On applicability of embedded atom model (EAM) potentials to liquid silicon and germanium

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Potentials of the embedded atom model (EAM) for liquid silicon and germanium are proposed. The potentials are calculated from diffraction data using the Schommers algorithm and presented in the form of tables and piecewise continuous polynomials. Each pairwise contribution to the potential has a form close to a hard-sphere one with a step down. The properties of liquid Si and Ge at temperatures up to 2000 K are calculated, viz. the density, energy, bulk modulus, and self-diffusion coefficients. The agreement with the experiment is noted to be good. The bond direction is found to almost completely disappear after melting for ordinary densities of liquid Si and Ge. The bond direction is assumed to be able to appear at heating and when the density of melts is decreased by 2–3 times.

Full Text

Restricted Access

About the authors

D. K. Belashchenko

National University of Science and Technology (MISiS)

Author for correspondence.
Email: dkbel75@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

  1. Waseda Y. The Structure of Non-Crystalline Materials. Liquids and Amorphous Solids. N.Y.: McGraw-Hill, 1980.
  2. Funamori N., Tsuji K. // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 88. P. 255508.
  3. Demchuk T., Bryk T., Seitsonen A.P. et al. // arXiv:2009.00834. https://doi.org/10.48550/arXiv.2009.00834
  4. Assael M.J., Armyra I.J., Brillo J. et al. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2012. V. 41. № 3. https://doi.org/10.1063/1.4729873
  5. Глазов В.М., Чижевская С.Н, Глаголева Н.Н. Жидкие полупроводники. М.: Наука, 1967.
  6. Гурвич Л.А., Вейц И.В., Медведев В.А. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Т. 2. Кн.2. М.: Наука, 1979.
  7. Desai P.D. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1986. V. 15. № 3. P. 967.
  8. Текучев В.В. Акустические и физико-химические свойства электронных расплавов. Волгоград. 2016.
  9. Регель А.Р., Глазов В.М. Физические свойства электронных расплавов. М.: Наука, 1980.
  10. Weis H., Kargl F., Kolbe M. et al. // J. Phys.: Condens. Matter. 2019. V. 31. P. 455101.
  11. Luo Sheng-Nian, Ahrens T.J., Asimow P.D. // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. № B9. P. 2421. https://doi.org/10.1029/2002JB002317.
  12. Oleynik I.I., Zybin S.V., Elert M.L., White C.T. // CP845 “Shock Compression in Condensed Matter”. Ed. M.D. Furnish et al. 2005. P. 413.
  13. Stillinger F.H., Weber T.A. // Phys. Rev. B. 1985. V. 31. P. 5262.
  14. Dziedzic J., Principi E., Rybicki J. // J. Non-Cryst. Solids. 2006. V. 352. P. 4232.
  15. Jadhav P.P., Dongale T.D., Vhatkar R.S. // AIP Conference Proceedings 2162, 020038 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5130248
  16. Tersoff J. // Phys. Rev. B. 1988. V. 38. P. 9902; 1989. V. 39. P. 5566.
  17. Ishimaru M., Yoshida K., Motooka T. // Phys. Rev. B. 1996. V. 53. № 11. P. 7176.
  18. Cook S.J., Clancy P. // Phys. Rev. B. 1993. V. 47. P. 7686.
  19. Bazant M.Z., Kaxiras E. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 4370.
  20. Luo J., Zhou Ch., Cheng Y., Liu L. // J. Crystal Growth. 2020. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2020.125785
  21. Štich I., Car R., Parrinello M. // Phys. Rev. B. 1991. V. 44. P. 4262.
  22. NIST. IPS Interatomic Potentials Repository: www.ctcms.nist.gov/potentials/refs.html
  23. Baskes M.I. // Phys. Rev. B. 1992. V. 46. P. 2727. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.46.2727
  24. Baskes M.I., Nelson J.S., Wright A.F. // Phys. Rev. B. Condens. Matter. 1989. V. 40. № 9. P. 6085. https://doi.org/10.1103/physrevb.40.6085
  25. Starikov S.V., Lopanitsyna N.Yu., Smirnova D.E., Makarov S.V. // Computational Materials Science. 2018. V. 142. P. 303.
  26. Starikov S., Gordeev I., Lysogorskiy Yu. et al. // Computational Materials Science. 2020. V. 184. P. 109891. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109891
  27. Daw M.S., Baskes M.I. // Phys. Rev. B. 1984. V. 29. № 12. P. 6443.
  28. Schommers W. // Phys. Rev. A. 1983. V. 28. P. 3599.
  29. Belashchenko David K. Liquid Metals. From Atomistic Potentials to Properties, Shock Compression, Earth’s Core and Nanoclusters. NOVA Science Publushers. NY.
  30. Zhu Z.G., Liu C.S. // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. № 14. P. 9322.
  31. Hayashi M., Yamada H., Nabeshima N., Nagata K. // Int. J. Thermophysics. 2007. V. 28. № 1. P. 83. https://doi.org/10.1007/s10765-007-0151-9
  32. Chelikowsky J.R., Troullier N., Binggeli N. // Phys. Rev. B. 1994. V. 49. P. 114.
  33. Yu W., Wang Z.Q., Stroud D. // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. № 19. P. 13946.
  34. Белащенко Д.К // Журн. физ. химии. 2019. T. 93. № 6. C. 877.
  35. Speedy R.J. // Mol. Physics. 1987. V. 62. № 2. P. 509.
  36. Бeлaщeнкo Д.K. // Physics–uspekhi. 2013. V. 183. № 12. P. 1176.
  37. Alteholz Th., Hoyer W. // J. Non-Cryst. Solids. 1999. V. 250–252. P. 48.
  38. Petkov V., Takeda S., Waseda Y., Sugiyama K. // J. Non-Cryst. Solids. 1994. V. 168. P. 97.
  39. Sato Y., Nishizuka T., Tachikawa T. et al. // High Temperatures – High Pressures. 2000. V. 32. P. 253.
  40. Tsuchiya Y. // J. Phys. Soc. Japan. 1991. V. 60. № 1. P. 227.
  41. Masaki T., Itami T. // “Modeling and Precise Experiments of Diffusion Phenomena in Melts under Microgravity” Annual Reports. 2002, NASDA-TMR-030005E.
  42. Kato M., Minowa S. // Trans. Iron Steel Institute of Japan. 1969. V. 9. P. 39.
  43. Tsuji K., Mori T., Hattori T. et al. // 2000B0087-CD-np BL04B1.
  44. Kōga J., Okumura H., Nishio K. et al. // Phys. Rev. B. 2002. V. 66. P. 064211.
  45. Kishimura H., Matsumoto H., Thadhani N.N. // J. Physics: Conference Series. 2010. V. 215. Р. 012145. https://doi.org/10.1088/1742-6596/215/1/012145
  46. Ding K., Andersen H.C. // Phys. Rev. B. 1986. V. 34. № 10. P. 6987.
  47. Kim Eun Ha, Shin Young-Han, Lee Byeong-Joo // Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 2008. V. 32. P. 34.
  48. Zuo Y., Chen C., Li X. et al. // J. Phys. Chem. A. 2019. V. 124. № 4. P. 731. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.9b08723
  49. Kresse G., Hafner J. // Phys. Rev. B. 1994. V. 49. № 20. P. 14251.
  50. Белащенко Д.К. // Кристаллография. 1998. Т. 43. № 3. С. 400.
  51. Kulkarni R.V., Aulbur W.G., Stroud D. // Phys. Rev. B. 1997. V. 55. P. 6896.
  52. Lucas L.D., Urbain G. // C. r. Acad. Sci. 1962. V. 255. № 19. P. 2414.
  53. Munejiri S., Shimojo F., Hoshino K., Itami T. // NASDA, Tsukuba 305–8505, Japan
  54. Hoshino K. // J. Phys.: Condens. Matter. 2009. V. 21. No 47. P. 474212. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/47/474212

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Pair correlation function of Si at 1773 K: 1 - diffraction data [1], 2 - model with EAM potential.

Download (86KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Pairwise contribution to the EAM potential of liquid silicon. Schommers algorithm.

Download (63KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Frequency of occurrence of QF Z in the liquid silicon model at 1690 K. Radius of the coordination sphere 3.05 Å: 1 - EAM potential, 2-1800 K, ab initio method [21].

Download (98KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Azimuthal angles θ in the Si model at 1733 K.

Download (123KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. PCF of liquid germanium: 1 - diffraction data at 1253 K [1], 2 - model with EAM potential. Non-coupling Rg = 0.020.

Download (108KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Paired contribution to the EAM potential of germanium, 1253 K.

Download (82KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Coordination numbers of the germanium model at 1253 K. The radius of the nearest neighbor sphere is 3.6 Å.

Download (89KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Azimuthal angles in the Ge model at 1253 K: 1 - nearest-neighbor sphere radius 3.6 Å, 2 - sphere radius 2.8 Å.

Download (146KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».