An Introduction to Kinetic Monte Carlo Simulations of Surface Reactions

شبیه‌سازی‌های مونت کارلو (kMC) هنوز حوزه تحقیقاتی کاملاً جدیدی را با تعداد انتشارات به سرعت در حال رشد نشان می‌دهد. به طور کلی، kMC را می توان برای هر سیستمی که به عنوان مجموعه ای از حداقل های سطح انرژی بالقوه توصیف می شود، اعمال کرد، که تکامل آن به عنوان جهش از یک حداقل به یک همسایه در نظر گرفته می شود. جهش‌ها در kMC به‌عنوان فرآیندهای تصادفی مدل‌سازی می‌شوند و الگوریتم‌ها از اعداد تصادفی استفاده می‌کنند تا تعیین کنند که پرش‌ها در چه زمان‌هایی اتفاق می‌افتند و به کدام حداقل همسایه می‌روند.
گاهی اوقات به این روش MC پویا یا الگوریتم شبیه سازی تصادفی نیز می گویند، به ویژه زمانی که برای حل معادلات نرخ ماکروسکوپی استفاده می شود.

این کتاب دو هدف دارد. اول، این یک آغازگر در روش kMC است (عمدتاً از مدل شبکه گاز استفاده می‌کند) و بنابراین بسیاری از کتاب برای کاربردهایی غیر از واکنش‌های سطحی نیز مفید خواهد بود. ثانیاً، در نظر گرفته شده است که آنچه را که می توان از شبیه سازی kMC سینتیک واکنش سطحی آموخت به خواننده آموزش داد.

با در نظر گرفتن این اهداف، متن حاضر به‌عنوان مقدمه‌ای مستقل برای دانشجویان و محققان غیرمتخصصی که علاقه‌مند به ورود به این حوزه و یادگیری از ابتدا در مورد موضوع هستند، در نظر گرفته شده است.

Kinetic Monte Carlo (kMC) simulations still represent a quite new area of research, with a rapidly growing number of publications. Broadly speaking, kMC can be applied to any system describable as a set of minima of a potential-energy surface, the evolution of which will then be regarded as hops from one minimum to a neighboring one. The hops in kMC are modeled as stochastic processes and the algorithms use random numbers to determine at which times the hops occur and to which neighboring minimum they go.
Sometimes this approach is also called dynamic MC or Stochastic Simulation Algorithm, in particular when it is applied to solving macroscopic rate equations.

This book has two objectives. First, it is a primer on the kMC method (predominantly using the lattice-gas model) and thus much of the book will also be useful for applications other than to surface reactions. Second, it is intended to teach the reader what can be learned from kMC simulations of surface reaction kinetics.

With these goals in mind, the present text is conceived as a self-contained introduction for students and non-specialist researchers alike who are interested in entering the field and learning about the topic from scratch.