一种新的自适应重建方法，通过Wigner–Seitz方法识别缺陷

《Computer Physics Communications》：A new self-adaptive reconstruction method to identify defects through Wigner–Seitz approach

自适应性重建方法通过动态调整参考晶格，解决了传统Wigner-Seitz缺陷分析在缺陷移动或与位错/晶界相互作用时误识别的问题，可准确识别位移级联生成的简单及复杂缺陷簇，为原子级模拟研究材料辐照损伤提供新工具。

　　

李文华|瓦休·塞蒂亚万|王雪琳|高宁

山东大学前沿科学与交叉学科研究所，粒子物理与粒子辐照重点实验室（教育部），中国青岛266237

摘要

本文提出了一种基于局部原子结构的新自适应重建方法，该方法适用于任意给定的分子动力学（MD）步骤。该方法可用于Wigner–Seitz缺陷分析方法，以准确高效地探究位移级联后形成的点缺陷和复杂缺陷簇（例如位错环和空洞）的信息，其中级联与晶界和/或位错相互作用。文中详细介绍了算法及其验证过程。结果表明，该方法能够很好地识别级联过程中及之后与位错网络相互作用的辐射缺陷，包括所有简单和复杂的缺陷及缺陷簇。因此，这种新方法为通过原子模拟探索复杂MD演化过程中辐射缺陷的密度和大小提供了全新的途径，有助于准确理解和预测材料中的辐射损伤。

引言

研究表明，高能粒子注入材料中会引发点缺陷（如间隙原子和空洞）的形成和演化，这些缺陷会严重影响材料的结构和性能[[1], [2], [3], [4]]。除了点缺陷外，间隙原子或空洞的聚集还会形成复杂的缺陷簇（如位错环或空洞），从而导致材料的辐照硬化、膨胀、蠕变等现象[5]。因此，在材料辐照损伤的实验和模拟研究中，关注点缺陷的总数、缺陷的大小、结构及其分布是必要的。特别是从原子模拟的角度来看，研究与位错相关的缺陷簇的演化过程非常有用，包括位错环之间的相互作用、缺陷簇与位错线之间的相互作用，以及位移级联与位错环或空洞之间的相互作用，从而深入理解影响材料机械性能的机制。为此，人们开发并采用了多种方法，如Wigner-Seitz（WS）分析[[6], [7], [8], [9]]、Lindemann球模型[10]等。在这些方法中，通常需要两种晶格配置作为输入：一个包含缺陷的损伤晶格和一个参考晶格，用于后续的Voronoi单元构建和缺陷识别分析[[11], [12]]。通常选择完美晶格作为参考晶格。然而，王等人的最新研究[13]指出，由于长时间演化后移动缺陷引起的模拟系统随机漂移，WS分析可能无法准确定位和识别自间隙原子和空洞。此外，WS方法在处理缺陷与复杂的一维位错线或二维晶界/界面相互作用的情况时也可能表现不佳，最近的研究也证实了这一点[[14], [15], [16], [17], [18], [19]]。例如，在分子动力学（MD）模拟中，位错级联与现有位错线或网络的相互作用过程中，WS方法可能会将许多完美晶格区域误识别为缺陷区域[[14], [15], [16], [17]]。因此，在其他类型缺陷（尤其是移动缺陷如位错）存在或相互作用的情况下，找到一种能够正确识别某种缺陷（如级联缺陷）的新方法变得至关重要，以便准确分析材料中的缺陷信息及相关损伤。

遗憾的是，现有文献中尚无针对上述问题的具体解决方案。研究人员通常通过人为地在位错线或网络周围构建一个圆柱形区域来分析这些缺陷，该区域的半径通常约为一个Burgers矢量的长度[[14], [15], [16], [17]]。显然，当位错线或网络在系统中局部或全局扩散时，这种解决方案将不再适用。为了解决这些问题，本文提出了一种简单而高效的方法，在每个MD步骤或任意给定的MD步骤中自动重建位错线或网络周围的参考配置，从而在考虑位错线或网络的扩散以及位错与其他缺陷的相互作用后，能够正确识别这些缺陷。为了验证新方法，我们为体心立方（BCC）材料开发并测试了一个晶格重建程序。结果表明，该方法在上述复杂情况下能够很好地识别点缺陷。第2节将介绍相关模型和算法，第3节将展示测试结果，最后一部分将给出结论。

仿真模型与新算法

首先构建了两个相同的计算盒子，每个盒子包含4199,040个原子，其x、y和z轴分别沿着[111]、[1–10]和[11–2]晶向。这两个盒子的尺寸为35.6079×36.3422×37.7679 nm3。如图1(a)所示，在其中一个计算盒子中手动插入了两条Burgers矢量为1/2[111]的边缘位错线，这可用于后续的位错级联模拟，类似于之前的研究[14]。

位错级联相互作用情况下新方法的验证

如方法部分所述，本工作中进行了位错级联相互作用的研究。相互作用过程如下：一个动能为20 keV的初级撞击原子（PKA）会引发热脉冲，导致位错通过双拐点或攀移机制扩散。热脉冲之后，扩散、点缺陷的湮灭和聚集会在扩散的位错周围发生，这些是导致材料性能变化的主要过程。

结论

本文开发了一种自适应重建方法，用于解决传统Wigner-Seitz（WS）方法在材料中缺陷扩散或相互作用后无法正确识别辐射缺陷的问题。新方法能够在任意MD步骤重建参考晶格，消除了连续位移级联引起的完美晶格的不均匀运动和旋转。新方法已通过简单案例得到了验证。

数据获取

代码和示例可通过公共GitHub仓库[33]免费获取：https://github.com/li-wen-hua/LatticeReconstruct/tree/main。其他数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

李文华：撰写 – 原始草稿、可视化、方法论、数据分析、数据整理。瓦休·塞蒂亚万：撰写 – 审稿与编辑。王雪琳：撰写 – 审稿与编辑。高宁：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目管理、资金筹集、数据分析、概念构思。