晶圆制程的多尺度和多物理场仿真 中仿科技公司（简称CnTech）是多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics中国地区的独家代理商。本文基于东京电子股份有限公司（TEL）研发中心模拟晶圆制造工艺的成功故事，向大家介绍COMSOL Multiphysics强大的多物理场耦合计算功能。 半导体晶圆的制造牵涉到大量的工艺，涵盖从米到纳米量级的多尺度和多物理场，经过对能够综合各种模拟环境的工具的寻找，最终定位于COMSOL Multiphysics。 - by Jozef Brcka of the TEL Technology Center (Albany, NY) 简介 对半导体制造过程的最优化设计，是一项艰巨的任务，因为需考虑很多因数对整体的影响。首先，在复杂的等离子环境下处理并加工材料和薄膜；其次，在制造工艺过程中，必须处理好流场和反应气体混合物，这对于静态或高频电磁场，以及中间态介质的耦合而言，都必须得到全面的考虑。以晶圆加工为例，放置晶圆的反应器的特征尺度通常是大于一米，同时还必须考虑到发生于纳米级的分子运动。更进一步地，工艺工程师和设计者感兴趣的时间尺度可从千分之一秒至数个小时。 在过去，由于对基础物理与化学现象未得到彻底的了解，晶圆的制造和工艺设备的设计大部分需依赖经验公式。纵使在各种研究机构中开发出专门的方程来执行模拟，但通常需要使用者精通这些工具，才能顺利地操作，况且这些方程通常也是通过简化几何或经验公式推导出来的。在建模不当的情况，要处理复杂的化学环境、热或电磁场问题，并预测出对工艺过程实际出现的情况，只能不断从错误中尝试，这样不仅耗费了大量的金钱，即使得到原理性的结果也需要相当长的时间。如果能够在数值模拟软件中建立正确的模型，则仅仅需要几天时间即可测试几十个案例，以最快的速度让新工艺上线。 COMSOL Multiphysics是由瑞典的COMSOL公司开发的“全球第一款真正的多物理场耦合分析软件”，作为一个大型有限元计算仿真平台，它可以实现多尺度、多物理场的直接全耦合数值模拟。适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程，对任意多物理场得到高度精确的数值仿真。在全球得到了日益广泛的应用，多次被NASA技术杂志评为“本年度最佳上榜产品”。在很多公司的技术革新中表现出强劲的实力。 本文以东京电子股份有限公司（TEL），在美国纽约州Albany的TEL研发中心利用COMSOL Multiphysics成功地仿真晶圆加工工艺来说明这款软件的建模理念和思路。
数字水印技术 一、引言 随着互联网广泛普及的应用，各种各样的数据资源包括文本、图片、音频、视频等放在网络服务器上供用户访问。但是这种网络资源的幵放也带了许多弊端，比如一些用户非法下载、非法拷贝、恶意篡改等，因此数字媒体内容的安全和因特网上的侵权问题成为一个急需解决的问题。数字水印作为一项很有潜力的解决手段，正是在这种情况下应运而生。 数字水印（技术是将一些代表性的标识信息，一般需要经过某种适合的变换，变换后的秘密信息（即数字水印），通过某种方式嵌入数字载体（包括文档、音频、软件等）当中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统（如视觉或听觉系统）觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。在发生产权和内容纠纷时，通过相应的算法可以提取该早已潜入的数字水印，从而验证版权的归属和内容的真伪。 二.算法原理 2.1、灰度图像水印 2.1.1基本原理 处理灰度图像数字水印，采用了LSB（最低有效位）、DCT变换域、DWT变换域三种算法来处理数字水印。在此过程中，处理水印首先将其预处理转化为二值图像，简化算法。 （1）LSB算法原理：最低有效位算法(Least Sig nificant Bit , LSB)是很常见的空间域信息隐藏算法, 该算法就是通过改变图像像素最不重要位来达到嵌入隐秘信息的效果, 该方法隐藏的信息在人的肉眼不能发现的情况下, 其嵌入方法简单、隐藏信息量大、提取方法简单等而获得广泛应用。LSB 信息嵌入过程如下: S′=S+f S ,M 其中,S 和S′分别代表载体信息和嵌入秘密信息后的载密信息;M为待嵌入的秘密信息, 而隐写分析则是从S′中检测出M以至提取M 。 （2）DCT算法原理：DCT 变换在图像压缩中有很多应用，它是JPEG，MPEG 等数据
完成下面两个练习，提交截图 1.QM/MM calculation of the SW1 defect formation energy for a carbon Purpose: Introduces how to use the QMERA module in Materials Studio. Special attention is paid to preparing the system and which type of embedding scheme to use. Modules: Materials Visualizer, QMERA Time: Prerequisites: None The Stone-Wales (SW) defect is a common defect on carbon nanotubes that is thought to have important implications for their mechanical properties (see Andzelm et al., 2006). The 90° rotation of two carbon atoms around the midpoint of the C-C bond transforms four hexagons into two pentagons and two heptagons. This substructure is known as Stone-Wales defect. In this tutorial you will calculate the formation energy of a nonchiral SW defect (SW1). The following steps will be covered here: Getting started QM region definition QMERA calculation Analysis of results Note: In order to ensure that you can follow this tutorial exactly as intended, you should use the 1. Getting started Begin by starting Materials Studio and creating a new project. Open the New Project dialog and enter Stone-Wales as the project name, click the OK button. The new project is created with Stone-Wales listed in the Project Explorer. 2. Structure preparation The first thing you need to do is prepare the structure of the single-walled nanotube (SWNT). Select Build | Build Nanostructure | Single-Wall Nanotube from the menu bar. Change the N and M indices to 8 and 0 respectively. This corresponds to a nanotube of 6.26 ? diameter.
含能材料力学性能的多尺度模拟系统开发数值模拟是含能材料力学性能研究的重要手段。常用的模拟软件中,分子动力学模拟能够模拟含能材料分子水平相关性质,但由于计算资源的限制,只限于研究尺度小于纳米的微观体系;物质点法能在接近含能材料颗粒的细观尺度上模拟其性质,但该方法还处于起步阶段,应用并不成熟;而有限元方法可以接近工程的宏观尺度上对含能材料的性质进行研究,但有着不能考虑含能材料微观结构的缺点,直接应用效果不佳。近年来,多尺度模拟方法受到广泛关注,这种方法能将各尺度下的性质联系起来,但尚未有成熟的软件,急需开发使用方便的多尺度模拟软件。针对上述问题,设计并实现了基于分步式模拟的含能材料力学性能的多尺度模拟系统,逐级递推地计算含能材料的力学行为。 在系统的微观尺度计算模块,用分子动力学方法求解含能材料的各种性质,包括组分的状态方程和粘弹性的本构关系,这些性质作为参数输入到细观尺度的模拟计算;在系统的细观尺度计算模块,采用物质点法求解含能材料的力学性质,获得其状态方程式和力学性质的本构关系;在系统的宏观尺度计算模块,基于细观尺度的计算结果应用有限元方法计算宏观含能材料力学性能变化。本系统可为研究含能材料压制过程的力学行为提供一种有效的工具。由于微观尺度和宏观尺度的模拟有比较成熟的软件可用,论文重点研究了细观尺度计算模块。利用了模型近似方法,建立了含能材料细观模型;运用Java3D虚拟场景数据动态存储技术,实现了虚拟场景数据的动态存取,解决了模型建立过程中一个场景一旦建立就不能重复使用,只能在下一次建模时按照流程重复原先的创建步骤的问题;采用基于Vis It的模拟数据并行可视化技术,解决了单机环境下由于计算机资源限制,无法对结果进行高性能可视化显示的问题。 测试结果表明,系统能在1s之内做出响应,并不间断运行5×24小时,其响应能力和稳定性等方面均达到设计目标。该系统能够为含能材料压制工艺提供了理论依据,对优化和改进含能材料质量提供一种有效工具。
Dislocation and Stacking Fault Name:Wu lingling(user023) Student number:016050910054 1 Calculations of Lattice constant and volume modulus Using molecular dynamics,we can simulate crystals in edge dislocation,screw dislocations and stacking fault, also we can calculate the dislocation strain energy and dislocations. Comparing the method of molecular dynamics calculation values and theoretical, we can analysis its error.Through this experiment, deepen para fault, fault, and the understanding of molecular dynamics simulation. For edge dislocation, strain for per unit length: 20ln 4(1)e e Gb R E r πn =? For a screw dislocation, strain for per unit length: 20ln 4s e Gb R E r π = Molecular dynamics is dislocation of strain energy method: ()/MD dislocated ref E E E L =? In actual crystal structure, the closed normal stacking sequence may be damaged and staggered, which named the stacking fault.Cambium mistake almost do not produce lattice distortion, but it undermines the integrity of the crystal and the normal cyclical, anomalous diffraction effect in the electronic, allowing the energy of the crystal increased, this part of the increased energy is called the stacking fault energy. The mathod using Molecular dynamics to calculation approach stacking fault: SFE = tot ref E E S γ? 2 Results and Analysis 2.1 helical dislocation -91512.1172811518-(-91519.9264975819)7.80921643s E ev =
材料结构与性能模拟计算理论与方法简介 [使用电脑对材料模拟计算的优缺点] 优点：（一）不受实验条件的限制、（二）简化研究的原因 缺点：必须使用足够精确的物理定律 因此，目前电脑模拟的材料设计走向两个趋势： （一）采取微观尺度（因为物质由原子组成）、 （二）使用量子力学（才能正确描述电子行为以及由其所决定的机械、传输、光学、磁学等性质） 也就是说，原子之间的作用力以及材料所表现的物性，我们都希望能（不借助实验结果）透过第一原理方法来达到。 [密度泛函理论简介] 自从20世纪60年代密度泛函理论(DFT，Density Functional Theory)建立并在局域密度近似(LDA)下导出著名的Kohn-Sham(KS)方程以来，DFT一直是凝聚态物理领域计算电子结构及其特性最有力的工具。近几年来DFT同分子动力学方法相结合，在材料设计、合成、模拟计算和评价诸多方面有明显的进展，成为计算材料科学的重要基础和核心技术。特别在量子化学计算领域，根据INSPEC数据库的记录显示，1987年以前主要用Hartree-Fock(HF)方法，1990～1994年选择DFT方法的论文数已同HF方法并驾齐驱，而1995年以来，用DFT的工作继续以指数律增加，现在已经大大超过用HF方法研究的工作。W. Kohn因提出DFT获得1998年诺贝尔化学奖，表明DFT在计算量子化学领域的核心作用和应用的广泛性。 DFT适应于大量不同类型的应用，因为电子基态能量与原子核位置之间的关系可以用来确定分子或晶体的结构，而当原子不处在它的平衡位置时，DFT可以给出作用在原子核位置上的力。因此，DFT可以解决原子分子物理中的许多问题,如电离势的计算，振动谱研究，化学反应问题，生物分子的结构，催化活性位置的特性等等。在凝聚态物理中，如材料电子结构和几何结构，固体和液态金属中的相变等。现在，这些方法都可以发展成为用量子力学方法计算力的精确的分子动力学方法。DFT的另一个优点是，它提供了第一性原理或从头算的计算框架。在这个框架下可以发展各式各样的能带计算方法，如LDA，GGA，meta-GGA，hybrid等方法。
多尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展 摘要简要介绍了多尺度方法的分量及其适用范围，详细论述了多尺度分析方法在纤维增强复合材料弹性、塑性等力学性能中的研究进展，最后对多尺度分析方法的前景进行了展望。 关键词多尺度分析方法，复合材料，力学性能，细观力学，均匀化理论 1 引言 多尺度科学是一门研究不同长度尺度或时间尺度相互耦合现象的跨学科科学，是复杂系统的重要分支之一，具有丰富的科学内涵和研究价值。多尺度现象并存于生活的很多方面，它涵盖了许多领域。如介观、微观个宏观等多个物理、力学及其耦合领域[1]。空间和时间上的多尺度现象是材料科学中材料变形和失效的固有现象。 多尺度分析方法是考虑空间和时间的跨尺度与跨层次特征，并将相关尺度耦合的新方法，是求解各种复杂的计算材料科学和工程问题的重要方法和技术。对于求解与尺度相关的各种不连续问题。复合材料和异构材料的性能模拟问题，以及需要考虑材料微观或纳观物理特性，品格位错等问题，多尺度方法相当有效。 复合材料是由两种或者两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一个多相材料系统[2]。复合材料作为一种新型材料，由于具有较高的比强度和比刚度、低密度、强耐腐蚀性、低蠕变、高温下强度保持率高以及生物相容性好等一系列优点，越来越受到土木工程和航空航天工业等领域的重视。 复合材料是一种多相材料，其力学性能和失效机制不仅与宏观性能（如边界条件、载荷和约束等）有关，也与组分相的性能、增强相的形状、分布以及增强相与基体之间的界面特性等细观特征密切相关，为了优化复合材料和更好地开发利用复合材料，必须掌握其细观结构对材料宏观性能的影响，即应研究多尺度效应的影响。 如何建立起复合材料的有效性能和组分性能以及微观结构组织参数之间的
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910179920.7 (22)申请日 2019.03.11 (71)申请人 天津城建大学 地址 300384 天津市西青区津静公路26号 申请人 天津大学 (72)发明人 曾穗平 曾坚 田健 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 李坤 (51)Int.Cl. G06F 17/50(2006.01) (54)发明名称 城市多尺度风环境数值模拟方法 (57)摘要 本公开提供了一种城市多尺度风环境数值 模拟方法，包括：生成以城市为中心的圆形的城 市地形模型，并通过模型镶嵌将城市建筑群模型 嵌入城市地形模型中，建立广域城市整体模型； 采用布尔减运算提取广域城市整体模型，通过外 圆内方的形式分割广域城市模型并进行模拟；提 取镶嵌局域街区模型，并对边界进行插值，为局 域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行 模拟。本公开采用嵌套模型方法可在大尺度的城 市整体模拟中，避免采用不合理的入流边界假 定，直接在城市宏观风场模拟后，为局域街区模 型提供合理的流速边界；同时，由于采用了城市 整体模型采用圆形的边界形式，对不同风速方向 可采用同一套网格，极大地减轻建模及网格多次 划分的工作量。权利要求书2页 说明书8页 附图9页CN 109948214 A 2019.06.28 C N 109948214 A
权 利 要 求 书1/2页CN 109948214 A 1.一种城市多尺度风环境数值模拟方法，包括： 步骤S100：生成以城市为中心的圆形的城市地形模型，并通过模型镶嵌将城市建筑群模型嵌入城市地形模型中，建立待加工的广域城市整体模型； 步骤S200：自步骤S100中通过布尔减运算提取广域城市整体模型，通过外圆内方的形式分割广域城市模型并进行模拟； 步骤S300：自步骤S200中提取镶嵌局域街区模型，并对边界进行插值，为局域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行模拟。 2.根据权利要求1所述的城市多尺度风环境数值模拟方法，其中，所述步骤S100包括： 步骤S110：生成以目标城市为中心的圆形的城市地形模型； 步骤S120：为城市建筑群进行建模，生成城市建筑群模型； 步骤S130：将步骤S110生成的圆形的城市地形模型与步骤S120生成的城市建筑群模型进行布尔运算加运算，得到广域城市整体模型。 3.根据权利要求1所述的城市多尺度风环境数值模拟方法，其中，所述步骤S200还包括： 步骤S210：建立高度为5-6H圆台，其中，H为城市建筑最大高度； 步骤S220：进行布尔运算减运算包括：用步骤S210建立的圆台减去城市地形模型和城市建筑群模型； 步骤S230：划定矩形区域，框定城市范围； 步骤S240：将步骤S220和步骤S230得到的结果进行布尔运算，通过以外圆内方的形式分割的广域城市整体模型； 步骤S250：对步骤S240分割后的广域城市整体模型进行模拟。 4.根据权利要求1所述的城市多尺度风环境数值模拟方法，其中，所述步骤S300包括： 步骤S310：定义局域街区模型的计算边界； 步骤S320：计算城市整体模型中的插值，并将插值镶嵌到局域街区模型边界中； 步骤S330：利用已插值好的边界条件，设置模拟条件，对局域街区模型进行数值模拟。 5.根据权利要求2所述的城市多尺度风环境数值模拟方法，其中，所述步骤S200还包括： 步骤S260：对步骤S250得到的广域城市整体模型进行网格划分。 6.根据权利要求3所述的城市多尺度风环境数值模拟方法，其中，所述步骤S300还包括： 步骤S340：对步骤S330得到的局域街区模型进行网格划分。 7.根据权利要求2所述的城市多尺度风环境数值模拟方法，其中，所述步骤S110中生成以目标城市为中心的圆形的城市地形模型，还包括： 步骤S111：建立能够将目标城市包括在内的最小圆周； 步骤S112：将步骤S111得到的最小圆周的面积乘以最大阻塞率倒数，得到与步骤S111中的最小圆周同心的圆周面积，作为城市地形模型计算平面范围；其中，所述最大阻塞率小于5％。 8.根据权利要求3所述的城市多尺度风环境数值模拟方法，其中，所述步骤S250还包括： 2
热能系海外学者短期课程 《界面传递现象的多尺度模拟》 课程名称：界面传递现象的多尺度模拟 (Multiscale Modeling of Interfacial Transport Phenomena) 学时：16学时，1学分 时间：2015年9月6日至9月11日（夏季学期第四周） 9月6日（周日）：18:30-20:55 讲课 9月7日（周一）：18:30-20:55 讲课 9月8日（周二）：18:30-20:55 讲课 9月9日（周三）：9:00-11:35 讲课 9月10日（周四）：9:00-11:35 讲课 9月 11日（周五）： 9:00-10:30 讨论 地点：6A101 授课教师：孙颖副教授 (美国Drexel大学机械工程与力学系) 考核方式：考查 授课对象：研究生、高年级本科生 授课语言：英语 课程简介：介绍界面传递现象中多尺度模拟方法的基本原理、发展方向、优点和局限性以及应用实例。致力于扩宽学生多尺度模拟的视野和培养学生解决移动界面复杂问题的能力。内容涉及用分子动力学、格子玻尔兹曼方法、相场和水平集方法来共同解决移动界面问题和界面微观传递现象，应用范围涉及传热、传质、多相流、气液和固液相变、纳米材料、电化学、新能源等方面。课程主要面向热能系、航院、建筑学院、汽车系、核研院、工物系等的研究生、高年级本科生。 教师简介：Dr. Ying Sun is an Associate Professor in Mechanical Engineering & Mechanics at Drexel University. She obtained her B.Eng. degree from Thermal Engineering at Tsinghua University, and M.S. and Ph.D. degrees both from University of Iowa. Dr. Sun was a recipient of the NSF CAREER Award, a visiting professor at French CNRS, a visiting scholar at RWTH-Aachen, and an Air Force Summer Faculty Fellow. Her research interests include multiphase flows and heat/mass transport, multiscale modeling of transport phenomena in energy systems, wetting and interfacial phenomena, and scalable nanomanufacturing. Dr. Sun has authored and co-authored over 50 peer-reviewed papers and delivered over 60 invited seminars and conference presentations. Her lab is funded by the US National Science Foundation, Department of Energy, Advanced Research Projects Agency-Energy, Air Force Office of Research, Electric Power Research Institute, Ben Franklin Technology Partners, Petroleum Research Fund, and industry.
存档日期：存档编号: 北京化工大学 研究生课程论文 课程名称：计算流体力学与传热 课程代号：ChE515 任课教师：张建文 完成日期：2012年12月20日 专业：化学工程 学号： 姓名： 成绩：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
多尺度传递过程研究进展 摘要：本文介绍了化工中多尺度的研究方法以及传递研究的新进展。着重介绍了现代化工多尺度传递过程研究的三种新方法：平均方法、直接模拟法以及耦合方法，并与传统的研究思路做比较。最后提出了多尺度传递过程研究中出现的问题并对多尺度传递过程研究提出展望。关键词：多尺度传递过程 Advances in MultiscaleTransportProcess Abstract: This article describes a multiscale chemical method and the new advance of transport process. Mainly introduce three modern chemical multiscale methods in transport process study: average method, the direct simulationmethod,and coupling method.Finally this paper puts forward a multi scale transfer process and research problems and to propose the prospect of the study on multi scale transfer process. Key words: multiscale ,transport process 一、引言 1.1化工中的多尺度问题 多尺度的术语现在被广泛地使用，例如Villemaux提出计算化学工程的多尺度应用，Lerou和 Ng 的文章《化学反应工程,研究多目标任务的多尺度方法》等 ,但不同学者所认的“尺度”的含义可能并不相同。对于从事化学和化工的人来说，传统上最重视的是结构、性能和制备的关系。因此 ,我们最关注的应是结构的尺度 ,或具有一定有序结构的单元的尺度。有序结构具有多层次，可按尺度大致区分为以下几种[1]： （1）微观结构(前纳米) :例如分子结构、晶胞结构。如维生素C的分子结构等。（2）微观结构（近纳米）：例如均匀流体的近程有序、界面层的非均匀结构。分子的尺度大多小于1nm，从分子到各项同性的均匀流体似乎从前纳米直接跨越到宏观尺度。流体是近程有序的，围绕每一个分子，在约3~5个分子的距离内，有一个密度周期起伏并逐渐衰减的有序结构，这种结构决定了整个流体的性质。
中国工程院年会论文: C06
材料性能计算及其在加工模拟中的应用
郭战利 1*，G. Kang2，N. Saunders1，J.P. Schillé1
（1 Sente Software Ltd., Guildford GU2 7YG, U.K. 2 Marketing Lab, 1408 Dunsan-Dong, Seo-Gu, Daejeon, 302-700, Korea） 摘要：计算机辅助工程（CAE）模拟是材料加工工艺设计的先决条件。可靠的模拟必需以准确的材料数据为基础。 所需的材料数据包括物理性能如热膨胀系数和导热系数，以及力学性能如强度和流动应力曲线。钢铁材料的加工 模拟还需要了解相转变动力学，即 TTT/CCT 转变曲线，和相变潜热。当前 CAE 模拟所面临的一个问题是材料数 据的严重缺乏，因而通过开发计算机模型来计算材料性能成了众望所归。本文第一部分总结了最近开发的材料性 能计算模型，并以 22MnB5 钢为例说明了合金的组织和性能随温度、时间、冷却速率和应变速率的变化关系。第 二部分以该合金的热加工模拟为例介绍了计算得到的材料性能数据在 CAE 模拟中的应用。此模拟耦合了传热、 材料变形和固态相变三个物理过程。最后讨论分析了相变塑性应变对残余应力及弹性回弹得影响。 关键词：材料性能，CAE 模拟，相变动力学，流动应力曲线，热加工
Materials Properties and Its Applications in Processing Simulation
Zhanli Guo1，G. Kang2，N. Saunders1，J.P. Schillé1
（1 Sente Software Ltd., Guildford GU2 7YG, U.K. 2 Marketing Lab, 1408 Dunsan-Dong, Seo-Gu, Daejeon, 302-700, Korea）
Abstract：Computer-aided-engineering (CAE) simulation has become an essential precondition for a good process design. To achieve reliable CAE simulations, accurate material data is a pre-requisite. The material data required include physical properties such as coefficient of thermal expansion and thermal conductivity, and mechanical properties such as strength and flow stress curves. In the cases of steels, one usually has to know the transformation kinetics, i.e. TTT/CCT curves, and the heat evolution during transformation as well. Traditionally such material data are gathered through experimental means, which has significant disadvantages in that not all of the required data are readily available, and measurement of high temperature properties is expensive. It is therefore highly desirable to develop computer models that can calculate the relevant material properties required by hot forming simulation, or processing simulation in general. The first part of the paper briefly describes the development of a computer model that can provide many of the properties required by processing simulation. The second part features a case study, where the calculated material properties have been used to simulate the hot stamping process of an automotive part. The simulation is carried out with coupled analysis of heat transfer, deformation and phase transformation. Simulation results show that transformation plasticity lowers the residual stress level and accordingly the amount of springback. Good agreement was found between the simulated and experimentally observed final shape. Key words: Material data; CAE simulation; TTT/CCT diagrams; Flow stress curves; Hot stamping
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联系人：郭战利. 第一作者：郭战利（1972—） ，男，博士
22.54 中子与物质的相互作用及应用（2004年春季） 第十五讲（2004年4月15日） 多尺度材料建模 参考文献 S. Yip, "Synergistic Science", Nature Materials 2, 3 (2003). This commentary is attached as Chap15(S).pdf. 材料发现与创新 我们社会中各种科技企业对新材料的需求日益增长，这就要求成功的材料设计是基于整体分析的，在合成与处理方法中，对材料基本性能和特性的了解是与创新结合在一起的，并进一步与性能分析、使用寿命预计、环境评估和经济学研究联系起来。实际中材料的发现与创新是一个多学科高度综合的过程，依赖于多种科学和工程团体的贡献，因此也就需要在不同学科之间的有效交流，跨越传统的界限来进行合作。 在材料研究所涉及到的所有领域中，计算都显著地推进了研究工作的进展，通过第一原理全能量计算对半导体材料电子学性能的定量理解就是一例；另外，通过对聚合体流变行为的建模，实现了对热塑过程设计的改进。随着科学计算和可视化在功能上的日益强大与使用便捷，建模变得越来越普遍，不仅是仿真、分析和预测，还包括数据库生成和虚拟测试。 材料研究是一个异常活跃和多学科交织的领域[1]。大学、工业界和政府研究实验室中的科学家和工程师们在其中扮演了重要的角色。爆炸性增长的材料研究协会会议与期刊如MRS Bulletin和Nature Materials见证了这一点。也有一些杂志是针对材料建模与模拟的，如the Journal of Computer-Aided Design[2]和Modeling and Simulation in Materials Science and Engineering[3]，还有其它一些越来越多的会议论文集。 还有另外一个因素增加了材料建模的重要性，即政府部门注意到了模拟和建模是可靠的，能够作为实验验证的补充（并将最终取代之）。一些国防部、能源部资助的项目是针对高性能计算的开发与实现的，而这些高性能计算的目的是以更高的效率和更低的成本（有时候人员安全也是要考虑的）来实现目标任务。例如High Performance Computing Modernization Program[5]和the Accelerated Strategic Computing Initiative，后者是与the Science-Based Stockpile Stewardship紧密相关的，而这本身又是一个规模空前、责任重大的国家项目[6]。 由于材料建模的能力在深度和广度都在增加，因此材料的分子工程也变得更加切实。这是每个材料科学家和工程师长久以来的梦想，创造出来的新材料不仅性能优越、使用寿命延长、对环境影响小，而且不必考虑成本问题。尽管计算机辅助的材料设计落在计算机辅助的分子（药品）设计之后，它还是取得了重要的进展，尤其是在微电子、光学和磁应用方面的功能材料领域[7]。与之形成对比的是，对于结构材料来说，机械、热学和化学（合金，腐蚀等）等现象对可靠和具有预测性的建模提出了严峻的挑战。因此，对于理解和控制这些现象最有希望的方法是有效地将几种建模技术结合起来，每种技术只适合一种特定的长度和时间尺度。这个概念被称作多尺度材料建模。 在材料建模中的长度/时间尺度 在许多科学问题中，一个简单的物理现象可以通过几种层次或长度（时间）尺度来进行检验。例如，海浪冲上沙滩的复杂运动可以通过看电影的方式来观察，也可以观察构成波浪
超分子自组装材料的多尺度模拟研究方法 1.1引言 超分子化学是研究基于分子间非共价键相互作用而形成的具有一定结构和功能分子聚集体的化学，在与材料科学、生命科学、信息科学、纳米科学与技术等学科的交叉融合中，超分子化学已发展成超分子科学，是21世纪新概念和高技术的重要源头之一。相较于传统化学上所研究的共价键，超分子化学的研究对象是一些较弱且具有可恢复性的分子间相互作用，如氢键、金属配位、xπ堆积、疏水效应等，这些分子间弱相互作用是促进分子识别的关键，对超分子体系的分子识别和组装有着重要意义12。 超分子材料的性能取决于基本构筑单元的分子结构，在更大程度上依赖于这些构筑单元经过自组装得到的介观尺度聚集体的结构与相态，而自组装过程又是影响超分子聚集体结构及其功能的关键因素。超分子自组装过程的影响因素极其复杂，与传统凝聚态物质相比，超分子体系具有更高的流动性及环境依赖性，而正是体系热涨落及外部环境的约束性共同导致超分子体系的新行为，主宰体系演化的机制己从凝聚态物理传统的相互作用能量机制转变为动力学和熵效应的共同作用。外部影响因素或者体系自身的耗散作用能够驱动超分子体系自组装形成各种丰富的结构，从而具有不同的功能及应用范围。
超分子体系自身结构的特点使得体系演化速度慢、松弛时间谱分布宽4.例如，单链聚合物的空间尺度从化学键键长（100m）延伸到链旋转半径（103m），而相应的时间尺度从化学键的振动（10-15可延伸到整条聚合物链的松弛和扩散（105s）。如果考虑聚合物链之间的缠结效应，聚合物链的松弛时间会更长阿。超分子自组装过程也涵盖非常大的空间和时间尺度：超分子材料的形成需要从基本构筑单元的分子尺寸（10°m）过渡到典型有序功能结构的尺寸（10m），此外有序功能结构转变动力学往往发生在微秒或更长的时间尺度上10l对于超分子材料体系而言，由于实验手段的一些限制，许多情况下很难获得这些复杂分子结构在多个尺度上的结构及动力学性质。虽然计算机硬件和算法在近些年得到快速发展，计算机模拟已经成为在各个层面研究超分子自组装材料体系不可或缺的组成部分，但到目前为止还没有一种模拟方法能够同时描述超分子组装体系微观结构、介观组装形貌及宏观材料功能等多个尺度上的性质。因此建立有效的多尺度模拟方法，增强不同尺度模拟方法之间的衔接和信息传递是一项十分紧迫的任务，这也是发展多尺度模拟方法的核心目标。由于缺少单一的模拟方法应用于超分子材料体系的多尺度分析，因此发展多尺度模拟方法的主要任务是把不同尺度上的模拟方法进行完善，同时发展对这些单一尺度模拟方法进行有效连接的手段传统意义上的计算机模拟方法是 随着计算机的发明一起发展起来的。根据研究体系运动的确定性与否分为分子动力学方法21和蒙特卡罗方法1两大类。分子动力学方法是建立在经典力学基础之上，通过求解粒子的运动方程来模拟体系随
《计算传热学》学期作业 多尺度模拟方法概述 摘要：本文简单介绍多尺度模拟的思想，应用及存在的问题。 关键词：数值模拟；多尺度模拟 世界的本质是多尺度的，在不同的尺度下物质表现出不同的特征。如流体在分子尺度下表现为离散的不确定的粒子，而在宏观尺度下表现为连续的确定性的介质。在不同的时间和空间尺度下由于其尺度特性的不同，往往所采用的方法也不同,如图1[1]所示。 图1各种空间时间尺度下适用的模拟方法 文献[2]利用Kn数来鉴定何种特征尺度下流体流动适合用何种方法。Kn数的物理意义是分子平均自由程与特征长度的比值。 Kn<10-3，流动符合连续介质假设，可用N-S方程； 10-3
连续介质假设，传热的空间尺度和时间尺度符合傅立叶导热定律；微观方法是从分子运动碰撞理论来建立方程；介观方法是介于微观方法和宏观方法之间。这三种方法各有优缺点。宏观方法不能揭示微观的物理现象，但是方法成熟，应用方便。微观或介观方法更适合描述极端尺度的物理现象，但是计算量巨大，方法不成熟，工程应用极少。如果在采用宏观方法的过程中，可将微观尺度的信息带入，建立一种微观——宏观耦合的多尺度模拟方法可以结合两者的优点，又可以削弱两者的缺点。 多尺度问题表现[3]为: 已知一个模型的宏观描述, 但这种宏观描述在某些局部区域失效, 必须要用低尺度微观非线性描述代替。模型的微观特性既受制于宏观上的作用因素, 又可能显著影响宏观性能。但微观结构, 性能与状态何时、以怎样的途径去影响宏观性能并不清楚。 假定一个给定系统的微观行为可以使用微观模型变量u表示, 系统的宏观行为用宏观模型变量U表示, 那么宏观模型变量U与微观模型变量u可以通过压缩乘子Q或者重构算子R联系起来： U=Qu RU=u 多尺度模拟的难度在于两种尺度的耦合，即如何建模。建模的策略有两种[4-6]：一种策略是先在较低的尺度上建模, 然后将结果放入高尺度模型中, 这是一个从小尺度到大尺度的递阶过程。但低尺度建模的理论是一个重要问题。采用这种策略的方法一般称作信息传递的多尺度方法或递阶的多尺度方法另一种策略是在不同尺度上同时建模, 将区域分成不同尺度定律控制的区域, 这些区域可以重叠也可以不重叠,在交界处实现连接。在这种策略中, 区域之间的连接也是一个重要问题采用这种策略的方法一般称作并发(一致) 的多尺度方法。 国内外许多学着都致力于开发多尺度模拟方法，主要是介观宏观耦合和微观宏观耦合。多尺度模拟可用于分析材料、化学、能源工程等领域的问题，特别是微小装置的结构、流动和传热问题。随着微纳米科学技术的发展诞生出一个新的技术领域，微/纳机电系统(Micro/Nano ElectroMechanical System，M/NEMS)。微机电系统在工业、通信、环境、生物、医疗和航空航天等领域有着十分广阔的应用前景。 对于M/NEMS 尺度来说，分子动力学模拟虽可提供原子尺度信息，但只能考虑几百万个原子，处理的规模太小；而连续介质力学模拟不能提供接触区域（通常只有几层原子）微观结构的变化；因而不利于人们全面地揭示微/纳尺度下各种现象的相关性。多尺度模拟在一个系统的不同区域内采用不同的模型。例如，在发生较大变形的区域采用量子力学或分子动力学模型，在Kn数较大的区域采用分子动力学模拟或格子Boltzmann方法，以获得该区域的原子尺度信息；在变