【技术实现步骤摘要】
一种用于研究电镀液微观结构性质的粗粒化分子动力学模拟与分析方法
[0001]本专利技术属于分子动力学模拟
，尤其涉及一种用于研究电镀液微观结构性质的粗粒化分子动力学模拟与分析方法。
技术介绍
[0002]电镀是当今工业时代最为基础与关键的一种技术，也是芯片制造与集成电路的基石。电镀液的组成与配比是影响电镀质量的关键因素之一。电镀液组成复杂，主要包含金属离子、酸根离子、溶剂分子、络合剂、表面活性剂等成分，长期以来缺乏有效的分子水平研究方法，不同组分作用的微观机理至今尚不明确，各种因素相互耦合，针对特定因素的影响的研究极为困难。分子动力学模拟侧重于在微观尺度上探究各种因素对体系性质的影响，既可以预测体系性能，也可以研究体系内分子间作用的微观机制，或针对极端条件开展研究，有助于研究人员理解相关机理，优化实验方案和路径。
[0003]在传统的全原子模拟中，电镀液中的每种成分以原子为基本单位建模，并包含复杂的原子间相互作用。所采用的力场通常为原子间相互作用函数的集合，包括了原子间非键相互作用、键接相互作用以及约束项。非键相互作用包括范德华相互作用和库伦静电相互作用等。键接相互作用包括了原子之间化学键的伸缩势能、键角的弯曲势能、二面角的扭矩势能等。例如，在全原子模型中，甲醛分子(CH2O)被构建为碳氧氢原子组成的分子。全原子模型建模与模拟过程的具体步骤如下：
[0004](1)描述分子中原子的属性与位置：例如对于甲醛分子，需要描述一个氧原子、两个氢原子与一个碳原子的原子类型以及质量、电荷等原子属性。>[0005](2)描述体系中拓扑信息：例如对于甲醛分子，需要表述一个碳氧键与两个碳氢键，同时需要描述三个键角。当拓扑结构变得复杂后，模拟的复杂度呈指数形式上升。
[0006](3)为分子中的原子按照化学环境的不同分配原子类型：步骤(1)中通常仅给出原子的元素，但是全原子力场通常会区分在不同的化学环境中的原子，因此需要将元素映射到原子类型。
[0007](4)为分子中拓扑结构分配不同的力场类型：按照新映射的原子类型，分配键、键角、二面角等拓扑信息的类型。
[0008](5)初步优化分子构象：将分子结构进行初步优化，剔除难以优化的错误结构。
[0009](6)根据实验数据，确定各组分浓度，将优化后的不同组分的分子模型组合为模拟输入文件。确定边界条件以及模拟参数后，使用分子动力学模拟软件进行模拟，并记录与统计模拟数据。
[0010]全原子模拟存在以下问题：
[0011]1、全原子分子动力学模拟方法构建分子及体系模型困难。全原子模拟中原子类型以及原子相互作用繁多。化学体系中存在的每一种分子，首先需要准确地确定其中的原子组成和拓扑结构；然后按照全原子力场所定义的化学结构或者化学环境建模；最后优化分
子结构，剔除难以优化的错误构型。因此，模型准备难度大，且无法通用。
[0012]2、全原子分子动力学模拟方法所能考察的时空尺度极为有限。全原子模拟引入了更多的粒子种类与更精细的相互作用，体系的松弛极为耗时，只能在极小时间、更小空间尺度下进行研究，无法实现介观尺度的模拟研究。由于模拟的时间尺度和空间尺度较小，全原子分子动力学模拟方法难以实现电镀液微观结构与动力学性质的系统性研究。
[0013]3、全原子分子动力学模拟方法力场的发展水平有限。由于函数形式不完备，许多物理量缺失，因此传统力场的可移植性与预测能力不佳，在某个体系上的拟合结果很难外推到其他体系中。一些非常规的分子难以建模，即使针对常规分子，不同力场参数条件下获得的研究结果亦存在显著差异，模拟结果与结论的准确性较低。全原子分子动力学模拟方法计算输出的电镀液体系模拟结果难以与常用的宏观性能有效对比。
技术实现思路
[0014]本专利技术的目的在于提供一种用于研究电镀液微观结构性质的粗粒化分子动力学模拟与分析方法，本专利技术中的方法合理简化了各组分的分子细节，使用经典物理势能描述组分间相互作用，具有准确、灵活、效率高等特点。
[0015]本专利技术提供一种用于研究电镀液微观结构性质的粗粒化分子动力学模拟与分析方法，包括以下步骤：
[0016]A)构建粗粒化模型，使用Material Studio软件或Avogadro软件计算电镀液各组分尺寸，并基于粗粒化力场，将电镀液中的离子或分子粗粒化；
[0017]B)确定模拟条件，模拟维度设置为三维，设置模拟盒子边长，通过语言编程将粗粒化的电镀液成分按照各自的浓度随机置于模拟盒子内，得到用于LAMMPS软件模拟的初始输入文件；将所述初始输入文件导入LAMMPS，设置模拟盒子的边界为周期性边界条件，对体系进行能量最小化，使各组分在模拟盒子中均匀分布，得到了电镀液粗粒化模拟的初始模型；
[0018]C)确定势函数，通过库伦势表示的静电相互作用，Lennard
‑
Jones势表示的近程相互作用，，FENE势或简谐势能表示的聚合物粒子键接相互作用，三部分所形成的力场计算电镀液各粒子之间的相互作用，各组分之间的势函数参数通过Lorentz
‑
Berthelot混合法则计算得到；
[0019]D)系统弛豫，以步骤B)中得到的电镀液粗粒化模拟的初始模型为初始结构，使用步骤C)中的力场和步骤B)中设置的模拟条件，利用LAMMPS软件进行分子动力学模拟，计算系统势能、原子受力和原子位置，并统计各个时刻的计算结果，直至体系达到平衡状态；
[0020]E)分子动力学模拟，以所述步骤D)中达到平衡状态的体系为初始结构，使用步骤C)中的力场和步骤B)中设置的模拟条件，利用LAMMPS软件进行分子动力学模拟，计算系统势能和原子受力和原子位置，得到分子轨迹的三维坐标；同时，按照设定间隔沿体系演化轨迹进行抽样，并进行系综统计；
[0021]F)数据处理和可视化处理，通过处理程序编程计算统计平衡状态电镀液的结构因子、各组分间的径向分布函数、中间散射函数、各组分均方位移与扩散系数，并利用Ovito软件直观呈现电镀液微观结构，
[0022]其中，径向分布函数按照式1计算：
[0023][0024]式1中，r为粒子对之间距离，Δr为代表函数分辨率的参数，N为体系中粒子总数，V为体系体积；
[0025]结构因子按照式2计算：
[0026][0027]式2中，N为粒子数，q为倒空间格式，r
j
与r
k
分别代表粒子j与粒子k的位置矢量，<
…
>表示系综平均；
[0028]中间散射函数按照式3计算：
[0029][0030]式3中，N和M分别代表表面活性剂链长与链数，q代表波矢，不同的波矢对应的散射函数衰减行为不同；
[0031]均方位移按照式4计算：
[0032]MSD(t)＝<r
i
(t)
‑
r
i
(0)>2ꢀꢀ
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于研究电镀液微观结构性质的粗粒化分子动力学模拟与分析方法，包括以下步骤：A)构建粗粒化模型，使用Material Studio软件或Avogadro软件计算电镀液各组分尺寸，并基于粗粒化力场，将电镀液中的离子或分子粗粒化；B)确定模拟条件，模拟维度设置为三维，设置模拟盒子边长，通过语言编程将粗粒化的电镀液成分按照各自的浓度随机置于模拟盒子内，得到用于LAMMPS软件模拟的初始输入文件；将所述初始输入文件导入LAMMPS，设置模拟盒子的边界为周期性边界条件，对体系进行能量最小化，使各组分在模拟盒子中均匀分布，得到了电镀液粗粒化模拟的初始模型；C)确定势函数，通过库伦势表示的静电相互作用，Lennard
‑
Jones势表示的近程相互作用，FENE势或简谐势能表示的聚合物粒子键接相互作用，三部分所形成的力场计算电镀液各粒子之间的相互作用，各组分之间的势函数参数通过Lorentz
‑
Berthelot混合法则计算得到；D)系统弛豫，以步骤B)中得到的电镀液粗粒化模拟的初始模型为初始结构，使用步骤C)中的力场和步骤B)中设置的模拟条件，利用LAMMPS软件进行分子动力学模拟，计算系统势能、原子受力和原子位置，并统计各个时刻的计算结果，直至体系达到平衡状态；E)分子动力学模拟，以所述步骤D)中达到平衡状态的体系为初始结构，使用步骤C)中的力场和步骤B)中设置的模拟条件，利用LAMMPS软件进行分子动力学模拟，计算系统势能、原子受力和原子位置，得到分子轨迹的三维坐标；同时，按照设定间隔沿体系演化轨迹进行抽样，并进行系综统计；F)数据处理和可视化处理，通过处理程序编程计算统计平衡状态电镀液的结构因子、各组分间的径向分布函数、中间散射函数、各组分均方位移与扩散系数，并利用Ovito软件直观呈现电镀液微观结构，其中，径向分布函数按照式1计算：式1中，r为粒子对之间距离，Δr为代表函数分辨率的参数，N为体系中粒子总数，V为体系体积；结构因子按照式2计算：式2中，N为粒子数，q为倒空间格矢，r
j
与r
k
分别代表粒子jj与粒子kk的位置矢量，<
…
>表示系综平均；中间散射函数按照式3计算：式3中，N和M分别代表表面活性剂链长与链数，q代表波矢，不同的波矢对应的散射函数衰减行为不同；均方位移按照式4计算：
MSD(t)＝<r
i
(t)
‑
r
i
...
【专利技术属性】
技术研发人员：段晓征，李宏飞，李吉辰，林城江，李腾，邢巍，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：
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