CeCuGa3电子结构的第一性原理计算研究
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 ）。
它建立在非均匀电子气理论基础之上，以粒子数密度()r ρ作为基本变量。
CdCO3电子结构与光学属性的第一性原理研究
CdCO3电子结构与光学属性的第一性原理研究盛虹;张水利;邵婷婷;杨延宁;张富春【摘要】The crystal structure,electronic structure andoptical propertiesofCdCO3were studiedby usingthe first-principlesbased onthe density functional theory (DFT)within the generalized gradient approximation (GGA). Thetheoreticalresultsindicate that the CdCO3is anindirect bandgap semiconductor materialand thebandgapis2.59 eV, whichismainly determined by Cd 4p,O 2p orbital energy levelsat thetopofvalenceband and Cd 4p,5s orbital energy levels at thebottomofconductionband. The resultsof charge density show thatCdCO3crystalis ahybrid bond semiconductor strong in ionicity bond and weak in covalent,characterized by intensep-dhybridorbitals.The optical properties of the CdCO3in which the band-to-band transitionareat leading statusareanalyzed by the precisely calculated band structure and density of state(DOS). The results of the optical properties show that obviousthreedielectric peaks appear in energyrangefrom0 eV to15eV, andthe absorb edges are located in the ultraviolet region.The above results haveimportanttheoretical significance for us to explore the potential applications based on CdCO3materialandoffer theoretical reference topreciselymonitorand control the growth ofCdCO3material.%采用基于密度泛函理论框架的第一性原理计算方法,利用广义梯度近似方法研究了CdCO3的晶体结构、电子结构和光学属性,理论计算结果表明,CdCO3属于间接宽带隙半导体材料,带隙宽度为2.59 eV,带隙主要由价带顶的Cd4p、O 2p和导带底的Cd4p、5s轨道能级决定的.而电荷密度结果显示CdCO3晶体是一种离子性较强而共价性较弱的混合键半导体,具有强烈的p轨道与d轨道杂化分布特征.利用精确计算的能带结构和态密度分析了带间跃迁占主导地位的CdCO3材料的光学属性,光学性质的计算结果显示在0~15 eV的能量范围内出现了三个明显的介电峰,吸收带边对应于紫外波段.以上结果对于探索基于CdCO3纳米材料的潜在应用具有重要的理论指导意义,也为精确监测和控制CdCO3材料的生长提供了理论依据.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2017(036)012【总页数】5页(P42-46)【关键词】碳酸镉;第一性原理;电子结构;电荷密度;光学带隙;光吸收【作者】盛虹;张水利;邵婷婷;杨延宁;张富春【作者单位】渭南师范学院数理学院,陕西渭南 714000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000【正文语种】中文【中图分类】O643.1近年来，形貌可控的碳酸盐纳米结构材料CdXO3 (X = C, Si, Ge, Sn, Pb)由于其特殊的形态和结构而具有新奇的光学、化学和物理特性，引起人们的广泛研究热情[1]。
关于铁电超晶格材料的第一性原理计算
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硕士学位论文
应变条件下铁电超晶格结构压电特性的第 一性原理研究
FIRST-PRINCIPLES STUDY OF PIEZOELECTRIC PROPERTIES OF STRAINED FERROELECTRIC
SUPERLATTICE STRUCTURE 贾志宏
哈尔滨工业大学 2014 年 12 月
层数 n 是影响(PT)n/(LA)n 和(PT)n/(KN)n 超晶格性能的一个重要因素。随着 n 值增加，体系的极化强度值和压电系数 ezz 降低，带隙变小。因极性不连续界 面而产生的内电场作用也随 n 值的增加而逐渐减弱。当 n 值大小一定时，随着体 系的应变情况由压应变逐渐转变到拉应变，(PT)n/(LA)n 和(PT)n/(KN)n 超晶格的 极化强度分别向（001）的负方向和正方向变大，但极化特性较 n=1 的体系弱。
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。
正交CaTiO3电子结构及光学性质的第一性原理研究
正交CaTiO3电子结构及光学性质的第一性原理研究正交CaTiO3电子结构及光学性质的第一性原理研究范强;杨建会;肖志刚;舒晓琴【期刊名称】《乐山师范学院学报》【年(卷),期】2015(000)004【摘要】Based on the density-functional theory,the structural parameters,electronic structure and optical properties of orthorhombic CaTiO3 have been studied by using the first principle projector-augmented wave (PAW) method and the generalized gradient approximation (GGA) treatment of exchange correlation energy. The calculated structural parameters of orthorhombic CaTiO3 coincide well with the experimental orthorhombic data. The energy band structure and density of states are obtained,which indicates that orthorhombic CaTiO3 is a direct gap semiconductor with a band gap of 2.43 eV at Γ (gamma) point. Furthermore,the absorption coefficient of orthorhombic CaTiO3 has been calculated,which shows that there is a strong absorption in UV light band. Based on the band structure and density of states,the mechanism of the optical transitions for orthorhombic CaTiO3 is explained,which provides a theoretical basis for application of orthorhombic CaTiO3.%基于密度泛函理论，采用第一性原理投影缀加波方法(PAW)，应用广义梯度近似(GGA)处理交换关联能，计算了正交CaTiO3块体材料的晶格参数、电子能带结构、态密度和光学性质。
第一性原理计算流程与原理公式
第一性原理计算流程与原理公式下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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EuPdGe3磁性与电子结构的第一性原理计算
体结构 的 ｃ ｅ 化合 物陆续被发现 。但是 ， 这些材料
又 展现 出 了 不 同 的物 理 属 性 。举 个 例 子 ， Ｃ ｅ Ｃ ｏ Ｇ ｅ
在压力 作用 下展现 出超导 而 Ｃ ｅ Ｒ ｈ Ｇ ｅ 却 没 有 。
Ｋ ａ ｗ ａ ｉ 等人 报道了 Ｃ ｅ Ｐ ｔ Ｓ ｉ ， 晶体的各 向异性的磁性
报道 。
１ Ｅ ｕ Ｐ ｄ Ｇ ｅ 的第一性原理 计算方法
计 算采 用 了 以密度 泛 函理论 为基 础 的 Ｖ Ａ Ｓ Ｐ软
件包 ］ ，电子 与离子 实 问的相 互作用 采 用投 影缀 加
平 面波 的方 法 Ｊ 。交 换 关 联 能 采 用 Ｐ Ｂ Ｅ形 式 ¨ 。
Ｋ ｕ ｍ ａ ｒ 等 人 实验 研究 了 Ｅ ｕ Ｐ ｔ Ｓ ｉ 晶 体 的 电学 和磁 学性 质 。他 们 发 现 Ｅ ｕ Ｐ ｔ Ｓ ｉ 晶体在温度为 １ ７ Ｋ 和１ ６ Ｋ时经 历两 个连 续 的磁 结 构 转 变 ， 最 终 变为 反 铁磁 基态 ， 磁 晶易 轴 方 向沿 ［ ０ ０ １ ］ 方 向 。磁 晶各 向 异性 的来 源 可 能 是 晶 场 作 用 或 两 离 子 交 换 作 用 各 向异 性 ， 但 是 他 们 没 有 进 行 理 论 计 算 。Ｇ ｏ ｅ ｔ ｓ ｃ ｈ 等
⑥
２ ０ １ ３ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
物 理 学
Ｅ ｕ Ｐ ｄ Ｇ ｅ ３ 磁性 与电子结构 的第一性原理 计算
花 亮 沈 吉梅 朱 庆利
（ 南京师范大学泰州学院 ， 泰州 ２ ２ ５ ３ ０ ０ ）
摘
要 为 了探 究 Ｅ ｕ Ｐ ｄ Ｇ ｅ 晶体材料 的基态性质和磁 晶易轴 方向， 采用基于 密度泛 函理论的 Ｖ Ａ Ｓ Ｐ软 件包 计算研 究 了该材料
将“第一性原理计算”融入传统计算物理学课程的教学体系改革探讨
将“第一性原理计算”融入传统计算物理学课程的教学体系改革探讨作者：秦真真王飞牛春要来源：《科教导刊》2021年第07期摘要针对物理类专业开设的传统“计算物理学”课程，为进一步提升其课程质量与完善知识体系，提出将“第一性原理计算”这一前沿科技领域融入计算物理学课程中，对相关教学知识体系和内容进行补充与整合，丰富当前计算物理教学的内容层次与前沿性。
这将拓展学生从仅限于MATLAB计算和可视化层面研究经典物理问题的有限认知面，深化学生对基于量子力学和固体物理等凝聚态物理问题的基本理解，有益于学生接触科技前沿和建立完善的计算物理知识体系，并进一步增强学生对计算物理学课程的认知和实践能力。
关键词计算物理第一性原理计算科技前沿教学改革中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2021.03.024Discussion on Teaching System Reform of Integrating "First Principles Calculation" into Traditional Computational Physics CourseQIN Zhenzhen， WANG Fei， NIU Chunyao（School of Physics， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001）Abstract Aiming at the traditional "Computational Physics" course， in order to further improve the quality of the course and complement the computational physics knowledge system， it is proposed to integrate the science field of "first-principles calculation" and related technology into the traditional course of computational physics， which would enrich the current content level and cutting edge of computational physics teaching. This will expand students' limited knowledge of classical physics problems from the level of MATLAB calculation and visualization， deepen their basic understanding of condensed matter physics based on quantum mechanics and solid state physics，which would help students establish a complete knowledge system of computational physics and further enhance students' cognitive and practical ability of computer language.Keywords computational physics; first-principles calculation; technological frontier; teaching reform计算物理学是一门依托电子计算机解决复杂物理问题的新兴交叉学科。
CeCuGa3电子结构的第一性原理计算研究
CeCuGa3电子结构的第一性原理计算研究【摘要】我们采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算研究了CeCuGa3材料的电子结构。
我们计算确定了其基态磁结构，解释了其形成的原因。
【关键词】稀土金属Ce化合物磁结构费米面电子结构1 引言稀土金属Ce化合物由于具有重费米子行为，不同类型的磁有序等独特的物理性质而引起了科学研究的极大兴趣。
其中晶体结构为BaAl4的CeCuxGa4-x化合物最为代表。
最早报道CeCuGa3在3.5K温度下，其基态为铁磁态[1]。
另外Mentink 等人报道直到温度低到0.4K，CeCuGa3基态为顺磁态[2]。
而Martin等人通过对多晶CeCuGa3样品的研究，发现材料显示近藤晶格行为并且基态为反铁磁态[3]。
最近，Joshi等人再次通过实验对单晶CeCuGa3样品进行了晶体结构和磁学性质的研究，发现材料为4K以下的铁磁态[4]。
面对以上对于样品CeCuGa3相互矛盾的磁基态的报道，本文就采用基于密度泛函理论的vasp软件包对该材料的电子结构和磁学性质进行了计算并讨论了其磁基态性质。
2 模型构建和计算方法CeCuGa3晶体属于四方晶系结构，实验报道空间群为I4/mmm，No.139，如图1所示。
晶格常数a=b=4.273，c=10.44，α=β=γ=90°。
本文计算采用基于密度泛函理论（density functional theory，DFT）的V ASP（Vienna ab-initio simulation package）软件包进行计算。
计算步骤可以概括为三步：（1）对晶胞模型内部原子位置进行结构优化；（2）对材料进行磁构型计算，确定材料磁性基态。
（3）用广义梯度近似法（generalized gradient approximation，GGA）对优化后的理论模型进行单电子能量计算，对单电子能量计算结果进行总态密度（total density of states，TDOS）和分波态密度（partial density of states，PDOS）分析。
第一性原理计算α-Al2O3电子结构及力学性能
第一性原理计算α-Al2O3电子结构及力学性能
汝强;邱秀丽
【期刊名称】《材料研究与应用》
【年(卷),期】2009(003)003
【摘要】利用密度泛函理论的第一性原理方法,采用CASTEP程序包对α-Al2O3的能带结构、电子态密度及弹性常数进行了计算,计算结果表明:α-Al2O3能隙约为6.8 eV;Al3+和O2-之间存在明显的电子转移现象,电子分布具有明显的定域性,但由于极化或杂化现象,Al-O键主要为离子键和少量共价键,α-Al2O3表现出过渡型化合物的特点;α-Al2O3的体积弹性模量为254.253 GPa,剪切模量为157.911 GPa.
【总页数】6页(P162-167)
【作者】汝强;邱秀丽
【作者单位】华南师范大学物理与电信工程学院,广东,广州,510006;华南农业大学工程学院,广东,广州,510642
【正文语种】中文
【中图分类】O141.4
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1.第一性原理计算锐钛矿型TiO2电子结构及力学性能分析 [J], 汝强;胡社军;邱秀丽
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军;杨吉春;贾桂霄;杨昌桥;蔡长焜
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化学物理实验3：碳纳米管的第一性原理计算
1
电荷密度相等， 基态能量与真实能量相等。 交换相关能量泛函的一个最初的简单近似势是局 域密度泛函近似（LDA），即用具有相同密度的均匀电子气的交换相关泛函作为对应的非 均匀系统的近似值，这个近似能给出比较好的结果，因而得到了广泛的应用。但是 LDA 也 有不足之处，如高估了系统的结合能，这个可以通过引入广义梯度近似（GGA）来克服,此 时交换相关能是电子密度和其梯度的泛函。PBE 就是广义梯度近似的一种，通常 GGA 内含 的参数由拟合大量计算数据或者通过考虑标度关系和渐进行为等获取。 2.4 第一性原理计算 需要自洽过程求解： 首先给一个基态密度的初始猜测， 然后通过这个密度函数构造哈密 顿量，求解本征方程，利用得到的 KS 轨道，计算得到电子密度，判断是否收敛，若收敛， 则退出，否则利用新的电子密度构造哈密顿量，迭代求解本征方程。 2.5 赝势方法 在实际计算中，为了达到合理的精度，通常需要用很大的基组展开 KS 轨道，增大了所 处理问题的维度，而体系中每个电子态都对应一个 KS 轨道，也就是说，需要考虑的电子态 越多， 计算量越大。 所以在实际计算中， 我们可以将每个原子的所有电子态粗略地分为两类， 其内层电子态对化学成键一般只有微弱的影响，称为芯态；外层电子态参与化学成键，对体 系的物理化学性质有着显著的影响，称为价态。介于此，我们引入赝势（Poseudopotentials） 的概念， 就是讲芯态电子跟核放在一起考虑， 认为价态电子是在芯态电子屏蔽过的核的势场 中运动，这个被屏蔽了的势即为赝势。 赝势的导出不是唯一的，最初的是经验赝势，后来随着计算方法的发展和应用，出现了 从头算赝势。从头算赝势致力于不附加任何经验参数的赝势，有多种生成方法，比如模守恒 赝势，超软赝势，投影缀加平面波赝势等，目前都有广泛的应用。 2.6 基组 前面提到了我们需要在一个 Hilbert 空间展开 KS 轨道， 这就是将 KS 轨道写为基组的线 性组合的形式。高精度的计算要求基组尽量完备性好，平面波系列就是一个合适的基组。此 外，由于平面波内在的周期性，很适合用于周期性体系的计算。目前，人们普遍认为固体的 高精度平面波计算完全可以作为其他方法的基准。 除了平面波基组， 还有源于量子化学方法 的原子轨道基组，此时基组的形状跟所要展看的 KS 波函数相近，只需要较少的项就可以达 到较高的精度。目前也有关于混合基组的工作。 由 Fourier 分析的知识我们知道平面波序列是一个完备的基组，但是这是一个无限的序 列，在实际计算中不可能达到。因此我们用一个截断（cutoff）标志实际采用的平面波的数 目。截断的量纲是能量，对应着最大波数的平面波的动能，动能大于截断能量的平面波将不 予考虑。 2.7 VASP 使用简介 VASP 全称是 Vienna Ab-initio Simulation Package（维也纳从头计算模拟程序包）。它是 用赝势平面波方法进行分子动力学模拟的软件包。 于同类软件相比， 它比较早的实现了超软 赝势， 计算量相对于一般模守恒赝势方法大为减少。最近 VASP 又加入了 PAW 方法的支持。 在下个版本中可能会实现杂化泛函和 GW 方法。 使用 VASP 进行计算需要用到四个输入文件： INCAR：包含所有的控制参数，没有具体指定的参数使用缺省值。 POSCAR：包含晶体构型的所有信息，比如坐标、原子数目与类型、单胞描述等。 KPOINTS：包含 k 点选取方案。 POTCAR：包含赝势信息。 VASP 计算能带结构需要两步，首先要进行一次静态计算（指原子位置不变），等自恰 收敛以后，再进行能带结构的计算。两步计算需要的参数不同，主要表现在 INCAR 和
学术论文：(毕业设计论文)《ZnS电子结构的第一性原理研究》
〔毕业设计论文〕?ZnS电子结构的第一性原理研究? 密级：内部ZnS电子结构的第一性原理研究The primary principle research?of the ZnS electronic structure学院：信息科学与工程学院专业班级：电子科学与技术学号：学生姓名：指导教师：摘要ZnS是Ⅱ-Ⅵ族半导体材料中一种重要的半导体材料，它具有优异的机械性能和光学性能，其结构有闪锌矿(β-ZnS)和纤锌矿(α-ZnS)两种，均有着非常宽的带隙，具有优良的电光特性和广泛的应用前景，并已经为越来越多的人们所关注。
从上世纪90年代开始，人们就已经对ZnS进行了大量的试验研究，近几年来ZnS材料更是倍受人们的关注。
本文目的就是通过对一些典型材料的理论计算，从而对材料的实验研究进行一些理论解释、补充甚至预言的作用。
第一性原理作为一种既古老而又年轻的方法，在材料计算这个领域已经取得了很大的进展，目前大型高速电子计算机的应用，使得此理论研究的优越性越来越突出。
本文即尝试利用计算机模拟技术，应用Materials Studio 4.0 CASTEP软件，通过使用第一性原理研究方法，对ZnS的电子结构和晶格参数等性质进行计算。
并根据所计算的结果来预测材料的宏观特性，为开展和制备新型ZnS光电子材料体系提供理论参考。
论文的主要内容如下：1、介绍了ZnS的结构、根本性质、研究现状和应用情况。
讨论了我们的计算工具—CASTEP及其理论根底。
2、研究了纯ZnS的电子结构、光学性质以及键布居情况。
计算了ZnS系统的能带结构、键布居参数、电子态密度和吸收光谱。
结果说明，ZnS为直接禁带半导体材料，其带隙为3.68eV。
纯ZnS在能量低于4eV的范围内几乎没有吸收；由于价带与导带间的跃迁，在3.6eV(345nm)附近有强的带边吸收；吸收主峰位于8.3eV附近。
ZnS晶体中Zn原子失去电子，为电子的给与体，S原子得到电子，是电子受主，且Zn原子与S原子形成的是共价键。
电子结构计算与第一性原理
电子结构计算与第一性原理最近几十年，电子结构计算与第一性原理成为了凝聚态物理和材料科学领域的重要研究工具。
通过计算原子与电子之间的相互作用，我们可以预测和解释物质的性质和行为，从而为新材料的设计与合成提供指导。
第一性原理是指通过解方程并忽略任何经验参数或实验数据，仅仅以基本的物理定律来描述和预测物理体系的性质。
这种方法的根基是量子力学的理论框架，以薛定谔方程为基础。
它能够全面而准确地描述电子在原子、分子、晶体和其他凝聚态系统中的运动和相互作用。
电子结构计算是通过求解薛定谔方程来分析和计算物质的电子能级和波函数。
薛定谔方程是描述波粒二象性的基本方程，通过求解薛定谔方程，我们可以得到电子波函数，进而得到电荷密度、能带结构、分子轨道等信息。
这些信息对于解释材料的结构、磁性、光学性质等起着至关重要的作用。
在电子结构计算中，常用的方法有密度泛函理论(DFT)、Hartree-Fock方法、以及重N粒子模型等。
密度泛函理论是由Hohenberg和Kohn于1964年提出的，它以电子密度作为中心变量，将多体系统的能量泛函化，从而简化了计算的复杂性和计算量。
DFT方法根据能量泛函的表达形式的不同，又可以分为局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)等不同的近似方法。
尽管密度泛函理论等方法使电子结构计算变得更加高效和准确，但是由于计算复杂度的限制，原则上仍然无法精确地求解多电子薛定谔方程。
因此，许多研究人员和科学家致力于改进和发展可行的近似方法，以及利用计算力的提升来推进电子结构计算技术的发展。
除了电子结构计算方法的发展，计算资源的提升也极大地推动了电子结构计算技术的进步。
在过去的几十年里，计算机的性能和存储容量不断提高，高性能计算机和量子计算机的出现使得更大规模的电子结构计算成为可能。
这种计算资源的进步使得我们能够模拟和研究更复杂、更真实的物质系统，如纳米尺度的材料、生物分子等。
电子结构计算和第一性原理方法的应用范围非常广泛。
4.第一性原理计算应用
低。 (0001) 表面能比 (10 0) 表面 能高。
(10 0)
a b
1
1
表面磁矩
由于表面原子存在悬挂键，其性质与块体中原子不
同。其磁性也与块体内原子不同。 研究表面磁矩的方法与研究表面能时建模方法类似， 只不过表面能的计算只需要总能量，而表面磁矩还 需要计算自旋，并汇总原子磁矩和总磁矩。 不面将举例Co(100)表面和Ni(111)面的计算结果。 表面磁矩的计算需要较长的时间，无法在课上演示， 这里只说明方法，然而给出计算结果。 在进行表面磁矩的计算前，在先对表面结构进行优 化。
电子密度分析?电子密度分析示例8642024402002040dosstatesevenergyevsbandpbanddbandtotalti未掺杂zns的电子态密度掺杂ti的zns的电子态密度4202460246810dosstatesevenergyevsbandpbanddbandtotal由于ti的掺杂带来的态密度变化fm态的总dos图402002040dosstatesevsbandpbanddbandtotaltiscv402002040crdosstatesevmnfe8642024402002040codosstatesevenergyev6420246cunienergyev6420246energyevfm态的掺杂原子dos图42024dosstatesevsbandpbanddbandtotaltiscv42024crdosstatesevmnfe8642024201510505101520codosstatesevenergyev6420246cunienergyev6420246energyevi族元素替代zn的dos分布?linak替代zn原子后zno成为p型半导体
第一性原理计算在光电材料设计与优化方面的应用研究
第一性原理计算在光电材料设计与优化方面的应用研究光电材料作为一种重要的功能材料，广泛应用于太阳能电池、光电器件等领域。
为了实现更高效率和更稳定的光电转换过程，科学家们一直在寻求新的材料设计与优化方法。
近年来，随着计算科学的发展，第一性原理计算作为一种强大的工具，逐渐受到了人们的关注。
第一性原理计算是一种基于量子力学的计算方法，可以通过求解薛定谔方程来描述材料的电子结构和性质。
与传统的经验规则相比，第一性原理计算不需要任何实验参数，可以准确地计算材料的能带结构、密度泛函理论，从而更好地理解材料的光电性质。
在光电材料设计与优化方面，第一性原理计算的应用可以从以下几个方面展开。
首先，第一性原理计算可以帮助科学家们理解光电材料的电子结构和能带特性。
通过计算材料的能带结构，可以得到电子的能量和动量对应关系，进而预测材料的光学和电学性质。
例如，通过计算得到的能带结构可以确定材料的导电性、能带间隙及其带宽，从而评估材料的光学吸收和传导能力。
其次，第一性原理计算可以辅助材料的发现和筛选。
利用计算方法，科学家们可以通过预测材料的晶体结构和化学组成，快速筛选出具有潜在光电性能的候选材料。
例如，通过计算预测某种化合物的能带结构、光学吸收和导电性能，可以判断其是否具有潜在的光电应用价值。
这种基于计算预测的筛选方法，可以大大缩短材料研发周期，提高研发效率。
第三，第一性原理计算可以指导材料的改性和优化设计。
通过计算方法，科学家们可以研究不同材料组分的效应，并优化材料的性能。
例如，可以通过计算预测引入不同的杂质或添加剂对材料的电子结构和光学性质的影响，从而设计出更优化的光电材料。
这种计算辅助的材料设计方法，有望打破传统材料设计的局限性，为新材料的发展提供新思路。
最后，第一性原理计算在光电材料的界面和界面调控方面也具有重要的应用。
材料的界面结构和性质对光电器件的性能有着重要影响。
通过计算预测，科学家们可以研究材料界面的原子结构、能带对齐等相关参数，以指导界面调控，提高光电器件的效率和稳定性。
如何分析第一性原理的计算结果
如何分析第一性原理的计算结果
李骥;张凤英;王阳
【期刊名称】《电脑知识与技术》
【年(卷),期】2010(006)014
【摘要】该文主要介绍了利用第一性原理计算软件开展的材料设计和计算工作,第一性原理计算的结果分析要点.主要是从电荷密度图、能带结构、态密度等三个方面进行讨论.
【总页数】2页(P3785-3786)
【作者】李骥;张凤英;王阳
【作者单位】空军航空大学基础训练基地,吉林,长春,130022;东南大学成贤学院,江苏,南京,210088;空军航空大学基础训练基地,吉林,长春,130022
【正文语种】中文
【中图分类】TP339
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第一性原理计算Ti_(3)GeC_(2)-β相材料的晶格动力学与热力学性质
第一性原理计算Ti_(3)GeC_(2)-β相材料的晶格动力学与热
力学性质
魏巍;刘玉坤;张钰莹;朱春城
【期刊名称】《哈尔滨师范大学自然科学学报》
【年(卷),期】2022(38)2
【摘要】运用基于密度泛函理论的第一性原理方法及CASTEP软件对
Ti_(3)GeC_(2)-β相材料的晶格动力学性质和热力学性质进行了理论计算,得到了
Ti_(3)GeC_(2)-β材料的一系列计算结果,同时对理论计算结果进行了分析.结果分析表明:Ti_(3)GeC_(2)-β相材料具有力学稳定性,但是不具有晶格动力学的本征稳定性,同时质地较脆;在一定范围内熵、焓均随温度的升高而增加,自由能减少;等容热容随着温度的增加而迅速增加,达到一定温度后趋于平稳.
【总页数】4页(P64-67)
【作者】魏巍;刘玉坤;张钰莹;朱春城
【作者单位】哈尔滨师范大学
【正文语种】中文
【中图分类】O469;TQ174.1
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基于第一性原理计算固氖单原子对体系结合能的贡献
基于第一性原理计算固氖单原子对体系结合能的贡献
郑兴荣;李向富;陈海军;郑燕飞
【期刊名称】《青海大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(036)001
【摘要】基于第一性原理,运用多体展开理论和原子团簇理论,通过拟合两体相互势能和总的相互势能,提出了一种计算fcc固氖结合能的简便新公式,并利用新公式的结果对固氖结合能和高压压缩特性与实验值做了比较.结果表明:这个新公式能够简单、准确地描述固氖的结合能和高压物态特性,且在整个实验压强范围内(0～238 GPa)与DAC实验值完全吻合,误差在3％以内.这个公式对各种状态的所有惰性元素结合能和高压压缩特性的研究具有重要意义.
【总页数】7页(P81-87)
【作者】郑兴荣;李向富;陈海军;郑燕飞
【作者单位】陇东学院电气工程学院,甘肃庆阳 745000;陇东学院电气工程学院,甘肃庆阳 745000;陇东学院电气工程学院,甘肃庆阳 745000;西南大学物理科学与技术学院,重庆 400715
【正文语种】中文
【中图分类】O641;O561.1
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Bi_xBa_(1-x)TiO_3电子及能带结构的第一性原理研究
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Ni_(13)Pr_3B_2电子结构和磁性能第一性原理研究
Ni_(13)Pr_3B_2电子结构和磁性能第一性原理研究
唐志强;齐砚勇;易勇;丁志杰
【期刊名称】《原子与分子物理学报》
【年(卷),期】2012(29)1
【摘要】考虑电子自旋极化作用,本研究基于第一性原理的全电子投影缀加平面波赝势法理论,采用局域自旋密度近似LSDA,对Ni_(13)Pr_3B_2金属间化合物进行结构优化,计算体系晶格常数,电子结构和磁性能.结果表明,Ni_(13)Pr_3 B_2为带隙很小的金属导体.LSDA近似下体系原子间存在复杂作用类型,Pr原子与近邻Ni、B原子以离子键作用为主,Ni原子与近邻Ni原子间表现共价作用情形.体系存在Pr-Ni 铁磁耦合,总磁矩约2.80212_(μB),主要由Pr原子磁矩提供,自旋极化引起体系Pr-4f、Ni-3p、Pr-5p电子自旋劈裂为体系表现磁性的根本原因.
【总页数】5页(P136-140)
【作者】唐志强;齐砚勇;易勇;丁志杰
【作者单位】西南科技大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O482.5
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CeCuGa3电子结构的第一性原理计算研究
【摘要】我们采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算研究了CeCuGa3材料的电子结构。
我们计算确定了其基态磁结构，解释了其形成的原因。
【关键词】稀土金属Ce化合物磁结构费米面电子结构
1 引言
稀土金属Ce化合物由于具有重费米子行为，不同类型的磁有序等独特的物理性质而引起了科学研究的极大兴趣。
其中晶体结构为BaAl4的CeCuxGa4-x化合物最为代表。
最早报道CeCuGa3在3.5K温度下，其基态为铁磁态[1]。
另外Mentink 等人报道直到温度低到0.4K，CeCuGa3基态为顺磁态[2]。
而Martin等人通过对多晶CeCuGa3样品的研究，发现材料显示近藤晶格行为并且基态为反铁磁态[3]。
最近，Joshi等人再次通过实验对单晶CeCuGa3样品进行了晶体结构和磁学性质的研究，发现材料为4K以下的铁磁态[4]。
面对以上对于样品CeCuGa3相互矛盾的磁基态的报道，本文就采用基于密度泛函理论的vasp软件包对该材料的电子结构和磁学性质进行了计算并讨论了其磁基态性质。
2 模型构建和计算方法
CeCuGa3晶体属于四方晶系结构，实验报道空间群为I4/mmm，No.139，如图1所示。
晶格常数a=b=4.273，c=10.44，α=β=γ=90°。
本文计算采用基于密度泛函理论（density functional theory，DFT）的V ASP（Vienna ab-initio simulation package）软件包进行计算。
计算步骤可以概括为三步：（1）对晶胞模型内部原子位置进行结构优化；（2）对材料进行磁构型计算，确定材料磁性基态。
（3）用广义梯度近似法（generalized gradient approximation，GGA）对优化后的理论模型进行单电子能量计算，对单电子能量计算结果进行总态密度（total density of states，TDOS）和分波态密度（partial density of states，PDOS）分析。
计算中平面波截断能取250eV，布里渊区积分采用5×5×5的Monkorst-Pack方案，内部原子作用力弛豫到低于0.01eV/，体系总能量收敛于1×10-4eV/atom。
3 结果与讨论
3.1 体系优化
在理论模型计算中，我们采用了文献[4]中的晶格常数即a=b= 4.273，c=10.44，α=β=γ=90°，然后进行原子内部坐标的弛豫。
在表1中我们列出了不等价原子坐标的弛豫结果。
表1 CeCuGa3原子位置坐标
3.2磁构型计算
由于不同的实验报道中对CeCuGa3的磁基态有不同的结果，所以我们计算了材料分别为顺磁，铁磁和反铁磁构型下基态总能量。
我们计算出的不同磁构型的总能量分别为：顺磁-34.578eV，铁磁-39.289eV，反铁磁-39.278eV。
根据能量最低原理，CeCuGa3基态为铁磁态，这与文献[4]的实验报道一致。
3.3 态密度分析
在图2中我们画出了CeCuGa3的总态密度和Ce 5d，Cu 4s，Ge 4p态的分波态密度。
从态密度图中可以知道该材料基态为金属，费米面主要由Ga 4p和Ce 5d 电子态组成。
从图中可以看出Ce 5d电子态是退局域的，构成了巡游电子。
Ga 4p 电子与Ce 5d电子在费米面附近的强烈杂化是形成材料铁磁态的原因。
4 致谢
感谢沈吉梅老师，朱庆利老师的有益讨论，该研究课题得到了南京师范大学泰州学院校级重点项目支持，项目编号Z201208。
参考文献：
[1]Y N Grin，K Hiebl，P Rogl & H Noel[J].J.Less Comm.Metals，1990，（162）：371.
[2]S A M Mentink，N M Bos，B J van Rossum，G J Neuwenhuys，J A Mydosh & K H J Buschow[J].J.Appl.Phys，1993，（73）：6625.
[3]J M Martin， D M Paul，M R Lees， D Warner & E Bauer[J].J.Magn.Magn.Mater，1996，（159）：223.
[4]Devang A Joshi，P Burger，P Adelmann，D Ernst & T Wolf arXiv：1204.4352v1.。