В работе пре ставлен по хо к молекулярному мо елиросвоавнриеюменн х в сокоэнергетических про ессовнап ления оптических нанопокр тий иокси а кремния на по ложку и его реализа ия с использованием суперкомпьютера «Ломоносов» и программн х пакетов ля решения за ач молекулярной инLаAмиMкMиPS и GROMACS. В результате работ б ли получен нап ленн е слои толщинео-й о н скольких есятков нанометровс,о ержащих более миллиона атомоБв. ли рассчитан различн е структурн е характеристики полученного силопярове ено сравнение с экспериментальн ми анн . мБ ло прове ено сравнение результатов нап ления, полученн х с помощью указанн х программн х пакетосвр,авинение эффективности работ самих программн х пакетов.
МГУ имени М.ВЛ. омоносова: физический факульте1,т Научно-иссле овательский в числительн й ентр МГУ имен.Ви. МЛомоносова2 1. Введение * Работа в полнена при по ержРкНеФ, ко 2. Процедура напыления
Приве ем описание пор е ур нап ления, используемой при симуля ии нап ления в LAMMPS. В анном численном эксперименте б ла использована версия LAMMPS v. 18 Sep. 2014, программа б ла скомпилирована на суперкомпьют«еЛроемоносов» с ополнительн ми библиотеками USER-CUDA иUSER-MISC. В качестве компилятора б л использован mpicxx (OpenMPI).
В качестве области молекуляр-ноинамического мо елирования б л в бран параллие-леп пе размерами 28x23x30 нм с перио ическими граничн ми условиями по всем направлениям. Размер этой областине менялись во времмяо елирования. Используется ансамбль NVT, T = 300 K.
Стенка с потен иалом Ленар-Д жаонса устанавливается в коор инате z=0, коман а fix wall/lj93 zlo EDGE 1.0 1.0 2.5 (\sigma = 1.0, \epsilon = 1.0, cutoff = 2.5). Сверху от этой стенки помещается пре варитлеьно приготовленная по ложка стеклообразного 2S,iOсостоящая из 90000 атомов.
Для вставки нов х атомов используется коман а fix_depose. Атом кремния и кислоро а вставляются на в соте 4нм от поверхности пленки с энергиями 10 ev и 0.0т5стeвvе,ннсоо.отве Положения ля вставки атомов кремния и кислоро а в бираются случайно, с равномерн м распре елением, и независимо руг от руга. Вставка атомов кремния происхо ит каж е 40 фс, кислоро а– 20 фс.
Чтоб избежать накопления заряженного облака атокмиосвлоро а на пленкой, на в соте 5нм от пленки устанавливается еще о на стенка (коман ой fix oneway). Тог а те о-атом кисл ро а, котор е отразились при первом столкновении с пленкой, снова попа ают на неё через время поря ка 10 пс. Во время нап ления а в пслоетнки постепенно растет, поэтому стенка равномерно с вигается вверх со скоростью 2.3 нм/нс, что на 50% прев шает скорость роста пленки: 1.5 нм/с. Данная величина б ла рассчитана ля режима, ког а частота вставки нов х атомов равна 75 -1п,с а плотност\ьrho=2.15 г/см3.
Таблица 1. Сравнение структурн х характеристик по ложки и нап лённой плёнки Сре нее расстояние Si-O Деффект Деффект
Si
O Сре ний угол Характеристика Плотность
O-O Доля 3-коор инированн х Si: 0,00434268 Доля 4-коор инированн х Si: 0,99447296 Доля 5-коор инированн х Si: 0,00118437 Доля 1-коор инированн х O: 0,02515455 Доля 2-коор инированн х O: 0,96162865 Доля 3-коор инированн х O: 0,0132168 O-Si-O Si-O-Si По ложка 2,158 г/см3 0,16578 нм 0,2698 нм 109,335 144,835 Пленка 2,447 г/см3 3. Сравнение эффктивности программных пакетов Lammps и Gromax Эффективность программн х пакетовиссле овалась при использовании 90000 атомов на временах 14пс. При расчете с помощью пакLеaтmаmps использовались как в числительн е узл CPU, так и графические узGлPU. При этом на о ин узел прихо ится CлPиUбо, л8ибо 2 GPU. Рис. 1. Эффективность распараллеливания программн х пакетGовromax и Lammps.
Рис. 2. Время в числений с помощью пакетоGвromax и Lammps на различном числеузлов.
Эффективность распараллеливания пакетGаromax существенно в ше эффективности ср-а параллеливания пакетаLammps. Распараллеливание пакета Gromax эффективно о16 узлов включительно, в то время как распараллелииеваLнammps эффективно лишь о-8 4 узлов.По абсолютному времени в числениLйammps превосхо итGromax на небольшом числе узлов ( о 8) и устуапет ему при использовании болегьош числа узлов.
Рис. 3. Время в числений с помощью пакLетaаmmps и использования о ной графической вои- е карт на узел и гвруахфических ви еокарт на узел При использовании графических виокеарт эффективнее использование 2GPU на о ин узел.
Сравнение эффективности также прове ено с использованием 950000 атомов на временах 6 пс.
Рис. 4. Время в числений с помощью пакеGтоrвomax и Lammps на различном числе узлов. Аналогично пре ущему результату по абсолютному времени использование Lammps и графических узлоGвPU превосхо ит пакетGromax при использовании от 1о 8 з-у лов. При использовании более 8 узлов программн й Gпrаoкmетax эффективнее программного пакета Lammps. пакета 4. Заключение
В результате работ б ли получен нап лённ е слои толщиной о нескольких есятков нанометров, со ержащих более миллиона атомов. Б ли рассчитан различн е структурн е характеристики полученного слоя, такие как плотность, ра иальуннакя ифя распре еления, количество точечн х ефектов и ругие. Б ли рассмотрен ве мо ели нап леньи-я, испол зующие о но и то же оригинальное силовое поле, прове ено сравнение результатов нап ления ля этих вух мо елей, а также прове ено сравнение эффстеиктирванбоот самих прогрмамн х пакетов в многопро ессорн х режимах как при использовании в числительн х узлов CPU, так и графических узлов. Получено хорошее совпа ение характеристик нап лоен-н х сл ев, полученн х при мо елировании, с экспериментальн ми харриаскттиеками квар евого стекла и нанопокр тий иокси а кремния. Литература 3. Григорьев Ф.В., Сулимов В.Б., Кон акова О.А., Кочиков И.В., ТихонравПовросАт.рВа.нственн е и временн е эффект при осеанжии части на тонкие пленки иокси а кремния, получаем е с использованием в сокоэнергетических про ессов нап л/е/нВиеястник Московского университета. Серия 3. Физика, астрономи2я0.13. № 3.. 8С0-83. Using of Lammps and Gromacs software packages for highperformance deposition simulation of nano-structured thin films The paper presents an approach to molecular modeling of modern high-energy deposition processes of optical coatings of silicon dioxide and its implementation using the supercomputer "Lomonosov" and the software packages for molecular dynamics Lammps and Gromacs. In result layer were obtained with a thickness to a few tens of nano meters containing over one million atoms. The various structural characteristics of the resulting layer were calculated, such as density, radial distribution function, the number of point defects and other. Two models of deposition were considered using the same original force field. A comparison of the results for these two models as well as a comparison of the effectiveness of mentioned software packages in multiprocessor mode (both CPU and GPU) were performed. A good agreement of deposited layers characteristics obtained by the simulations to the experimental characteristics of quartz glass and nano silica was demonstrated.