含时密度泛函理论
密度泛函理论
E ij i | j ij 0 i, j
由此得到
(2.5)
h
j j
ij * ij
(q1 , { k }) j (q1 ) ij j (q1 )
1. Born-Oppenheimer 绝热近似
固体系统的总哈密顿量(无外场)为
H H e H N H e N
其中
(1.1)
2 2 1 e2 H e (r ) Te (r ) Ve (r ) ri 2 i j | ri r j | i 2m 2 1 H N ( R ) TN ( R ) V N ( R ) 2 V N ( Ri R j ) Rj 2 i j j 2M j H e N (r , R ) Ve N (ri R j )
HF
(2.16)
求和只对被电子占据的态进行。 ( r ) 是总电荷密度 (包括正在讨论的电子) , i
(r , r ) 与
自相互作用和泡利不相容原理引起的效应有关。后者与所考虑电子的位置 r 有关。显然
dr (r ) 1
如果 i 有被电子占据,则
(2.17)
忽略高阶小量 C nn ,原子核的运动方程为
(1.9)
(1.10)
T
总波函数为
N
T ( R ) E n ( R) C n ( R) n ( R) E n n ( R ) n (r , R) n ( R) n (r , R)
第一性原理与密度泛函理论 ppt课件
密度泛函理论
• 在密度泛函理论中,将电子密度作为描述体系状态的基本变量,可追 溯到Thomas和Fermi用简并的非均匀电子气来描述单个原子的多电子 结构。
• 直到Hohenberg和Kohn提出了两个基本定理才奠定了密度泛函理论的 基石。
• 随后Kohn和Sham的工作使密度泛函理论成为实际可行的理论方法。
这在很大程度上导致了密度泛函理论的产生。
密度泛函理论
• Hartree-Fock方法的主要缺陷
– 完全忽略电子关联作用 – 计算量偏大,随系统尺度4次方关系增长
• Density Functional Theory (DFT 1964)
一种用电子密度分布n(r)作为基本变量,研究多粒子 体系基态性质的新理论
密度泛函理论
密度泛函理论—物质电子结构的新理论
1. 氢原子
1)Bohr:
电子=粒子
2)Schrodinger: 电子=波 ψ(r) .
3)DFT:
电子是电子云的密度分布。 n(r).
密度泛函理论
3)DFT: 电子是电子云的密度分布。
2. DFT中的氢分子。 由密度分布表示。
密度泛函理论
3. 大分子(例如DNA) N个原子
20世纪初量子力学的出现,原则上提出 了像原子核和电子这样的微观粒子运动
和交互作用的定律。
理论上,给定一块固体化学成分(即所 含原子核的电荷和质量),我们就可以 计算这些固体的性质。因为一块固体实 际上是一个多粒子体系。决定这个体系 性质的波函数可以通过解薛定谔 (Schrödinger)波动方程来获得。
1998获奖诺贝尔化学奖
表彰Walter Kohn在60年代提出密度泛函理论及John A. Pople 发明了测验化学结构和物质特性的计算机技术
密度泛函理论
证明:设有另一个n’(r) ,粒子数与n(r) 相同为N. 则
E[n(r)] v(r)n(r)dr F[n(r)]
(,Vˆ) (, (Tˆ Uˆ )) (,Vˆ) (, (Tˆ Uˆ )) E[n(r)]
(4.14)
E[n(r)] E[n(r)]
要是相互作用电子体系的交换
关联能Exc[n]无法精确得到。为 了使DFT理论能够付诸实施, Kohn-Sham提出了局域密度近 似(Local Density Approximation, LDA)。
我们将在第五章详细介绍
LDA,本章只直接引用以便建
立Kohn-Sham方程。
Prof. L.J.Sham
1992
14
局域密度近似(LDA)
LDA: 对于缓变的n(r) 或/和高电子密度情况,可采用如下近似:
Exc[n] n(r) xc[n(r)]dr
(4.19)
xc[n(r)] 是交换关联能密度。它可以从均匀自由电子气的理 论结果得到。对于不同的r, 有不同的n(r) .相应的有
不同的 xc[n(r)]。
20
4.7 总能Etot表达式
2. 因此,DFT可以解决原子分子物理中的许多问 题,如
(1)电离势的计算, (2)振动谱研究, (3)化学反应问题, (4)生物分子的结构, (5)催化活性位置的特性等等。 3. 另一个重要优点是降低维数(Kohn的演讲) 5
W. Kohn-1
密度泛函理论- 物质电子结构的新理论
1。氢原子
1)Bohr: 电子=粒子 2)Schrodinger:
1 2
2
Veff
(r )
i (r) i i (r)
新型荧光探针光猝灭的光物理机制含时密度泛函理论计算
新型 荧 光探 针 光 猝灭 的光物 理 机 制含 时密 度泛 函理论 计 算
戴 玉梅 , 李福君 , 苗春超 ,胡晓钧
1 .沈 阳大学理学院 , 辽宁 沈阳 1 1 0 0 4 4 2 .沈 阳大学区域污染环境 生态修复教育部重点实验室 ,辽宁 沈 阳 1 1 0 0 4 4
*通 讯 联 系 人
e - ma i l :d a i y u me i 6 6 @1 2 6 . c o m
e - ma i l :h u - x j @ ma i l . t s i n g h u a . e d u . c n
第 5期
程。
S
光谱学 与光谱分 析
1 2 7 1
摘
要
3 一 羟基黄N ( 3 一 HF ) 是 二代 新型荧光分子探针的典 型代表 ,用高精度 的量子化学 计算方 法一密度泛
函理论 对 3 一 羟基 黄酮 的光物理 机制 进行研究 。计算 了 3 一 羟基黄 酮分子 在理想状 态下 的最优构 型 ,电荷布 居
和激发光谱 。 得到 3 一 羟基 黄酮荧光 的发射光谱 , 从 而分 析出 3 一 羟基黄酮分子 内质子转移 的光物理循环 图, 解 释其光 物理 机制 。 通过与实验值的对 比,计算 所得分子构型合理有效 , 激发光谱谱 峰位 置切合实 际。该工作
第3 3 卷, 第5 期 2 0 1 3年 5月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
S p e c t r o s c o p y a n d S p e c t r a l An a l y s i s
Vo 1 . 3 3 , No . 5 , p p 1 2 7 0 — 1 2 7 4 Ma y ,2 0 1 3
α-甲基-2-取代苯乙烯基苯并咪唑染料含时密度泛函理论研究
对 0 甲基.. 苯 乙烯基 苯 并咪唑 染料 系列进行 了几何构 c . 2取代
型全优 化 , 并采用舍 时密度 泛 函方 法 ( D D I 计 算 了分子 第一激发 态的 电子 跃迁 , 算所得 到的 最 T . F' ) 计 大吸 收波长 A 与 实验值 吻合得很 好 , 微观 上解 释 了苯环 上取代 基 C O C , C N( H ) , 在 H , H, 1O H , C 2 N, O 对分子 电荷 转移 , 前线轨道 能量和 电子 光谱 的影 响规律 。结论 关 键 采 用 P E P E 63 G,方法 可 B 1 B / —1 l c 以计 算并预 测苯 乙烯基 苯并咪唑 系列 染料 分子的几何构 型和 电子吸收光谱性质 。 词 :c 0 甲基 .. . 2 取代 苯 乙烯基苯 并咪 唑 染料 ; 时密度 泛 函理论 ( D D I ; 含 T — F' 电子 光谱 ; 线 ) 前 文献标 识码 : A 文章 编号 :0 02 4 2 0 )40 8 -5 10 —7 X( 0 7 0 -5 20 P E P E[ 和 由 B ce三 参 数 函数 [ 与 L P 形 B 1B “ ek Y[ 成 的杂化 D r法 B ce L P 简记 为 B L P 对 0 甲 F ek3 Y ( 3Y ) c 一
ห้องสมุดไป่ตู้
・
化 学 与化 学 工程 ・
.
甲基 .. 代 苯 乙烯 基 苯 并 咪 唑 染 料 2取 含 时 密 度 泛 函 理 论 研 究
张 象涵 王 兰 英 陈 沁 闻 , 高红 文振 翼 张祖 训 , , 翟 , ,
(. 1 西北大学 化学系 ;. 2 西北大学 现代物理研究所 , 陕西 西安 70 6 ) 10 9
量子力学泛函计算简介
量⼦⼒学泛函计算简介量⼦⼒学泛函计算纪岚森(青岛⼤学物理科学学院材料物理⼀班)摘要:⽂章叙述了密度泛函理论的发展,密度泛函理论以“寻找合适的交换相关为主线,从最初的局域密度近似,,从最初的局域密度近似、⼴义梯度近似到现在的⾮局域泛函、⾃相互作⽤修正,多种泛函形式的出现,是的密度泛函在⼤分⼦领域的计算越来越精确。
近年来密度泛函理论在含时理论与相对论⽅⾯发展也很迅速。
计算体系⽇臻成熟,⽽我所参加的创新实验⼩组就是以密度泛函研究⼤分⼦体系。
在量⼦⼒学泛函计算的产⽣,发展,理论,分⽀,前景等⽅⾯予以介绍,本着科学普及的态度希望⼤家能够更加进⼀步的理解泛函计算。
关键字:量⼦⼒学泛函计算,发展,理论分⽀,前景,科普1引⾔:随着量⼦理论的建⽴和计算机技术的发展,⼈们希望能够借助计算机对微观体系的量⼦⼒学⽅程进⾏数值求解【3】,然⽽量⼦⼒学的基本⽅程———Schirdinger ⽅程的求解是极其复杂的。
克服这种复杂性的⼀个理论飞跃是电⼦密度泛函理论(DFT)的确⽴电⼦密度泛函理论是上个世纪60 年代在Thomas-Fermi 理论的基础上发展起来的量⼦理论。
与传统的量⼦理论向悖,密度泛函理论通过离⼦密度衡量体系的状态,由于离⼦密度只是空间的函数,这样是就使得解决三维波函数⽅程转化为解决三维密度问题,使得在数学计算上简单了很多,对于定态Schirdinger ⽅程,我们只能解决三维氢原⼦,对于更加复杂的问题,我们便⽆法进⾏更为精确的计算,⽽且近似⽅法也⽆法是我们得到更为精确的结果。
但是密度泛函却在这⽅⾯⽐较先进,是的⼤分⼦计算成为可能。
【2】2.过程:第⼀性原理,密度泛函是⼀宗量⼦⼒学重头计算的计算⽅法,热播呢V啊基于密度泛函的理论计算成为第⼀性原理——first-principles。
经过⼏⼗年的发展密度泛函理论被⼴泛的应⽤于材料,物理,化学和⽣物等科学中,Kohn也由于其对密度泛函理论的不可磨灭的先驱性贡献获得了诺贝尔化学奖。
第二章 密度泛函理论
第二章 密度矩阵2.1 量子态和Dirac 符号的描述在本章中,基本量子力学的概念和公式都是广义上的,这就允许我们用变量代替坐标系来描述一个状态,也为我们讨论不能用波函数描述的状态做了准备,更为我们正式考虑多粒子体系而不单是粒子数是固定的准备了方法。
考虑到电子的特性和我们只考虑到了最多只涉及到两个粒子之间的相互作用的方程和系统这样一个事实,我们运用到三种工具进行分析,即:Dirac 符号,密度算符,密度矩阵。
我们从单粒子系统的量子态开始谈论。
第一章中我们用坐标空间(暂时忽略自旋) 中的波函数来描述这样的量子态,也可用动量空间中的r ϕ()的傅里叶变换的波函数来表示。
加上量子叠加原理,我们可以构造出更加广义的抽象形式的量子力学。
因此,与每一个态矢量|ψ>相联系的线性矢量空间H ,称为希尔伯特空间。
希尔伯特空间的线性定义了叠加原理:两个态矢量的线性叠加1122||c c ψψ>+>仍然是同一个希尔伯特空间的一个态矢量,并且对应真实存在的物理态。
正如在三维坐标空间中一个矢量可以由它在特定的坐标系中的三个分量来定义,态|ψ>也可由它在特定表示中的分量来具体表示,不同之处是希尔伯特空间的维数是无限的。
对所有态一一对应的空间中,存在一个包含左失ϕ的对偶空间,对任意的左失Φ和态|ψ〉,内积|ψ〈Φ〉定义为:i ii|ψψ*〈Φ〉=Φ∑ (2.1.1) 这种情况下,|〈Φ和|ψ〉都是用离散值i*Φ和i ψ来表示的,如果它的表示是连续的,我们就用积分来代替求和,例如:|=r r dr ψψ*〈Φ〉Φ⎰()() (2.1.2)其中积分等于不同r 的所有分量的积的和。
因此,一个态和左失的内积是复数并且满足:|=|ψψ*〈Φ〉〈Φ〉 (2.1.3)如果: |=1ψψ〈〉 (2.1.4) 我们称|ψ〉和|ψ〈归一化,左失|ψ〈说成是态|ψ〉的共轭。
考虑一组完全基{|}i f 〉(例如某个哈密顿量的本征态),满足正交条件:|i j ij f f δ〈〉= (2.1.5)任意一个态|ψ〉都可以用一个完全基来展开:i i i||f ψψ〉=〉∑ (2.1.6)计算左失|j f 〈和态|ψ〉的内积,我们会发现态|ψ〉的第j 个分量可以写为:|j j f ψψ=〈〉 (2.1.7)这个结果我们在(2.1.5)式中已经运用到了。
密度泛函理论及其数值方法新进展
Recent Progress in Density Functional Theory and Its Numerical Methods
计 。于是 Becke 提出一个简单的包括精确交换的交
换相关能形式
Exc
=
1 2
( Ex
+
ULSDA xc
)
(2)
Becke 的交换相关能形式[5 ,6] 并没有得到广泛的运
用 ,但他的这种杂化思想被用于构造著名的 B3L YP
泛函 。B3L YP 泛函虽然没有正式发表 ,但是因为包
含在著名的量子化学软件 Gaussian 中而在分子体系
收稿 : 2004 年 5 月 , 收修改稿 : 2004 年 9 月 3 国家重点基础研究发展计划项目 ( G1999075305) 、国家杰出青年基金 (No. 20025309) 、国家自然科学基金创新研究群体项目
(No. 50121202) 资助 3 3 通讯联系人 e2mail :jlyang @ustc. edu. cn
提高交换相关近似的质量 。扩展系统中的电子屏蔽
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
·194 ·
化 学 进 展
第 17 卷
密度泛函理论及其数值方法新进展 3
李震宇 贺 伟 杨金龙 3 3
(中国科学技术大学选键化学重点实验室 合肥 230026)
密度泛函理论介绍
V
2/3
电子密度 N N
V V
E
3 5
N
F
3 10
3 2
2/3
2
m
5/3V
CF 5/3V
能量为广延量,总动能对整个空间积分
5/3
TTF E CF (r ) dr
密度泛函理论和局域密度近似
受到处理含多电子问题的Thomas-Fermi方法的启发,
E2 1 Hˆ 2 1 E1 v1(r ) v2 (r )n(r )dr
(51)
(50、51)得到矛盾的结果:
E1+E2 E1+E2
(52)
表明当 v2(r) v1(r)+常数时,假定有相同的 n(r)是错误 的。
在绝热近似下,原子核的位置决定了电子系统的基态。 在电子哈密顿量 Hˆ 中,电子动能项 Tˆ 和电子-电子相互 作用项 Vee 都是由外势 V决定的。一旦外势确定了,其 他所有的量都将确定,包括电子密度,进而给出基态 总能量。
能。
Exc n(r ) Tn(r )-T0 n(r )+Vee n(r )-VH n(r ) (56)
式中VH n(r ) 项是哈特里近似中的经典库仑能项,由
(55)等式右边第三项给出。
Exc n(r ) Tn(r )-T0 n(r )+Vee n(r )-VH n(r ) (56)
计算:
N
2
T0
n(r )
i 1
KS i
(r
)
2m
i2
KS i
(
r
密度泛函理论 DFT
一、 计算方法 密度泛函理论(DFT )、含时密度泛函理论(TDDFT )二、 计算方法原理1. 计算方法出处及原理本计算方法设计来源于量子化学理论中的Born –Oppenheimer 近似,给近似下认为原子核不动, 这样电子就相当于在一个由核产生的外部的静态势场 V 中运动。
那么一个固定的电子态可以用波函数 Ψ(1r v , · · · ,N r v ), 并且满足多 N 电子体系薛定谔方程: ()()22ˆˆˆˆ,2N N N i i j i i i i j H T V U V r U r r E m <⎡⎤⎡⎤ψ=++ψ=-∇++ψ=ψ⎢⎥⎣⎦⎣⎦∑∑∑v v v h (2-3) 其中,● ?, 哈密顿算符;● E , 体系总能量;● ˆT, 动能项; ● ˆV, 由带正电的原子核引起的外场势能项; ● ?, 电子电子相互作用能。
通常把 ˆT和 ? 叫做通用算符, 因为对于任何一个 N 电子体系, 表达式都相同.而势能函数 ˆV与体系密切相关。
由于电子相互作用项 ? 的存在, 复杂的多体系的薛定谔方程公式 2-3并不能拆分为简单的单电子体系的薛定谔方程。
根据 DFT 的核心理念, 对于一个归一化的波函数 Ψ, 电子的密度 n(rv ) 可以定义为: 333*231212()(,,)(,,)N N N n r N d r d r d r r r r r r r =⋅⋅⋅ψ⋅⋅⋅ψ⋅⋅⋅⎰⎰⎰v v v v v v v (2-4)更重要的是, DFT 的核心理念告诉我们, 对于一个给定的基态, 如果基态的电子密度0()n r v 是知道的话, 那么基态的波函数012(,,)N r r r ψ⋅⋅⋅v v v 就唯一确定。
也就是说, 基态的波函数0ψ是基态电子密度0n 的泛函[11], 表达为:[]00n ψ=ψ (2-5)既然有以上的假定, 那么对于基态的任何一个观测量ˆO , 它的数学期望就应该是0n 的泛函:[][][]000ˆO n n O n =ψψ (2-6) 特别的, 基态的能量也是0n 的泛函:[][][]0000ˆˆˆE E n n T V U n ==ψ++ψ (2-7) 这里外部势能的贡献[][]00ˆn V n ψψ可以通过基态的电子密度0n 来精确表达: 300[]()()V n V r n r d r =⎰v v (2-8) 或者外部势能ˆVψψ可以用电子密度 n 来表达: 30[]()()V n V r n r d r =⎰v v (2-9)泛函 T [n ] 和 U [n ] 被称作通用泛函, 而势能泛函 V [n ] 被称做非通用泛函, 因为它与当前研究的系统息息相关。
论量子化学计算中的密度泛函理论
论量子化学计算中的密度泛函理论摘要:本文简要介绍了密度泛函理论的基本理论,同时着重介绍了相对论含时密度泛函理论及其在相关计算方面的应用。
关键词:密度泛函理论弱作用体系强相关体系1引言随着量子理论的建立和计算机技术的发展,人们希望能够借助计算机对微观体系的量子力学方程进行数值求解,然而量子力学的基本方程———Schrdinger 方程的求解是极其复杂的。
克服这种复杂性的一个理论飞跃是电子密度泛函理论(DFT)的确立[1 ,2 ]。
电子密度泛函理论是上个世纪60年代在Thomas-Fermi理论的基础上发展起来的量子理论的一种表述方式。
传统的量子理论将波函数作为体系的基本物理量,而密度泛函理论则通过粒子密度来描述体系基态的物理性质,这使得密度泛函理论将3N维波函数问题简化为3维粒子密度问题,十分简单直观。
另外,粒子密度通常是可以通过实验直接观测的物理量。
粒子密度的这些优良特性,使得密度泛函理论具有诱人的应用前景。
经过几十年的发展,密度泛函理论体系及其数值实现方法都有了很大的发展, 这使得密度泛函理论被广泛地应用在化学、物理、材料和生物等学科中, Kohn也因为他对密度泛函理论的贡献获得1998年的诺贝尔化学奖[3]。
下面,我们将在本文中对密度泛函理论基本理论和它越来越广泛的应用作一个简单的回顾:首先介绍密度泛函理论的基本原理,最后用一些实例说明密度泛函理论的广泛应用。
2密度泛函理论的基本原理现代密度泛函理论的建立,提出了电子体系的物理性质,完全可以由体系基态的电子密度决定,而电子密度的定义是这样的:ρ(r1) = N |ψ(r1, r2, · · · , rN)|2dr2, · · · , rN(2-1) 其物理意义是在r1点找到电子的总几率密度(不管其它电子在何处)。
很明显,电子密度ρ(r1)仅仅是一个三维坐标的函数,其复杂度远远小于电子的多体波函数。
密度泛函理论
密度泛函理论及基本应用凝聚态物理陈阿海2010210602摘要:本文讨论了密度泛函理论的基本原理和方法,并讨论了玻色子系统中处于谐振子势以及高斯形势垒下的两粒子问题。
随着成对的高斯势垒分别向两边移动,粒子数分布由原来被高斯势垒劈裂的两个峰过度到单个峰。
关键词:密度泛函理论,玻色子,谐振势,高斯势垒Abstract: The basic method of density functional theory is discussed as well as a case of two bosons trapped in a harmonic external potential with Gaussian potential barrier. With the move of a pair of Gaussian potential barrier to the two edges respectively, the distribution of atoms changed gradually from the two peaks divided by the Gaussian potential barrier in the centre of the system at first to single peak again.Key words: density functional theory, boson, harmonic external potential, Gaussian potential barrier一、引言密度泛函理论(density functional theory,DFT)是当前研究量子多体系统的重要理论之一,在物理与化学领域均有广泛的应用。
DFT的基本出发点是将量子多体系统的性质全部表达为密度的泛函,从而达到简化系统的目的。
密度泛函理论的基本概念最早起源于十九世纪二十年代的Thomas-Fermi模型(TF)[1][2],但其真正意义上的理论开始于六十年代Hohenberg与Kohn的研究,其在1964年发表的著名论文[3]奠定了密度泛函理论的基础。
含时密度泛函
含时密度泛函含时密度泛函(TimeDensityFunctionalTheory,TDDFT)是一种基于密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)的时间域计算方法,可以解决物理系统激发态能量水平的问题。
TDDFT可以用来在相对较低的计算成本下,快速准确地求解物理系统中激发态能量水平。
首先,让我们从原子和分子物理中的激发态理论开始。
在原子和分子物理学中,很多情况下,我们会发现系统的激发态具有更高的能量,而基态的能量却较低。
激发态的存在意味着,以一种更低的能量状态存在的原子或分子,可以分子激发到更高的能量状态。
但是,由于原子和分子的激发态总是非常多,因此激发态的理论和计算工作一直是很棘手的。
另一方面,DFT是一种统一的理论框架,可以用来描述原子和分子的几何和能量状态,但是它的局限性在于,它只能预测基态的能量,而不能预测激发态的能量。
为了解决这个问题,就有了TDDFT的发展。
TDDFT的主要思想是,把DFT的本征态解的原则,扩展到时域,从而可以用来求解短暂时间内(几个离子周期)物理系统的激发态能量水平。
TDDFT建立在DFT理论的基础上,它通过引入一个新的变量电子密度的时间变化,从而为量子力学中激发态的研究提供了一种新的方法。
TDDFT建立在几个基本原理上:第一,电子-核相互作用是一种局部可调的势能;第二,电子在时间空间中的运动可以用相对较少的参数来描述;第三,在一定条件下,电子的态密度是一个时间不变的量。
TDDFT的实现需要以下几个关键步骤:第一,建立泛函,以描述电子-核相互作用;第二,将电子的运动轨迹离散化,以便计算电子的态密度;第三,建立一个相应的时间密度泛函,以描述电子的时间变化;最后,用该时间密度泛函解算出激发态能量水平。
TDDFT有许多优点,其中最显著的是,在解决激发态能量水平问题时,可以节省很多计算成本,比静态DFT方法节省很多时间。
另外,与基于求解Schrdinger方程的他方法相比,TDDFT的计算步骤更简单,可以节省更多计算成本。
密度泛函理论
立方 cubic a=b=c; α=β=γ=90o
注 表中的≠表示不需要等于。
根据电子能带理论, 靠近导带底的杂质能级属于n型掺杂, 而靠近价带顶的杂质能级属于p型掺杂.
价带上的电子可以吸收光子跃迁到杂质能级上, 也可以使杂质能级上的电子吸收光子跃迁到导带上, 由于杂质能级处于禁带之中, 可以吸收长波光子, 这是TiO2吸收光谱红移的原因.
单层MoS2的晶格常数为a = b = 3.12Å,Mo与S之间形成共价键的键长为2.411Å,S-Mo-S之间形成的较大的键角为80.94°,较小的键角为46.21°,这些结果与H. S. S. Ramakrishna Matte等人的研究结果非常相近。
能级结构
能层:
1s2s2p 3s3p 4s3d 4p 5s4d 5p 6s4f 5d 6p7s5f 6d 7p
3、态密度(Density of States,简称DOS)。
电荷密度图
电荷密度图是以图的形式出现在文章中,非常直观,因此对于一般的入门级研究人员来讲不会有任何的疑问。唯一需要注意的就是这种分析的种种衍生形式,比如差分电荷密图(deformation charge density)和二次差分图(difference charge density)等等,加自旋极化的工作还可能有自旋极化电荷密度图(spin-polarized charge density)。所谓“差分”是指原子组成体系(团簇)之后电荷的重新分布,“二次”是指同一个体系化学成分或者几何构型改变之后电荷的重新分布,因此通过这种差分图可以很直观地看出体系中个原子的成键情况。通过电荷聚集(accumulation)/损失(depletion)的具体空间分布,看成键的极性强弱;通过某格点附近的电荷分布形状判断成键的轨道(这个主要是对d轨道的分析)。
第三章密度泛函理论3.3
第三章-密度泛函理论3.33.3几种典型晶体的结合分散的原子相互结合成晶体的根本原因在于这些原子结合起来后整个系统具有更低的能量。
在结合过程中,有一定的能量W 释放出来,称为晶体的结合能。
如果以分散的原子作为计量相互作用势能的零点,则 -W 就是结合成晶体后系统的相互作用势能。
各种不同的晶体,其结合力的类型和大小是不同的。
但是在任何晶体中,两个原子之间的相互作用力或相互作用势与它们之间距离的关系在定性上是相同的。
晶体中原子的相互作用可以分为两大类,即吸引作用和排斥作用。
吸引作用是异性电荷之间的库仑引力,排斥作用是由于同性电荷之间的库仑斥力和泡利原理引起的排斥。
在某一适当的距离,两种力平衡,晶格处于稳定状态。
两个原子的相互作用势能通常可以用幂函数描述:()n m r B r A r u +-= (3.3.1) 此处r 为两个原子之间的距离,A, B, m, n 皆为大于零的常数,第一项表示吸引能,第二项表示排斥能。
由势能u (r )可以计算相互作用力:()()drr du r f -= (3.3.2)图3.3.1 两个原子之间的相互作用力或相互作用势与它们之间距离的关系相互作用力为零时晶格最稳定,由此可以决定原子之间的平衡距离r 0:()00=⎪⎭⎫ ⎝⎛r dr r du (3.3.3) 内能是晶体体积的函数,设开始原子相距很远,逐渐被压缩相互靠近,体积逐渐缩小,系统的相互作用势能U 逐渐下降,体积缩小到一定程度时,相互作用势能达到极小值。
这时如果再压缩系统,排斥的作用转变为主要的,相互作用势能将上升。
根据功能原理,系统温度不变时外界作功p (-dV )等于相互作用势能的增加dU :dVdU p -= (3.3.4)在一般情况下,晶体受到的仅是大气压力p 0,由于数量级为大气压的压力对一般固体体积的影响很小,因此可以近似看作零。
由上式得:00≈=-p dVdU (3.3.5) 这个关系确定了平衡晶体的体积。
密度泛函理论
得
库仑势即可按下式展开
2 电荷密度多极展开措施 (1)
将(1)式和
1 r r'
旳Laplace展开式代入,化简得
总库仑势为
七、近代密度泛函旳显体现式
1 局域密度近似LDA
将密度泛函理论旳K-S措施用于实际计算,必须懂得 或
与 旳泛函关系。这是密度泛函理论旳关键问题,对于一般体
1978年Peukert首先得到含时K-S方程,1984年Runge和Gross 基于含时薛定谔方程,严格导出含时密度泛函理论(TD-DFT)
含时K-S方程
近来单旳近似是绝热局域密度近似(ALDA或TDLDA)
含时密度泛函,都要要求懂得不处于基态时旳互换-有关问题,所以 诸多人致力于致力于这方面旳研究,其中TD-DFT响应理论比较广泛 ,其对低激发态具有很好旳计算构造,误差在0.1-1.0eV。但对高激 发态误差比较大。所以还需进一步旳工作。
无相互作用动能
则 即得Kohn-Sham方程
式中
有效势 称为互换有关势
五、某些化学概念旳明拟定义
1 电负性 1934年Mulliken根据下列推理定义电负性 设有B和D两原子,原子旳第一电离势为I 第一电子亲和能为A
这只是根据某些试验成果归纳出来旳,没有严格定量旳理论论证。
1978年Parr等从密度泛函理论出发定义电负性 (1)
根据K-S措施,设自旋轨道函数基组 {i , , } 满足条件
其中
SDFT.
相对论性密度泛函理论
在重元素原子核紧邻区域电子运动速度不高,相对论效应很明显 。化学变化是与价电子相联络旳,价电子旳运动速度并不高,因 此相对论量子力学旳奠基人Dirac以为在考虑原子和分子旳构造以及 一般化学反应时相对论效应并不主要,这一观点被普遍接受长达四 十年。在20世纪70年代前后,人们发觉这一认识具有片面性,相对 论效应对重元素化合物旳性质具有明显影响。
ehrenfest动力学
ehrenfest动力学
Ehrenfest动力学是一种处理原子核和电子耦合的量子动力学理论。
该理论中,原子核使用经典近似,而电子结构的时间演化问题则采用第一性原理处理,即含时密度泛函理论(rt-TDDFT)。
在原子轨道基组中实现含时密度泛函理论计算(TDAP)时,需要考虑交叠矩阵和哈密顿量的处理。
对于电子演化的计算,常用Crank-Nicholson近似。
原子核的动力学是基于Ehrenfest动力学,原子核在电子态的平均势能面中运动。
为了解决Ehrenfest动力学忽略原子核量子效应的问题,研究人员发展了将路径积分处理核量子效应和含时密度泛函理论相结合的方法(RP-TDAP)。
该方法将每一个原子核视为一个有n个珠子的聚合体,每个珠子通过弹簧相连接,弹簧的劲度系数和温度的平方成正比,以此描述量子体系,珠子的运动遵循动力学方程。
电子部分的演化则使用含时密度泛函理论处理。
总之,Ehrenfest动力学在描述量子体系的运动方面具有重要作用,为深入研究量子体系提供了理论支持。
密度泛函理论ppt课件
虽然证明了电子密度和基态能量的一一对应关系是存在的,但是两者之间的泛函形 式未知。各种 DFT 的目的就是从不同的简化物理图象出发,给出近似的泛函形式。
E [ρ] = T [ρ] + Ene [ρ] + J [ρ] + K [ρ] Ene [ρ] (核子-电子势能)和 J [ρ] (库仑积分)已知,T [ρ](动能)和 K [ρ](交换积 分)未知。
方法:一般的做法是根据原子间相互作用的物理特性,预先设定一个有待定参数的 二体或多体的相互作用的经验势的函数形式,然后根据第一性计算的数据或 实验结果拟合经验势的参数。
误差:因为描述体系的自由度被大大减少,全原子模型不可能重建系统的所有性 质。拟合参数时,往往选择一组最关心的物理性质进行拟合,以求误差尽 量小,而放松对其它性质的要求。所以要根据待研究的物理问题适当选取 全原子模型。
N i
i
2
2
4
Perdew and Wang (PW91)
PW91
x
LDA x
xa1 sinh1 xa2 1 xa1 sinh1
a3 xa2
a4ebx2 a5x2
x2
x
4/3
关联项
Arrhenius Law:宏观化学反应速率,G是 TS 和反应物之间的吉布斯自由能差值。
k
kBT h
exp
G RT
h 是Planck 常数,kB 是Boltzmann 常数。 R 是气体常数,T 是温度。
化学反应平衡常数:
Keq
exp
硫化锌量子点光谱与电子性质的含时密度泛函理论研究
硫化锌量子点光谱与电子性质的含时密度泛函理论研究作者:白宝伟楚合营刘朝霞等来源:《南华大学学报·自然科学版》2013年第02期【摘要】采用含时密度泛函理论对ZnnSn(1≤n≤16)量子点的吸收光谱,能隙(HOMO-LUMO)及电子性质进行了模拟分析。
结果表明,随着ZnnSn(1≤n≤16)量子点尺寸的增大,量子点的吸收光谱逐渐红移,表现出较强的量子尺寸效应。
量子点ZnnSn(3≤n≤16)的吸收峰主要集中在可见光区。
量子点的对称性越高,量子点的吸收峰越集中。
【关键词】硫化锌;量子点;含时密度泛函理论1 引言Ⅱ-Ⅵ族半导体材料由于具有独特的物理、化学性质,一直深受研究人员的关注[1-5]. 例如ZnO、ZnS、CdS、CdSe等都是直接带隙半导体,其能隙覆盖了整个可见光范围,因而是一类具有广泛应用前景的重要光敏材料. 随Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点实验研究的不断深入,Ⅱ-Ⅵ族半导体材料的理论研究也越来越受到科学家的重视,特别是对Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点的理论研究. ZnS 是一种Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,属于直接带隙,光电性能良好,应用前景广泛。
对ZnnSn半导体量子点进行研究,有助于人们对ZnS晶粒及薄膜的光学以及电子性质的研究。
但是,由于量子点的电子性质对量子点的结构比较敏感,同时随着原子个数的增加,量子点的初始结构逐渐增多,计算工作量也越来越大,因此给较大ZnnSn半导体量子点的理论研究带来了极大的挑战。
据我们了解,相对其它Ⅱ-Ⅵ族半导体材料而言,对ZnS半导体材料的研究文献报道还比较少。
例如,CHEN Hongxia等人[1]利用密度泛函理论研究了ZnS量子点的结构及其稳定性。
张欣等人[2]研究了(ZnS)6-12量子点的三阶非线性光学性质。
M. Claudia Troparevsky等人[3]研究了CdnXn (X=S,Se; n=2 - 8)小团簇的结构及电子性质。
通过查阅文献发现,关于ZnS量子点的研究很少。
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which are the features of finite versus infinite systems, and of absorption versus energy loss spectra, that determine such different behaviors. As we will discuss in this paper, two key points for understanding this question are (i) the fact that states are localized in small molecules, whereas electrons are described as extended Bloch states in a solid, and (ii) the relative importance of long-range effects in a solid, compared to a finite system. Some discussion, especially of point (ii), has already been made in the literature (see e.g. Ref. 5). Here we analyze these questions more in detail. Starting from existing results, we add analytical and numerical calculations that show how the Coulomb interaction governs the transition between finite and infinite systems, and between absorption and energy loss spectra, as well as the transition between RPA and an improved TDDFT formalism. As a byproduct of our model calculations, we suggest a way to speed up the calculation of absorption spectra of molecules in the supercell scheme. We then give a series of examples of realistic systems, where the observed phenomena illustrate our discussions. In order to stress the classical origin of much of the effects, we compare to the outcome of effective medium theory, where appropriate. The paper is organized as follows. In Section II we present the theoretical framework, adopting a formulation that puts absorption and loss functions on the same footing. These spectra are compared, and their behavior as a function of the distance between the objects composing the system is discussed analytically. We also give a brief reminder of effective medium theory. Section III gives numerical results for model systems, in particular a model of interacting or non-interacting beryllium atoms. In Section IV we present results of ab initio calculations for realistic systems: solids, superlattices, nanotubes, quantum wires, and clusters. Finally, we end the paper with conclusions and perspectives. Unless otherwise indicated, we will use a compact notation for matrix products (namely in real space, vχ ≡ dr v (r1 − r )χ(r , r2 , ω ) and similarly in reciprocal-space), and atomic units throughout the paper (i.e. e2 = h ¯ = me = 1).
TDDFT from molecules to solids: the role of long-range interactions
Francesco Sottile,1 Fabien Bruneval,1 A. G. Marinopoulos,
1 1
Louise Dash,
Silvana Botti,1 Valerio Olevano,1 Nathalie Vast,1 Angel Rubio,1,2 and Lucia Reining1 1) Laboratoire des Solides Irradi´ es, CNRS-CEA, ´ Ecole Polytechnique F–91128 Palaiseau, France 2) Departamento de F´ ısica de Materiales, Facultad de Ciencias Qu´ ımicas, Universidad del Pais Vasco, Centro Mixto CSIC-UPV/EHU and Donostia International Physics Center. E–20018 San Sebasti´ an/Donostia, Basque Country, Spain
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Байду номын сангаас.
INTRODUCTION
For the past decades we have witnessed a steady increase of the use of density functional theory [1] (DFT). This holds not only for extended and relatively homogeneous systems, for which the initial, simplest approximations like the local density approximation (LDA) were originally designed. DFT is today also widely and successfully used to calculate ground state properties of inhomogeneous systems and finite structures, like atoms or molecules, even maintaining the approximations on a relatively simple level. Concerning electronic excitations, the situation has evolved differently. DFT is in fact a static ground state theory, and the eigenvalues of the corresponding Kohn-Sham (KS) equation, or eigenvalue differences, are not meant to represent electron addition or removal energies, or transition energies, even when one disregards the fact that approximations have to be made. For finite systems, this difficulty can in part be overcome by calculating total energy differences in a so-called ∆-SelfConsistent-Field (∆-SCF) scheme [2]. However, the range of application of these schemes is limited. The problem can conceptually be solved by generalizing DFT to a time-dependent theory [3] (TDDFT). Now, the time-dependent KS potential can describe the response of the system to a time-dependent (as opposed to a static, as in DFT) local potential: this is the response measured in many spectroscopies creating electronic excitations, like absorption. First applications of TDDFT concerned finite systems [4], and were performed in the adiabatic local density approximation (TDLDA), with encouraging results. In the meantime, a large number of TDLDA calculations have been performed for atoms, molecules and clusters (see Ref. 5 and references therein). Although the TDLDA shows shortcomings (e.g., it does not capture Rydberg series), it is able to describe a large class of finite systems, and systematically improves results with respect to the Random Phase Approximation [6] (RPA), where exchange and correlation (xc) effects in the response are neglected. However, this statement is not true for extended systems. In fact, it has been found for simple semiconductors and insulators that absorption spectra calculated in TDLDA are in general very close to RPA ones, and result hence in significant disagreement with experiment. It is interesting to add that the same is not true for electron energy loss spectra, that are often in reasonable agreement with experiment even on the RPA or TDLDA level. In view of what discussed above, in order to obtain a deeper understanding, and to eventually improve the existing approximations for TDDFT, it is important to elucidate