第一性原理计算原理和方法精编
第一性原理计算方法在材料科学中的应用
第一性原理计算方法在材料科学中的应用引言:材料科学作为一门跨学科的科学领域,旨在研究材料的性质、结构和性能,以及如何利用这些知识来设计和开发新材料。
而第一性原理计算方法作为一种基于量子力学原理的计算方法,广泛应用于材料科学领域。
本文将介绍第一性原理计算方法在材料科学中的应用,并展示其在材料设计、材料性质预测和材料性能优化等方面的重要性。
一、第一性原理计算方法的基本原理和流程第一性原理计算方法是一种从基本原理出发,仅通过定解问题的边界条件和基本的数学和物理方法,而独立地、直接地得到材料性质的计算方法。
其基本原理是基于薛定谔方程和密度泛函理论,通过求解电子结构和物理性质的基态,来推导和预测材料的性质。
第一性原理计算方法的流程一般包括以下几个步骤:首先,选择适当的计算模型和晶格结构;其次,通过数值方法求解薛定谔方程,得到材料的基态电子密度和能带结构等信息;然后,使用密度泛函理论来计算其他性质,如结构、力学性质、磁性和光学性质等;最后,通过与实验结果对比来验证计算结果的准确性。
二、第一性原理计算方法在材料设计中的应用1. 材料发现和材料库筛选:传统的材料设计通常依赖于试错和实验结果验证的循环迭代,耗费时间和资源。
而第一性原理计算方法能够预测新材料的物理性质,从而加速材料发现过程。
通过计算不同元素和组分的合金化合物,材料科学家可以预测材料的强度、硬度、导电性等重要性能,并筛选出具有潜在应用前景的材料。
2. 材料结构和缺陷研究:材料的结构与其性质密切相关。
通过第一性原理计算方法,可以精确地预测材料的晶体结构、晶格常数、晶粒大小等参数,并探索材料可能存在的结构缺陷和缺陷效应对性能的影响。
这有助于优化材料的结构设计,提高其性能和稳定性。
3. 电子结构和能带计算:材料的电子结构和能带结构对于理解材料的导电性、磁性、光学性质等具有重要意义。
通过第一性原理计算方法,可以准确地计算材料的能带结构、电子态密度分布和费米能级等参数,从而预测材料的导电性、磁性和光学性能。
第一性原理计算方法
1 (2) 1 g (2)(2)
哈密顿算符: •每个电子的动能算符; •两个电子与两个原子核之间由于库仑作用 •两个电子之间的排斥作用
1 2 1 2 Z A ZB Z A ZB 1 H 1 2 2 2 r1A r1B r2 A r2 B r12
1 1 2 1 2 ZA ZB ZA ZB 1 E d 1d 2 [ 1 (1) 2 (2) 2 (1) 1 (2)][ 1 2 ] 2 2 2 r1A r1B r2 A r2 B r12 [ 1 (1) 2 (2) 2 (1) 1 (2)]
•交换电子的时候,-1s(1)1s(2)等于1s(2)1s(1)
第一激发态,一个电子被激发到2s轨道
1s(1)2s(2)
1s(2)2s(1) •函数不满足不可区分原则
线性组合
1 [1s(1)2s(2) 1s(2)2s(1)] 2
1 [1s(1)2s(2) 1s(2)2s(1)] 2
1s(1)1s(2)
{H1 H 2} ( r1, r2) E ( r1, r2)
波函数可以写为两个单电子波函数乘积的形式,
(r1, r2) 1( r1) 2(r2) E (r1, r2)
H1 H 21(r1) 2(r2) E1(r1) 2(r2)
两边乘以12,对整个空间积分有
4 分子轨道计算
4.1 氢原子:从波函数中计算能量 分子自旋轨道可以表达为原子轨道的线性组合。(LCAO)
i
c
1i i
k
为了解决分子轨道计算困难,把分子轨道按某个选定的安全基函数集 合(基组)展开。这样就可以把对分子轨道的变分转化为对展开系数 的变分。Hartree-Fock方程就从一组非线性的积分——微分方程转化为 一组数目有限的代数方程——Hartree-Fock-Roothaan 方程。这组方程 仍然是非线性方程,只能用迭代方法求解,但是比微分方程的求解简 单了。这是一种近似逼近方法。把在选定的有限基组下满足HartreeFock-Roothaan方程的解称为自洽场分子轨道。自洽场分子轨道的极限 精确值就是Hartree-Fock轨道。将分子轨道表达为原子轨道线性组合的 方法称为LCAO-MO方法。 H2低能状态简单的LCAO
材料力学性质的第一性原理计算研究
材料力学性质的第一性原理计算研究第一性原理计算是现代材料科学研究中重要的工具之一。
通过基于量子力学的第一性原理计算方法,可以预测材料的各种性质。
在材料科学的发展中,探索并理解材料的力学性质一直是一个关键问题。
本文将以第一性原理计算为基础,深入研究材料力学性质的预测和分析。
首先,我们来了解一下第一性原理计算的基本原理。
第一性原理计算方法是基于薛定谔方程和密度泛函理论的计算方法,能够计算出材料的电子结构、能带结构、晶格常数等基本性质。
在这个基础上,可以进一步计算材料的弹性性质、断裂强度、塑性形变等力学性质。
通过计算材料的原子结构和晶体缺陷,可以预测力学性能的变化规律,为材料设计和优化提供理论指导。
接下来,我们将通过具体的案例来说明第一性原理计算在材料力学性质研究中的应用。
以金属材料为例,我们可以通过第一性原理计算方法研究材料的弹性性质。
首先,需要计算金属的晶体结构和原子排列。
然后,通过计算材料的局部应变和应力,可以得到金属的弹性常数。
这些弹性常数包括剪切模量、杨氏模量等,可以描述金属在外力作用下的变形特性。
另外,我们还可以通过第一性原理计算来研究材料的断裂性质。
断裂是材料损伤和失效的重要原因之一。
通过计算材料的断裂表面能量和断裂韧性等参数,可以预测材料的断裂强度和断裂模式。
这对于材料的设计和改良具有重要的指导意义。
例如,在薄膜材料领域,第一性原理计算可以用来研究薄膜的断裂行为,为薄膜的应用和制备提供理论依据。
除了弹性性质和断裂性质,第一性原理计算还可以用于研究材料的塑性形变和变形机制。
材料的塑性形变是材料经历应力后产生永久形变的过程。
通过计算材料中的晶体缺陷如位错和空位,可以模拟材料的塑性变形。
通过分析位错的运动和材料的能量变化,可以揭示材料塑性形变和变形机制的微观本质。
这对于提高材料的塑性变形能力和改善材料的塑性加工性能具有重要意义。
最后,我们可以看到第一性原理计算在研究材料力学性质中的潜力和应用前景。
第一性原理计算流程与原理公式
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第一性原理计算的基本原理
第一性原理计算的基本原理引言第一性原理计算是一种基于量子力学和原子核运动的计算方法,被广泛应用于材料科学、化学、物理学等领域。
它通过解决薛定谔方程来预测和解释物质的性质和行为,具有高度的准确性和预测能力。
本文将介绍第一性原理计算的基本原理和关键概念,并探讨其在不同领域中的应用。
基本原理第一性原理计算的基本原理可以概括为以下几个方面:多体问题和薛定谔方程物质的性质和行为可以通过原子和分子的相互作用来描述,其中相互作用的力可以用薛定谔方程表示。
薛定谔方程是一个描述量子体系演化的微分方程,它包含了物体的波函数和哈密顿算符。
通过求解薛定谔方程,可以得到物质的能量、电子结构、几何结构等信息。
哈密顿算符和能量表达哈密顿算符是薛定谔方程中的一个核心概念,它描述了体系的总能量。
在第一性原理计算中,哈密顿算符可分解为动能和势能的和。
动能项与电子的运动有关,势能项则与几何结构、原子核的相互作用以及外界的影响有关。
波函数和电子结构波函数是薛定谔方程的解,它描述了电子在不同位置和状态下的概率分布。
通过求解薛定谔方程,可以得到材料的电子结构,包括能级、能带和费米能级等信息。
电子结构是理解和预测材料性质的关键,例如导电性、磁性等。
密度泛函理论密度泛函理论是第一性原理计算中一种重要的方法。
它基于电子密度的概念,将电子-电子相互作用表示为电子密度的函数。
通过密度泛函理论,可以大大简化计算复杂度,并对大分子系统和固体材料提供可靠的计算结果。
应用领域第一性原理计算在许多领域有着广泛的应用,下面列举几个典型的应用领域:材料科学第一性原理计算在材料科学中被广泛应用于材料的设计、合成和性能预测。
它可以通过计算材料的能带结构、晶格常数和缺陷形成能量等参数,来评估材料的导电性、光学特性、力学性质等。
这对于开发新型材料和改善现有材料的性能非常重要。
化学第一性原理计算在化学领域中也有着重要的应用。
它可以帮助研究化学反应的机理、分子间相互作用和化学键的强度等。
第一性原理计算
5.1 原子的H-F计算以及Slater规则
• 如果假设电子的分布实球形对称的 • 近似分析函数
Rn(lr)Ylm (,)
•氢原子得到的径向函数不能直接用于多电子原子。 •因为内壳层电子对原子核电荷具有屏蔽作用。 •如果考虑屏蔽效应把轨道指数作适当地修正,仍可以采用氢原子的波函 数形式。
• Slater
第一性原理计算
• Hiicore:电子在裸露原子核作用场中运动的能量。
• 对于在轨道 i运动的电子:如果一个轨道具有两个电子, 则对N/2个电子而言单个电子能量为2 Hiicore.
•
N /2
2
H
c ii
ore
i 1
• 电子与电子的作用项
• i和j中存在4个电子。
• 在一个轨道上的2个电子以库仑作用的方式与另一个轨道 上的两个电子发生作用。记为4Jij。
•需要猜想密度矩阵P。最简单的方法是采用空矩阵 •H-F计算的结果是一系列K原子轨道,K是计算的基函数的数量 •N个电子被填充到这些轨道上,从最低能量的轨道开始,一个轨道2个电子进行填充。
H-F方程给出了一系列的轨道轨道能量,i,
N/2
i Hiciore (2JijKij)
j1
整个基态的电子能量
N/2
d1(1)2 [Jj(1)Kj(1)]1)(v(1)
j1
库仑算符Jj(1)由自旋轨道j的交互作用引起
Jj(1) d2j(2)r112j(2)
利用轨道函数的基函数线性组合的方法
k
Jj(1)d2 cj
1
1k (2)r12 1cj
(2)
交换项可以写为
K j(1 )i(1 ) [d2 k 1 c j (2 )r 1 12j(2 )k ] 1 c j (2 )
第一性原理计算方法在材料科学中的应用
第一性原理计算方法在材料科学中的应用1.引言第一性原理计算方法(First Principles Calculation)是近年来发展的新型计算方法,用于准确计算分子和固体物质的能量、结构和物理性质。
它的优势在于不依赖于实验数据,可以直接从基本原理推导出体系的特性。
在材料科学领域,第一性原理计算方法已经成为研究材料的重要工具,可以为合成新材料和设计功能材料提供理论依据,并指导实验研究。
2.第一性原理计算方法的基本原理第一性原理计算方法的基本原理是量子力学中的密度泛函理论,它的基本假设是所有粒子的运动都可以描述为波函数的运动。
根据波函数理论,一个由N个电子和原子核组成的体系的波函数可以用N个单电子波函数表示。
通过求解薛定谔方程,可以确定体系的基态能量和电子的密度,从而得到体系的性质。
3.第一性原理计算方法在材料科学中的应用(1)材料合成第一性原理计算方法可以模拟材料的结构、动力学和化学反应,为材料合成提供理论指导。
例如,使用第一性原理计算方法可以预测材料的稳定性、生长机制和晶体缺陷,从而为材料的设计和制备提供指导。
(2)材料性能第一性原理计算方法可以计算材料的电子结构、热力学性质、光电性质和磁学性质等,从而为材料的性能研究提供理论基础。
例如,通过计算材料的电子结构,可以预测材料的导电性、热导率和热电性能等,为相关应用提供指导。
(3)材料改性第一性原理计算方法可以模拟材料的界面和表面结构,研究材料的改性效果。
例如,可以通过计算材料与其他材料的界面能量来评估材料的附着性和界面稳定性,从而指导材料的改性设计。
(4)功能材料设计借助第一性原理计算方法,可以针对具体的应用需求,设计出具有特定功能的材料。
例如,通过计算材料的光电性质、催化活性和磁学性质等,可以指导材料的功能设计,为实现特定的应用提供理论指导。
4.发展趋势随着材料科学和计算科学的发展,第一性原理计算方法的应用前景越来越广阔。
未来,第一性原理计算方法将会与机器学习和高通量计算等技术结合,为材料科学的研究提供更多的可能性。
第一性原理计算公式
第一性原理计算公式引言第一性原理计算是一种基于量子力学原理的理论和计算方法,可以用于研究和预测材料的物理和化学性质。
它是一种从头开始的计算方法,不依赖于任何经验参数和实验数据,因此被广泛应用于材料科学、化学、物理等领域的研究和设计。
在第一性原理计算中,通过求解薛定谔方程来得到体系的电子结构和能量。
这些计算需要使用一系列的公式和算法,本文将重点介绍一些常见的第一性原理计算公式,帮助读者理解这一领域的基本原理和方法。
基本概念在介绍具体的计算公式之前,我们先来回顾一些基本概念。
哈密顿算符哈密顿算符是量子力学中描述体系总能量和动力学演化的算符。
对于单电子体系,哈密顿算符可以写为:H = T + V其中T表示动能算符,V表示势能算符。
对于多电子体系,哈密顿算符则需要加入电子之间的相互作用算符,形式更加复杂。
波函数和薛定谔方程波函数是描述量子力学体系的状态的函数。
在薛定谔方程中,波函数满足以下的时间无关薛定谔方程:Hψ = Eψ其中H是哈密顿算符,ψ是波函数,E是能量。
求解薛定谔方程可以得到体系的能级结构和波函数。
密度泛函理论密度泛函理论是一种处理多电子体系的方法。
其核心思想是将多电子体系的性质建立在电子密度上。
密度泛函理论的基本方程是:E = T[n] + V[n] + E_{ee}[n]其中E是总能量,T[n]是电子动能的泛函,V[n]是外势能的泛函,E_{ee}[n]是电子之间相互作用的泛函。
第一性原理计算公式赝势方法赝势方法是一种快速计算材料电子结构的方法。
在赝势方法中,原子核和一部分芯层电子对价层电子的作用通过赝势进行描述。
赝势方法的基本方程是:H_{KS}ψ = Eψ其中H_{KS}是Kohn-Sham方程中的赝势哈密顿算符,ψ是波函数,E是能量。
平面波基组展开法平面波基组展开法是一种基于平面波基函数的展开方法。
平面波基组展开法的基本方程是:ψ(r) = ∑ c_k exp(ik·r)其中ψ(r)是波函数,c_k是展开系数,k是波矢。
第一性原理计算方法
第一性原理计算方法第一性原理计算方法是一种基于量子力学原理的计算方法,它可以用来研究原子和分子的结构、性质和反应。
与传统的经验性方法相比,第一性原理计算方法具有更高的精度和可靠性,能够提供更多的物理和化学信息。
本文将介绍第一性原理计算方法的基本原理和应用。
首先,第一性原理计算方法是建立在薛定谔方程的基础上的。
薛定谔方程描述了体系的波函数随时间的演化,通过求解薛定谔方程,我们可以得到体系的能量、波函数和其他物理性质。
在第一性原理计算中,我们通常采用密度泛函理论来近似求解薛定谔方程,通过求解库仑势和交换-相关势的作用,得到体系的基态能量和波函数。
其次,第一性原理计算方法的应用非常广泛。
它可以用来研究固体、液体和气体的结构和性质,预测材料的稳定相和晶体结构,计算分子的几何构型和振动频率,分析化学反应的动力学过程等。
同时,第一性原理计算方法还可以用来设计新型的功能材料,优化催化剂的性能,预测分子的电子结构和光学性质,研究纳米材料的电子输运行为等。
在第一性原理计算方法的发展过程中,科学家们提出了许多不同的计算框架和方法,如密度泛函理论、量子蒙特卡洛方法、格林函数方法等。
这些方法在不同的体系和问题上都有各自的优势和局限性,需要根据具体的研究目的来选择合适的方法。
总的来说,第一性原理计算方法是一种强大的工具,它在材料科学、物理化学、生物化学等领域都有重要的应用价值。
随着计算机硬件和软件的不断发展,第一性原理计算方法将会变得更加高效和精确,为科学研究和工程应用提供更多的支持和帮助。
通过以上介绍,我们可以看到第一性原理计算方法在材料科学和化学领域的重要性和广泛应用。
它不仅可以帮助我们理解物质的基本性质,还可以指导新材料的设计和合成,促进科学技术的发展和进步。
因此,掌握和应用第一性原理计算方法对于科研工作者和工程技术人员来说都是非常重要的。
希望本文的介绍能够为读者提供一些有益的信息,引起对第一性原理计算方法的兴趣和关注。
第一性原理计算及相关理论方法
第二章第一性原理计算及相关理论方法固体能带理论是凝聚态物理中最成功的理论之一,是固体电子论的支柱。
原则上固体能带理论能够阐明和解释固体的许多基本物理性质,如力学,电学,光学及磁学等性质。
固体能带理论的主要任务是确定固体电子能级,也就是能带。
而要确定固体电子能带,其出发点便是求解组成固体的多粒子系统的定态薛定愕方程。
但是对固体这样有1029/m3数量级个原子核和电子的复杂的多粒子系统而言,其薛定愕方程是无法精确求解的,必须作近似简化求解:通过绝热近似将核运动和电子运动分开;通过Hartree-Fock 自洽场方法或更严格、更精确的密度泛函理论(DFT) 将多电子问题简化为单电子问题;通过将固体抽象为平移对称性的理想晶体,将多体问题归结为单电子在周期性势场中的运动。
而上述的这些近似简化最终把求解薛定愕方程的全部复杂性都归入了所谓的交换关联泛函,可见交换关联泛函在密度泛函理论中占有重要地位。
目前密度泛函理论已经成为探索具有重要应用背景的功能材料和结构材料的重要理论方法。
基于密度泛函理论,根据基函数选取的不同有多种具体的计算方法,通常都称为第一性原理计算(ab initio calculation)。
所谓第一性原理,即从最基本的物理规律出发,求解体系的薛定愕方程以获取材料性能的信息,从而理解材料中出现的一些现象,预测材料的性能。
第一性原理计算方法[79, 80]有着半经验(HF)方法不可比拟的优势,因为它只需要知道构成微观体系各元素的原子序数,而不需要任何可调(经验或拟合)参数,就可以基于量子力学来处理体系中的电子运动,来计算出该微观体系电子的波函数和对应的本征能量,从而求得系统的总能量、电子结构以及成键、弹性、稳定性等性质。
它们被广泛应用于原子,分子,固体,固体表面,界面,超晶格材料,低维材料的电子结构和物理性质的计算,并取得了惊人的成功。
随着最近几十年计算机技术的飞速发展,第一性原理的规模和效率都有了极大的提高。
第一性原理计算的原理和应用
第一性原理计算的原理和应用随着计算机技术的不断发展和物理化学科学的深入研究,人们发现可以使用计算机模拟复杂的现象和过程,这就是第一性原理计算。
本文将介绍第一性原理计算的原理和应用。
一、第一性原理计算的原理所谓第一性原理计算,是指基于量子力学的原理和公式推导出固体、液体和气体内部物理化学现象的计算方法。
其中最基本的公式是薛定谔方程式:HΨ = EΨ其中H是系统的哈密顿算符,Ψ是波函数,E是系统状态的能量。
这个方程可用来计算电子运动的态函数和能量。
但这个方程式无法直接解出来,因为它涉及到太多的变量。
因此,研究者们发明了一种数值算法,称为密度泛函理论(DFT)。
密度泛函理论中的密度泛函表述的是体系中全部粒子的费米分布函数,它是电子密度的函数。
通过求解密度泛函,就可以推算出化学反应、材料表面的反应、气态中的自由基反应等等。
二、第一性原理计算的应用第一性原理计算是基于量子力学的计算方法,也可以称为第一原理分析计算。
它可以帮助我们理解物理和化学的基本原理,对于材料和化学的设计也有很大帮助。
1、材料设计组成纳米和宏观物质的原子是复杂的物理系统,它们的内部结构和外部特性带有很多未知因素。
第一性原理计算可以让我们更好地理解原子和分子之间的物理作用原理,通过模拟构建物质结构,预测材料的性质,帮助科学家们设计新的材料。
2、化学反应在化学反应中,基本的机理是原子之间的结构、强度和电性互相作用并且相互作用引入新的物质。
为了利用化学反应进行新的合成,我们需要在原子和分子层面上理解化学反应机理。
第一性原理计算可以揭示反应的原则,为我们提供了在计算机上模拟和预测化学反应的能力。
3、超导研究超导指的是电流在特定材料中不受电阻的限制传导。
探索超导的机制和原理,以及发现可以用此技术制造的材料,可以为能源和电子技术领域带来重大发展机会。
第一性原理计算是超导研究中必不可少的工具,可以预测和评估新材料的超导行为。
三、结论第一性原理计算是一种计算复杂物理化学现象的方法。
材料科学中的第一性原理计算
材料科学中的第一性原理计算第一性原理计算是材料科学研究中一种重要的计算方法。
它是基于量子力学理论和电子结构理论的计算模型,通过求解薛定谔方程,从基本粒子(原子、离子、电子)的特性出发,利用数学方法预测和描述材料的结构、能量、性质等基本信息。
本文将对第一性原理计算的原理、方法和应用进行详细介绍。
第一性原理计算的核心是量子力学。
量子力学是描述微观粒子行为的理论,它认为微观粒子的运动和相互作用需要用波函数描述,而波函数可以通过薛定谔方程求解。
在材料科学中,我们关心的是材料中电子的结构和性质。
通过解薛定谔方程,可以得到材料中电子的轨道分布、能带结构和电子密度等信息,进而预测和研究材料的各种性质。
第一性原理计算分为两个主要步骤:构建模型和求解薛定谔方程。
首先,需要确定材料的晶胞结构,即原子的排列方式和间距。
其次,需要选择合适的计算方法,如密度泛函理论(DFT)等。
DFT是一种基于电子密度的近似方法,它将材料中的电子相互作用简化为一个电子密度函数。
然后,需要选取计算所需的参数,包括平面波基组、能量截断和k点网格等。
最后,通过求解薛定谔方程,可以得到材料中电子的波函数和能量等信息。
第一性原理计算在材料科学中有广泛的应用。
首先,它可以用于材料的结构预测和优化。
通过计算不同原子和离子的结合能、晶格参数和局域构型能等信息,可以预测新材料的结构和稳定性,为材料设计和合成提供指导。
其次,第一性原理计算可以用于研究材料的电子性质。
通过计算材料的能带结构、禁带宽度和电子态密度等信息,可以预测材料的导电性和光学性质。
此外,第一性原理计算还可以用于模拟材料的机械性质、热学性质和磁学性质等。
尽管第一性原理计算有广泛的应用,但其存在一些限制。
首先,求解薛定谔方程是一项复杂且计算量大的任务,需要高性能计算机和大量的计算时间。
其次,第一性原理计算通常采用一些近似方法,如DFT等,会带来一定的误差。
此外,由于计算的复杂性,第一性原理计算通常只能研究小尺寸的体系,难以模拟大尺寸和复杂的材料。
第一性原理计算方法讲义
第一性原理计算方法引言前面讲述的有限元和有限差分等数值计算方法中,求解的过程中需要知道一些物理参量,如温度场方程中的热传导系数和浓度场方程中的扩散系数等,这些参量随着材料的不同而改变,需要通过实验或经验来确定,所以这些方法也叫做经验或者半经验方法。
而第一性原理计算方法只需要知道几个基本的物理参量如电子质量、电子的电量、原子的质量、原子的核电荷数、布朗克常数、波尔半径等,而不需要知道那些经验或半经验的参数。
第一性原理计算方法的理论基础是量子力学,即对体系薛定额方程的求解。
量子力学是反映微观粒子运动规律的理论。
量子力学的出现,使得人们对于物质微观结构的认识日益深入。
原则上,量子力学完全可以解释原子之间是如何相互作用从而构成固体的。
量子力学在物理、化学、材料、生物以及许多现代技术中得到了广泛的应用。
以量子力学为基础而发展起来的固体物理学,使人们搞清了“为什么物质有半导体、导体、绝缘体的区别”等一系列基本问题,引发了通讯技术和计算机技术的重大变革。
目前,结合高速发展的计算机技术建立起来的计算材料科学已经在材料设计、物性研究方面发挥着越来越重要的作用。
但是固体是具有~1023数量级粒子的多粒子系统,具体应用量子理论时会导致物理方程过于复杂以至于无法求解,所以将量子理论应用于固体系统必须采用一些近似和简化。
绝热近似(Born-Oppenheimei近似)将电子的运动和原子核的运动分开,从而将多粒子系统简化为多电子系统。
Hartree-Fock近似将多电子问题简化为仅与以单电子波函数(分子轨道)为基本变量的单粒子问题。
但是其中波函数的行列式表示使得求解需要非常大的计算量;对于研究分子体系,他可以作为一个很好的出发点,但是不适于研究固态体系。
1964年,Hohenberg和Kohn 提出了严格的密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)。
它建立在非均匀作为基本变量。
1965年,Kohn和Sham 电子气理论基础之上,以粒子数密度()r提出Kohn-Sham方程将复杂的多电子问题及其对应的薛定谔方程转化为相对简单的单电子问题及单电子Kohn-Sham方程。
第一性原理计算原理和方法..
第二章 计算方法及其基本原理介绍化学反应的本质是旧键的断裂和新建的形成,参与成键原子的电子壳层重新组合是导致生成稳定多原子化学键的明显特征。
因此阐述化学键的理论应当描写电子壳层的相互作用与重排,借助求解满足适当的Schrodinger 方程的波函数描写分子中电子分布的量子力学,为解决这一问题提供了一般的方法,然而,对于一些实际的体系,不引入一些近似,就不可能求解其Schrodinger 方程。
这些近似使一般量子力学方程简化为现代电子计算机可以求解的方程。
这些近似和关于分子波函数的方程形成计算量子化学的数学基础。
2.1 SCF-MO 方法的基本原理分子轨道的自洽场计算方法(SCF-MO)是各种计算方法的理论基础和核心部分,因此在介绍本文计算工作所用方法之前,有必要对其关键的部分作一简要阐述。
2.1.1 Schrodinger 方程及一些基本近似 为了后面介绍各种具体在自洽场分子轨道(SCF MO)方法方便,这里将主要阐明用于本文量子化学计算的一些重要的基本近似,给出SCF MO 方法的一些基本方程,并对这些方程作简略说明,因为在大量的文献和教材中对这些方程已有系统的推导和阐述[1-5]。
确定任何一个分子的可能稳定状态的电子结构和性质,在非相对论近似下,须求R AB =R 图2-1分子体系的坐标解定态Schrodinger 方程''12121212122ψψT p B A q p A p pA A pq AB B A p A A A E R Z r R Z Z M =⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-++∇-∇-∑∑∑∑∑∑≠≠ (2.1) 其中分子波函数依赖于电子和原子核的坐标,Hamilton 算符包含了电子p 的动能和电子p 与q 的静电排斥算符,∑∑≠+∇-=p q p pqp e r H 12121ˆ2 (2.2) 以及原子核的动能∑∇-=A A AN M H 2121ˆ (2.3) 和电子与核的相互作用及核排斥能∑∑≠+-=p A B A AB B A pAA eN R Z Z r Z H ,21ˆ (2.4) 式中Z A 和M A 是原子核A 的电荷和质量,r pq =|r p -r q |,r pA =|r p -R A |和R AB =|R A -R B |分别是电子p 和q 、核A 和电子p 及核A 和B 间的距离(均以原子单位表示之)。
第一性原理计算镁合金
4
结论与展望
未来随着计算机技术和算法的 不断进步和发展,第一性原理 计算在镁合金研究中的应用将
更加广泛和深入
第一性原理计算作为一种基于量 子力学原理的计算方法,在镁合
金研究中具有广泛的应用前景
结论与展望
同时,结合实验研究和理论模 拟的综合应用将有助于更好地 理解和控制镁合金的性能和应 用范围
通过第一性原理计算,可以深入 了解镁合金的原子结构、电子结 构、力学性能、腐蚀行为等重要 信息,为镁合金的设计和优化提 供有力支持
第一性原理计算方法
2. 分子动力学模拟(MD)
分子动力学模拟是一种基于经典 力学原理的计算方法,通过模拟 原子或分子的运动轨迹来研究材 料的性能。在镁合金研究中,MD 方法可以用于研究镁合金的相变 过程、力学行为、腐蚀行为等。 通过MD模拟,可以获得镁合金在 不同温度和应力条件下的原子运 动轨迹和微观结构变化,为镁合 金的性能预测和优化提供有力支 持
结论与展望
3
新材料设计:通过第一性原理计算,可 以预测不同成分镁合金的性能,为新材 料设计提供指导。未来可以开发基于第 一性原理计算的材料设计方法,以更有
效地设计具有优异性能的镁合金
与其他计算方法的结合:除了DFT和 MD,还有许多其他计算方法可以用于 镁合金研究,如分子力学模拟、蒙特 卡罗模拟等。未来可以将这些方法与 第一性原理计算相结合,以更全面地
第一性原理计算在镁合金研究中的应用
4. 相变过程研究
第一性原理计算可以用于研究镁合金的相变 过程。通过模拟不同成分镁合金在不同温度 下的相变过程和微观结构变化,可以预测其 相变温度和相变机制等。例如,通过比较不 同成分镁合金在不同温度下的晶体结构和能 量变化,可以预测其相变温度和相变机制等 。此外,第一性原理计算还可以用于研究镁 合金中的相变动力学和热力学等微观机制, 为理解镁合金的相变行为提供基础
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第一性原理计算原理和方法精编Document number:WTT-LKK-GBB-08921-EIGG-22986第二章 计算方法及其基本原理介绍化学反应的本质是旧键的断裂和新建的形成,参与成键原子的电子壳层重新组合是导致生成稳定多原子化学键的明显特征。
因此阐述化学键的理论应当描写电子壳层的相互作用与重排,借助求解满足适当的Schrodinger 方程的波函数描写分子中电子分布的量子力学,为解决这一问题提供了一般的方法,然而,对于一些实际的体系,不引入一些近似,就不可能求解其Schrodinger 方程。
这些近似使一般量子力学方程简化为现代电子计算机可以求解的方程。
这些近似和关于分子波函数的方程形成计算量子化学的数学基础。
SCF-MO 方法的基本原理分子轨道的自洽场计算方法(SCF-MO)是各种计算方法的理论基础和核心部分,因此在介绍本文计算工作所用方法之前,有必要对其关键的部分作一简要阐述。
Schrodinger 方程及一些基本近似为了后面介绍各种具体在自洽场分子轨道(SCF MO)方法方便,这里将主要阐明用于本文量子化学计算的一些重要的基本R AB =R 图2-1分子体系的坐标近似,给出SCF MO 方法的一些基本方程,并对这些方程作简略说明,因为在大量的文献和教材中对这些方程已有系统的推导和阐述[1-5]。
确定任何一个分子的可能稳定状态的电子结构和性质,在非相对论近似下,须求解定态Schrodinger 方程 ''12121212122ψψT p B A q p A p pA A pq AB B A p A A A E R Z r R Z Z M =⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-++∇-∇-∑∑∑∑∑∑≠≠ ()其中分子波函数依赖于电子和原子核的坐标,Hamilton 算符包含了电子p 的动能和电子p 与q 的静电排斥算符,∑∑≠+∇-=p q p pq p e r H 12121ˆ2以及原子核的动能∑∇-=A A AN M H 2121ˆ 和电子与核的相互作用及核排斥能∑∑≠+-=p A B A AB B A pA A eN R Z Z r Z H ,21ˆ式中Z A 和M A 是原子核A 的电荷和质量,r pq =|r p -r q |,r pA =|r p -R A |和R AB =|R A -R B |分别是电子p 和q 、核A 和电子p 及核A 和B 间的距离(均以原子单位表示之)。
上述分子坐标系如图所示。
可以用V(R,r)代表-式中所有位能项之和∑∑∑-+=≠≠p A pA A B A q p pq ABBA r Z r R Z Z r R V ,12121),( 原子单位上述的Schrodinger 方程和Hamilton 算符是以原子单位表示的,这样表示的优点在于简化书写型式和避免不必要的常数重复计算。
在原子单位的表示中,长度的原子单位是Bohr 半径A == 52917725.042220e m h a e π 能量是以Hartree 为单位,它定义为相距1Bohr 的两个电子间的库仑排斥作用能21a e Hartree = 质量则以电子制单位表示之,即定义m e =1 。
Born-Oppenheimer 近似可以把分子的Schrodinger 方程改写为如下形式''),(212122ψψT p p A A A E r R V M =⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∇-∇-∑∑ 由于组成分子的原子核质量比电子质量大103倍~105倍,因而分子中电子运动的速度比原子核快得多,核运动平均速度比电子小千倍,从而在求解电子运动问题时允许把电子运动独立于核运动,即认为原子核的运动不影响电子状态。
这就是求解式的第一个近似,被称作Born-Oppenheimer 近似或绝热近似。
假定分子的波函数Ψ′可以确定为电子运动和核运动波函数的乘积)(),(),(r Φr R r R ψψ='其中Ф(R )只与核坐标有关,代入方程有ΦE Φr R V ΦΦM ΦM ΦM T A p p A AA A A A AA A ψψψψψψ=+∇-∇-∇⋅∇-∇-∑∑∑∑),(2121121222 对于通常的分子,依据Born-Oppenheimer 原理有:A Ψ和A 2Ψ都很小,同时M A ≈103~105,从而上述方程中的第二项和第三项可以略去,于是ΦE r R V ΦΦM T pp A A A ψψψψ=+∇-∇-∑∑)],(21[2122 易知)(/)],(21[/)21(22R E r R V ΦΦM E pp A A A T =+∇+∇+∑∑ψψ 也即该方程可以分离变量而成为两个方程ψψψ)(),(212R E r R V pp =+∇-∑ ΦE ΦR E ΦM T A p A=+∇-∑)(212 方程为在某种固定核位置时电子体系运动方程,而方程时核的运动方程。
E (R )固定核时体系的电子能量,但在核运动方程中它又是核运动的位能。
此时分子总能量用E T 代表。
因此,在Born-Oppenheimer 近似下,分子体系波函数为两个波函数的乘积式。
分子中电子运动波函数Ф(R )分别由和式确定。
电子能量E (R )为分子的核坐标的函数,从式看出它又是核运动的位能。
在空间画出E (R )随R 的变化关系称为位能图。
单电子近似体系的电子与核运动分离后,计算分子的电子波函数Ψ归结为求解下面的方程ψψE r Z r p p A pA A q p pq p =⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+∇-∑∑∑≠'12121,2式是量子化学的基本方程,目前已有多种求解这个方程的方法。
这些方法的区别首先是构成Ψ的方式及其相应的近似。
最常用的是Hartree 建议的单电子近似[6]。
在多电子体系中,所有电子势相互作用的,其中任意电子运动依赖于其它电子的运动。
Hartree 建议把所有电子对于每个个别电子运动的影响代换成某中有效场的作用。
于是每个电子在核电荷及其余电子有效场产生的势场中运动仅依赖于电子坐标。
从而,电子运动分开了,对于多电子体系中每个电子可以引入单电子波函数,这种单电子波函数是式单电子Schrodinger 方程的解,其中含有算符1/r pq 项,用只依赖于所研究电子坐标的有效场代替。
整个多电子体系波函数等于所有电子的单电子波函数(轨道)乘积。
电子还具有自旋角动量s ,其分量s x ,s y 和s z 满足普通角动量算符的对易关系。
算符s 2和s z 完全给定了电子的自旋,电子自旋波函数()满足方程)()1()(ˆ2ξηξη+=s s s )()(ˆξηξηz z m s= 其中是自旋坐标,通常把对应于自旋1/2的波函数记为(),而把自旋m s =-1/2波函数记作()。
在非相对论近似下和不存在外磁场时,电子的自旋和空间坐标无关,因此,因此电子的自旋轨道可取成)(),,(),,,(ξηψξψz y x z y x ='考虑到自旋变量的多电子波函数由自旋轨道组成,他应当是体系总自旋S2及其Sz 的本征函数ψψ)1(ˆ2+=S S SψψSz M S =ˆ 构成体系多电子波函数Ψ时,必须考虑Ψ相对于任一对电子交换的反对称性要求,此所谓Pauli 原理[7]。
因此,一般不求出Hartree 方法的简单乘积型波函数Ψ,而是求出对应于按自旋轨道电子的所有可能置换方式的Slater 行列式波函数,此为Hartree-Fock 方法。
对于置于n=N/2轨道的Ψ上的N 电子体系,单电子近似下波函数Ψ写为)()()()()()()()()2()2()2()2()2()2()2()2()1()1()1()1()1()1()1()1(!1111111N N N N N N N N N Ψn n n n n n βψαψβψαψβψαψβψαψβψαψβψαψ =该式的Slater 行列式是保证反对称性要求的唯一这类函数。
引入单电子近似便确定了波函数Ψ的形式,用它可以求解方程。
显然在一般的情况下,Ψ应当包含型行列式的线性组合,同时满足式的限制。
若式中自旋部分是单电子自旋投影算符S z 的本征值,则式就满足。
当分子的n 个轨道每个均为自旋反平行电子对占据时(闭电子壳层),一个行列式波函数就已满足和。
对于含有未配对的电子体系,这是做不到的,此时体系波函数是对应于各种轨道填充方式(不同组态)的Slater 行列式Ψl 的的线性组合l ll a Ψψ∑=当适当选择行列式前系数a l 时,条件和波函数的反对称性要求均可以满足。
由于存在着电子运动的相关,不明显处理式中1/r p q 项的单电子近似,完全忽略了这种相关效应,所以,Hartree-Fock 单电子近似使波函数的计算产生了误差。
变分原理上述单电子近似只是给出了所求解体系多电子波函数的一种形式,变分法提供了求解方程的一种方法。
Schrodinger 方程的解对应于稳定态能量。
因此若波函数Ψ是.的解,那么对于任意微小变化Ψ,取能量平均值⎰>==<τΨd H Ψ|ΨH Ψ|E *ˆˆ的变分应等于零,即0ˆ>=<=|ΨHΨ|E δδ 式中积分是对Ψ的所有变量进行的,并且已假定Ψ是归一化的,即1ˆ=⎰τΨd HΨ* 由于我们寻找对应于体系基态的波函数,总能 量应当是极小值。
因此,对单电子轨道施行变分就给出这种型式波函数,能量是极小值并满足式。
从而求得的波函数Ψ就是多电子体系基态Schrodinger 方程所欲求的解。
显然,为了施行变分,波函数Ψ的型式应当充分好。
两种途径可以保证这一点:①取展开式是从充分多项,且固定轨道Ψ只对系数a l 变分;②局限于尽可能少的行列式Ψl ,若有可能做到就取一个,但此时把每个ψ表成可能的简单形式。
鉴于这种选择,区分出两类广泛应用的量子化学方法,价键(VB)法和分子轨道法(MO).在价键法中,用孤立原子的原子轨道(AO)作为单电子波函数ψ去构成Slater 行列式Ψl 。
原子轨道的不同选择对应于不同的行列式Ψl 。
对于施行的变分,可得到确定系数a l 的方程。
为了充分靠近体系的能量,必须在式中选用足够的多项,即用多行列式波函数进行运算。
用原子轨道线性组合分子轨道(LCAO MO)法提供了另外一种选择相应于体系能量极小的多电子波函数方法。
此时,对应于分子中单电子态的分子轨道ψi 写成原子轨道φμ(基函数AO )的线性组合∑==mi i c 1μμμϕψ实际上,这种展开有完全合理的基础。
因为靠近某个原子的电子所受的作用基本上是由该原子产生的场引起的,所以该区域中电子波函数应当近于原子轨道。
展开该式对求解变分问题的优点是明显的。
如果式中选用极大数目的项,那么VB 法和MO 法就都给出同样的能量E 和波函数ψ,当然表达式不完全相同。