfactorily than with BKS. Thefluctuating-dipole model in contrast remedies all mentionedartifacts. Additionally the pressure induced phase transition inalpha-quartz is investigated. All potentials show the samestructure for quartz II. On subsequent decompression, BKSproduces a new phase, while the two other potentials revertto alpha-quartz. Two different methods to calculate piezoelectriccoefficients in the constant stress ensemble are developed.The results seem to suggest a possible non-electrostaticnature of the polarizations in the fluctuating dipole model. With this interpretation, the fluctuating-dipole potentialalways appears to be closest to available experimental dataout of the three approaches.