本文详细介绍了非晶结构的基本定义、核心特点及其与晶态结构的本质差异。非晶材料在短程范围内表现出有序性（短程有序），但在长程范围内原子排列无序（长程无序），这种独特的结构赋予其各向同性等特性。
文章还深入探讨了利用AIMD（从头算分子动力学）技术构建非晶结构的原理与过程，包括初始模型建立、高温模拟和快速冷却等关键步骤，揭示了非晶材料形成的动力学与热力学机制。通过对比晶体与非晶体的原子排列方式，进一步突出了非晶材料在科学研究和工业应用中的重要性。
非晶结构的定义
非晶，即非晶体，是指那些不具备规则外形和固定熔点，并且在内部结构中不存在长程有序排列的物质。尽管从整体上看，非晶的原子排列缺乏长程的周期性和规律性，但在局部区域，也就是若干原子间距的较小范围内，原子之间存在着一定程度的有序排列，这种现象被称为短程有序。
以非晶硅为例，在非晶硅的微观结构中，每个硅原子周围通常有四个近邻硅原子，它们以共价键的形式相互连接，形成四面体结构，这种局部的四面体结构就是短程有序的体现。然而，从更大的尺度上观察，这些四面体结构在空间中的排列是杂乱无章的，不存在像晶体那样规则的周期性重复排列，这就是非晶结构长程无序的特征。
非晶态物质的形成与晶体形成过程中的原子排列方式密切相关。晶体的形成需要原子在合适的条件下，有足够的时间进行规则排列，从而形成长程有序的晶格结构。当晶体物质处于熔融状态时，如果对其进行急速降温，原子来不及按照规则的晶格排列方式进行有序排列，就会被快速
“冻结” 在无序的状态下，进而形成非晶物质。
这种快速冷却的过程抑制了原子的扩散和有序排列，使得原子在短时间内被固定在随机的位置上，最终形成了短程有序、长程无序的非晶结构。
非晶结构与晶态结构在原子排列方式上存在着本质的差异。晶态结构的原子排列具有高度的规律性和周期性，在三维空间中呈现出规则的重复排列模式。以典型的金属晶体铜（Cu）为例，铜原子按照面心立方晶格结构进行排列，每个铜原子周围都有固定数量和位置的近邻原子，这种规则的排列方式在整个晶体中周期性地重复，形成了长程有序的结构。
正是由于这种有序的原子排列，晶体具有明确的晶格常数、晶面指数等晶体学特征，并且晶体的物理性质往往表现出各向异性，即在不同的晶体学方向上，物理性质如电导率、热膨胀系数、弹性模量等会有所不同。
相比之下，非晶结构的原子排列不存在这种长程的周期性和规律性，原子在空间中的分布较为随机。在非晶态金属中，虽然原子在短距离内可能存在一定的配位关系，如某些金属原子周围的近邻原子数量和相对位置在局部区域具有一定的稳定性，但从整体上看，这些局部有序的区域在空间中的分布是无序的，不存在像晶体那样规则的晶格结构。
这种无序的原子排列使得非晶结构没有明确的晶格常数和晶面指数，其物理性质通常表现出各向同性，即在各个方向上物理性质较为均匀一致。
从热力学角度来看，晶态结构处于能量较低的稳定状态，其原子排列的有序性使得晶体具有较低的内能和较高的对称性。非晶结构则处于能量相对较高的亚稳状态，由于原子排列的无序性，非晶结构中存在着更多的原子间相互作用的畸变和缺陷，导致其内能较高。
在一定条件下，非晶态物质有可能向晶态转变，通过加热等方式为原子提供足够的能量，使其能够克服能量壁垒，重新排列形成更稳定的晶态结构，这个过程通常伴随着能量的释放和物理性质的显著变化。
非晶结构的特点
非晶结构的最显著特征之一是长程无序，这意味着在较大尺度上，原子的排列不存在周期性和对称性。与晶体中原子按照规则的晶格点阵有序排列不同，非晶态物质中的原子分布较为随机，不存在像晶体那样明确的晶胞结构和晶格常数。在非晶态金属中，原子之间的相对位置没有固定的周期性重复，从一个原子到另一个原子的距离和方向在长距离范围内呈现出无规律的变化。
这种长程无序使得非晶材料在X射线衍射或电子衍射图谱中不会出现像晶体那样尖锐的衍射峰，而是呈现出弥散的衍射环或宽化的衍射峰，这是由于无序结构导致的散射强度在空间上的连续分布。
长程无序赋予了非晶材料一些独特的性质，例如各向同性，由于原子排列在各个方向上的统计均匀性，非晶材料在不同方向上的物理性质，如电导率、热膨胀系数、弹性模量等基本相同，这与晶体的各向异性形成了鲜明对比。
尽管非晶结构在长程上是无序的，但在若干原子间距的小范围内，存在着一定程度的有序排列，这被称为短程有序。通过径向分布函数（RDF）可以定量地描述非晶结构中的短程有序特征。RDF表示以某个原子为中心，距离它r处单位体积内原子的平均数目。
对于非晶材料，RDF在短距离内会出现明显的峰，这些峰对应着不同壳层的近邻原子，峰的位置表示原子间的距离，峰的高度和宽度则反映了近邻原子的数目和分布的均匀程度。短程有序对非晶材料的性能有着重要影响，它在一定程度上决定了非晶材料的化学键性质、原子间相互作用强度等，进而影响材料的力学、电学、光学等性能。
AIMD构建非晶结构的原理与过程
AIMD构建非晶结构的基本原理基于非晶形成的动力学和热力学过程。在高温状态下，原子具有较高的动能，其运动较为剧烈，体系处于高度无序的状态。此时，原子间的相互作用相对较弱，原子可以在较大范围内自由移动和扩散 。
随着温度的降低，原子的动能逐渐减小，原子间的相互作用逐渐增强。在快速冷却的过程中，由于冷却速率极快，原子来不及按照规则的晶格排列方式进行有序排列，就被快速 “冻结” 在无序的状态下，从而形成非晶结构 。
从热力学角度来看，晶态结构是体系的最低能量状态，而非晶结构处于能量相对较高的亚稳状态。在高温下，体系的熵较大，无序度较高；当快速冷却时，体系的熵来不及降低到晶态的水平，就被固定下来，使得非晶结构保留了较高的熵和无序度。
在这个过程中，原子的扩散速率起着关键作用。快速冷却导致原子的扩散速率迅速下降，使得原子在短时间内无法找到合适的晶格位置进行有序排列，从而抑制了晶化过程的发生，促进了非晶结构的形成。
初始模型建立
在利用AIMD构建非晶结构时，首先需要建立合适的初始模型。通常选择一个具有代表性的晶态结构作为起始点，然后对其进行一定的处理，使其成为非晶结构构建的基础 。
对于金属合金体系，可选取其相应的晶体结构的晶胞，通过周期性重复构建一个较大的超胞。在构建超胞时，需要合理确定超胞的大小和原子数目，超胞应足够大以包含足够多的原子，能够准确反映体系的宏观性质，同时又要避免过大导致计算量过大。
一般来说，超胞中的原子数目在几百到几千个较为合适 。对于一些复杂的体系，还需要考虑原子的初始位置和取向，以确保模拟的准确性。可以通过随机化原子的初始位置或采用特定的原子排列方式来增加体系的初始无序性，为后续非晶结构的形成提供有利条件 。
高温模拟阶段
建立初始模型后，将体系加热到高温状态，使原子获得足够的动能，能够在体系中充分运动和扩散。在高温模拟阶段，通常将体系加热到高于材料熔点的温度，一般选择熔点以上2-3倍的温度较为合适。
将金属体系加热到3000-5000K，以确保原子能够克服各种能量壁垒，实现充分的扩散和混合。在高温模拟过程中，需要运行一定的分子动力学步长，使体系达到热平衡状态。分子动力学步长的选择需要综合考虑计算精度和计算效率，一般取值在0.1-1fs之间。
通过长时间的高温模拟，原子间的相互作用逐渐达到平衡，原子的分布更加均匀，体系的无序度进一步增加。在这个阶段，可以通过监测体系的能量、温度、原子的均方位移等物理量来判断体系是否达到热平衡状态。当这些物理量在一定时间内保持相对稳定时，表明体系已达到热平衡，可以进入下一步的快速冷却过程。
快速冷却过程
在体系达到热平衡后，开始进行快速冷却操作。快速冷却是形成非晶结构的关键步骤，其目的是在短时间内将体系温度降低到低温状态，使原子来不及结晶而被“冻结” 在无序状态。冷却速率的选择对非晶结构的形成起着至关重要的作用。
冷却速率过慢，原子有足够的时间进行有序排列，容易形成晶态结构；冷却速率过快，可能导致体系产生较大的内应力，影响非晶结构的质量。在快速冷却过程中，随着温度的降低，原子的动能逐渐减小，原子间的相互作用逐渐增强，原子开始逐渐被固定在相对位置上。
在冷却过程中，同样需要运行一定的分子动力学步长，以确保原子有足够的时间响应温度的变化，调整其位置和取向。当体系温度降低到接近或低于玻璃转变温度时，原子的运动基本停止，非晶结构基本形成。此时，可以对得到的非晶结构进行结构分析和性能计算，以深入研究非晶材料的特性。
