DFT密度泛函理论简介
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)
计算化学中的密度泛函理论
计算化学中的密度泛函理论计算化学是利用计算机模拟分子和反应过程的科学，它已经成为化学研究的重要手段。
其中密度泛函理论（DFT）作为一种重要的计算化学方法，在现代物理、化学、地球科学等领域中得到了广泛应用。
密度泛函理论起源于1964年，由P. Hohenberg与W. Kohn提出。
它通过波函数的精确形式表达计算繁琐的多电子系统中的相互作用能和电子密度分布，以一种简单有效的方式计算分子结构和反应性质。
DFT的中心思想是，一个系统的性质完全由其电子密度决定。
因此，在密度泛函理论中，系统的电子密度是基本变量。
DFT方法的基本思想是，将多电子体系中的每个电子采用一个局部函数来描述，将多个电子的局部函数合成为总的电子密度函数。
由此，可以得到一个只依赖于电子密度的交换-相关能泛函。
这个泛函通过对体系中的电子密度进行积分得到的结果，就是体系的总能量和电子密度分布。
因此，可以通过直接计算电子密度与其相关的总能量和反应性质。
DFT的另一个优点是可以用较小的计算代价解决大量问题。
DFT不需要精确计算电子波函数，在采用比较合适的基组（基本波函数集合）的情况下，可以避免多电子问题中的指数级增长。
此外，DFT还可以通过密度分析和分子轨道理论等方法，更加清楚直观地描述化学反应。
尽管DFT方法显示出许多优点，但仍然存在着一些问题，特别是对于过渡金属和配位化合物等需要包含精细关联关系的系统而言。
此外，构建准确的交换-相关泛函仍是DFT方法的一个重要挑战。
因此，未来的研究目标是发展新的交换-相关泛函，并将DFT与其他方法结合起来，以便更好地解决多电子体系的化学性质计算问题。
总之，DFT作为一种重要的计算化学方法，通过波函数的精确形式表达计算繁琐的多电子系统中的相互作用能和电子密度分布，以一种简单有效的方式计算分子结构和反应性质。
DFT的一些成果，如发现纳米材料，显示了它的极大推广价值。
随着计算化学、高性能计算技术、基础数学等领域的进一步发展，DFT的应用前景将会更加广阔。
密度泛函理论及其在材料科学中的应用
密度泛函理论及其在材料科学中的应用密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）是一种处理多体量子力学问题的计算方法，广泛应用于材料科学领域。
它基于电子密度的概念，将多体问题转化为单电子问题，从而计算材料的物理性质、结构和反应等。
密度泛函理论因其高效可靠的计算性质，在材料科学中得到了广泛的应用和发展。
密度泛函理论的基本原理是根据电子的运动方程来描述材料的行为。
该理论的核心是Kohn-Sham方程，它通过将复杂的多体问题转化为非相互作用电子的问题来解决。
该方程基于电子密度，即描述电子在空间中分布的函数，从而将原子核和电子之间的相互作用引入计算中。
通过求解Kohn-Sham方程，可以得到电子的波函数和能量，从而计算材料的性质。
密度泛函理论在材料科学中具有广泛的应用。
首先，它可以用于预测和解释材料的结构和稳定性。
通过计算材料的晶体结构、能带和原子间的相互作用，可以预测材料的晶体结构和相变，从而为合成新材料提供指导。
其次，密度泛函理论对于材料的电子性质的计算也十分重要。
通过计算材料的能带结构和态密度，可以得到材料的电导率、能级分布和载流子输运性质等信息，从而深入理解电子在材料中的行为，为材料的设计和优化提供依据。
此外，密度泛函理论还可以用于计算材料的光学性质。
通过计算材料的光学吸收和发射，可以得到材料的各向异性、折射率以及光电子耦合等信息，为设计新的光功能材料提供指导。
密度泛函理论还可以探索材料的力学性质和热力学性质。
通过计算材料的弹性模量、晶格常数以及材料的热膨胀系数等参数，可以了解材料的力学行为和稳定性。
此外，密度泛函理论还可以计算材料的热力学性质，如热容、热导率和相变温度等，为材料的应用和改进提供依据。
综上所述，密度泛函理论在材料科学中的应用十分广泛。
通过计算材料的结构、电子性质、光学性质以及力学性质等，可以深入理解材料的物理、化学和力学行为，为材料的设计、合成和应用提供指导。
密度泛函理论及其应用
密度泛函理论及其应用密度泛函理论是一种非常重要的理论，它为我们理解氢原子的电子结构、固体的起伏等提供了非常重要的指引。
密度泛函理论（DFT）最初是由劳伦斯·卡兹特·赫伯伯特（Laurence Kohn）和沃尔特·凯恩（Walter Kohn）提出的。
它是一种基于电子密度推导出体系的总能量、波函数和其他统计物理量的一般原理。
在这种理论中，电子密度起着中心作用，因为它能够完整地描述一个量子力学体系。
密度泛函理论是通用理论，适用于所有的材料。
因此，从高分子材料和生物大分子到催化剂和纳米晶体，密度泛函理论都可以用来描述它们的电子结构。
它已经成为机械计算和电子结构计算的重要方法，并且在分子、固体和表面的数学分析中发挥了重要作用。
密度泛函理论的应用1. 计算材料属性现代计算机结合密度泛函理论可以计算材料性质。
这些物理性质包括原子和分子几何结构、硬度、瑞利散射、比热容和电学性质。
最终，这些计算可以提供来自实验证明的实验设计的预测。
这是一个突破性的技术，因为它意味着合成新材料不再需要使用试错法，而是通过计算和优化得到。
比如，可以预测一些还没有合成的、但有前途的催化剂材料。
2. 模拟化学反应密度泛函理论可以用来模拟化学反应，已经成为有机和无机化学以及生物化学领域中的常用计算方法之一。
通过模拟化学反应，可以确定在给定条件下发生反应的机理和产物。
例如，可以模拟化学纯化过程来预测某种材料在特定条件下的分解，或侵蚀反应的机理。
3. 定量结构活性关系（QSAR）定量结构活性关系是计算机科学和化学之间的技术交叉，它可以将一个分子的特定结构与其生物活性或其他，比如环境毒性、生物崩解性和降解性，这样的性质联系起来。
密度泛函理论可用于定量结构活性关系（QSAR）的计算，因为它可以提供有关分子结构和性质之间的信息。
结束语随着计算能力的提高、软件算法的提高和新量子化学方法的精细化，密度泛函理论已经在多个领域得到了广泛的应用，与实验数据越来越联系紧密。
密度泛函理论
密度泛函理论, Density functional theory (DFT)是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。
密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。
电子结构理论的经典方法，特别是Hartree-Fock方法和后Hartree-Fock方法，是基于复杂的多电子波函数的。
密度泛函理论的主要目标就是用电子密度取代波函数做为研究的基本量。
因为多电子波函数有 3N个变量（N为电子数，每个电子包含三个空间变量），而电子密度仅是三个变量的函数，无论在概念上还是实际上都更方便处理。
虽然密度泛函理论的概念起源于Thomas-Fermi模型，但直到Hohenberg-Kohn定理提出之后才有了坚实的理论依据。
Hohenberg-Kohn第一定理指出体系的基态能量仅仅是电子密度的泛函。
Hohenberg-Kohn第二定理证明了以基态密度为变量，将体系能量最小化之后就得到了基态能量。
最初的HK理论只适用于没有磁场存在的基态，虽然现在已经被推广了。
最初的Hohenberg-Kohn定理仅仅指出了一一对应关系的存在，但是没有提供任何这种精确的对应关系。
正是在这些精确的对应关系中存在着近似（这个理论可以被推广到时间相关领域，从而用来计算激发态的性质[6]）。
密度泛函理论最普遍的应用是通过Kohn-Sham方法实现的。
在Kohn-Sham DFT的框架中，最难处理的多体问题（由于处在一个外部静电势中的电子相互作用而产生的）被简化成了一个没有相互作用的电子在有效势场中运动的问题。
这个有效势场包括了外部势场以及电子间库仑相互作用的影响，例如，交换和相关作用。
处理交换相关作用是KS DFT 中的难点。
目前并没有精确求解交换相关能E XC的方法。
最简单的近似求解方法为局域密度近似(LDA)。
LDA近似使用均匀电子气来计算体系的交换能（均匀电子气的交换能是可以精确求解的），而相关能部分则采用对自由电子气进行拟合的方法来处理。
dft密度泛函理论
dft密度泛函理论
DFT密度泛函理论（DFT）是一种用于计算和预测物质结构和性质的重要理论。
它是建立在现代量子化学理论之上，以经典原子泛函理论（AFL）为基础，建立在密度泛函理论（DFT）之上。
DFT密度泛函理论提供了一种更准确，更有效的方法来计算和预测物质的结构和性质。
DFT密度泛函理论的核心思想是将原子泛函理论的“方法”通过计算原子的坐标和自旋属性，将其转化为由电子的密度来确定的泛函理论。
这种理论在计算中使用了少量的变量，从而显著降低了计算量和计算时间，并且可以给出更准确的结果。
DFT密度泛函理论也可以用来计算物质的力学和热力性质，以及电子结构，从而有助于研究物质的性质。
DFT密度泛函理论的应用非常广泛，可以用来解决各种材料的结构和性质的问题，特别是金属、半导体、纳米材料和生物材料。
它对材料的发展和设计有重要的指导作用。
DFT密度泛函理论也可以用来预测材料的电子结构和性质，从而帮助研究人员更好地理解材料的性质。
DFT密度泛函理论是一种强大的理论，它可以为科学家们提供更多的信息，从而更好地研究物质的结构和性质。
它的应用范围非常广泛，可以用来解决各种材料的结构和性质的问题，也可以用来预测
材料的电子结构和性质。
密度泛函理论及其在材料科学中的应用综述
密度泛函理论及其在材料科学中的应用综述密度泛函理论（Density Functional Theory，简称DFT）是一种基于量子力学原理的计算方法，被广泛应用于材料科学领域。
该理论通过计算材料体系中的电子密度分布，揭示了电子结构和物性之间的关联，对于理解和预测材料的化学、物理性质具有重要意义。
本文将对密度泛函理论的基本原理和在材料科学中的应用进行综述。
密度泛函理论的核心思想是将多体问题转化为单体问题，即将多电子体系的波函数描述转化为电子密度描述。
根据Hohenberg-Kohn定理，多体问题的基态能量和波函数可以完全由电子密度确定。
这一定理为密度泛函理论提供了坚实的理论基础。
具体而言，DFT通过解决Kohn-Sham方程来计算材料体系的基态能量和波函数，进而获得电子密度。
Kohn-Sham方程是一个单体Schrödinger方程，通过构建交换-相关能泛函来近似处理与电子之间的相互作用。
密度泛函理论在材料科学中的应用无处不在。
首先，DFT可以用于研究材料的构型优化和几何结构。
通过计算晶格参数、原子位置或分子构型，可以预测和优化材料在不同环境中的结构稳定性和相互作用。
其次，DFT可以揭示材料的电子结构和能带特性。
通过计算能带结构、态密度和电子态等，可以理解材料的导电性、磁性和光电特性。
此外，DFT还可以用于研究材料的光学、热学和力学性质。
通过计算折射率、吸收谱和力学响应等，可以预测和解释材料在光学和力学方面的性能。
近年来，随着计算机硬件和算法的快速发展，密度泛函理论在材料科学中的应用得到了进一步拓展。
高通量计算方法的出现使得可以高效地筛选大量材料的性质，加速新材料的发现过程。
此外，与实验数据的对比和验证也大大提高了DFT的可靠性和准确性。
通过与X射线衍射、核磁共振和光电子能谱等实验数据的对比，可以进一步验证DFT模拟结果的正确性。
然而，密度泛函理论也存在一些挑战和限制。
首先，密度泛函理论是基于近似方法的计算方法，所以其结果受到交换-相关能泛函的选择和适用性的影响。
理论化学中的密度泛函理论研究
理论化学中的密度泛函理论研究密度泛函理论（Density Functional Theory，简称DFT）是理论化学中重要的研究手段之一。
本文将从理论化学的角度，对密度泛函理论的研究进行探讨，并对其在不同领域中的应用进行概述。
一、密度泛函理论的基本原理密度泛函理论是基于量子力学和统计力学的理论，旨在描述物质的电子结构和性质。
其基本原理是以电子的密度来描述体系的构型，而非直接求解薛定谔方程。
根据泡利不相容原理和库伦排斥定律，系统中任意两个电子的运动是相互耦合的，因此要准确地描述电子结构以及相互作用，需要考虑所有电子的密度分布。
二、密度泛函理论的发展历程密度泛函理论的发展可以追溯到20世纪60年代，由卡恩-肖姆方程的提出为其开创了先河。
在接下来的几十年里，密度泛函理论经历了快速发展，尤其是引入了一系列密度泛函近似方法，如局域密度近似（LDA）、广义梯度近似（GGA）等。
这些近似方法在提高计算效率的同时，尽可能保持原始密度泛函理论的准确性。
三、密度泛函理论在化学反应研究中的应用密度泛函理论在化学反应研究中发挥着重要作用。
通过计算反应能垒、反应活化能以及反应速率常数等，可以预测和解释化学反应的机理和动力学。
例如，利用密度泛函理论可以研究催化剂表面上的活性位点以及催化反应中的中间体形成机理，进一步指导实验设计和催化性能的改进。
四、密度泛函理论在材料科学研究中的应用密度泛函理论在材料科学研究中也广泛应用。
通过计算材料的电子结构、能带结构以及物理性质，可以预测和解释材料的电子输运性质、光学性质、磁性等。
例如，密度泛函理论可以用来研究光催化材料的吸光性质以及光生载流子的分离和转移行为，为光催化材料的设计和合成提供理论指导。
五、密度泛函理论在生物化学研究中的应用随着计算机技术的快速发展，密度泛函理论在生物化学研究中的应用也越来越广泛。
通过计算生物大分子（如蛋白质、核酸等）的结构和性质，可以揭示其功能机制并设计相关的药物分子。
dft计算反应热力学
dft计算反应热力学一、理论基础DFT（密度泛函理论）是一种基于电子密度的量子力学方法，可以用于计算分子和固体的性质。
在计算反应热力学时，DFT可以通过计算反应物和产物的能量差来得到反应的热力学数据。
DFT使用了一个泛函来描述系统的能量，这个泛函是电子密度的函数。
通过求解Kohn-Sham方程，可以得到系统的电子密度，并据此计算能量。
在计算反应热力学时，需要计算反应物和产物的能量，然后计算它们之间的能量差。
根据热力学原理，反应的热力学数据可以通过能量差来得到。
DFT还可以计算反应的活化能，即反应过程中的能垒。
活化能是指反应需要克服的能垒，它可以通过计算反应的过渡态来得到。
过渡态是反应物和产物之间的一个高能状态，通过计算过渡态的能量，可以得到反应的活化能。
二、实践应用DFT在计算反应热力学中的应用非常广泛。
它可以用于研究化学反应、催化反应、电化学反应等各种反应过程。
在化学反应研究中，DFT可以用来预测反应物和产物的能量、活化能、反应速率常数等热力学参数。
通过计算这些参数，可以了解反应的热力学性质，进而优化反应条件，提高反应效率。
在催化反应研究中，DFT可以用来研究催化剂的活性和选择性。
催化剂可以降低反应的活化能，提高反应速率。
通过计算催化剂表面的能量和反应物在催化剂表面上的吸附能，可以预测催化剂的活性和选择性。
在电化学反应研究中，DFT可以用来研究电极反应的机理和动力学。
通过计算电极上吸附物种的能量和电子转移的自由能，可以预测电极反应的电流-电位曲线和反应速率。
总结：DFT是一种基于电子密度的量子力学方法，可以用于计算反应热力学。
通过计算反应物和产物的能量差，可以得到反应的热力学数据。
DFT在化学反应、催化反应和电化学反应等领域都有广泛的应用。
通过DFT计算反应热力学，可以预测反应的能量、活化能和反应速率，进而优化反应条件，提高反应效率。
DFT(密度泛函理论)
2. 密度泛函理论
➢ Hohenberg-Kohn 定理
1）基态系统的所有物理性质都由电子密度唯一决定，能量与电子密度为一一映射。
2）对应于电子密度的变分原理：任意近似电子密度所对应的能量值都大于等于基 态对应的真正密度所决定的能量值。
13
2. 金属体系的力场
因为金属中的价电子可以自由运动， 所以一般要用多体作用描述金属体系的力场。
➢ EAM (Embedded Atom Model)
可以用于合金体系。以被广泛应用于多种金属及其合金。
Vi F
i j
rij
1 2
i
j
rij
其中 rij 是两个原子间的距离， 是类型为 和 的原子之间的二体势， 是类型 为 的原子 j 产生的电子电量密度在 i 处的值，F 是一个嵌入函数，代表把类型为 的原子 i 嵌入电子云中需要的能量。
2021/6/21
9
Partial charges of Kapton unit
3.2. 化学反应过渡态（Transition State， TS）计算
➢ 过渡态理论（Tranistion State Theory, TST）：假设沿反应坐标的所有点都处 在热力学平衡态，因而系统处在某一状态的几率服从玻尔兹曼分布。
➢ 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。
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）。
密度泛函 原子核
密度泛函原子核
密度泛函理论（density functional theory，DFT）是研究多电子体系电子结构最广泛使用的方法，已经成为化学、生物学、材料科学等领域研究中强有力的工具。
原子核密度泛函理论主要应用于原子核物理领域，主要关注原子核的结构和性质。
原子核密度泛函理论主要包括非相对论和相对论两大类。
在非相对论密度泛函理论中，原子核被视为经典粒子，因此可以将原子核的运动与电子的运动分开考虑，分别进行量子力学描述。
这种方法的优点在于其简单易懂，但是其忽略了原子核之间的相对运动和相关作用，因此在描述原子核结构方面存在一些限制。
相对论密度泛函理论则更精确地考虑了原子核的相对论效应和
量子效应，因此能够更准确地描述原子核的结构和性质。
相对论密度泛函理论基于Dirac方程描述原子核的运动，并使用
Dirac-Hartree-Fock近似计算原子核的密度分布和性质。
这种方法
在描述原子核的低激发态方面具有较高的精度，但是在高激发态和重离子碰撞等方面仍存在一些挑战。
此外，密度泛函理论还广泛应用于原子核的相互作用和散射等方面。
该理论通过密度分布来描述原子核的形状和大小，以及原子核之间的相互作用和散射等过程，提供了一种计算原子核结构和性质的有效方法。
总之，密度泛函理论在原子核物理领域中具有重要的应用价值，能够帮助人们更好地理解原子核的结构和性质，以及原子核之间的相
互作用和散射等过程。
密度泛函理论用于材料科学计算方法
密度泛函理论用于材料科学计算方法材料科学作为一个重要的学科领域，涉及到材料的设计、合成、性能优化等诸多方面。
而材料科学计算方法的发展对于材料研究和应用起着至关重要的作用。
在材料计算方法中，密度泛函理论是一种常用且有效的方法。
本文将介绍密度泛函理论的基本原理和在材料科学中的应用。
密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）是一种基于波函数密度的理论，用以描述复杂的量子体系。
该理论的核心思想是将体系的波函数看作电子密度的函数，并通过最小化电子能量来获得系统的基态性质。
相较于传统的波函数理论，密度泛函理论有效地降低了计算成本，提高了计算效率，因此得到了广泛的应用。
密度泛函理论广泛应用于研究和解释材料的结构、电子结构和性质。
其中，最重要的是通过密度泛函理论计算材料的能带结构和态密度。
能带结构是描述材料电子结构的重要概念，它可以揭示材料的导电性、绝缘性以及半导体特性。
利用密度泛函理论，可以通过计算得到材料的能带结构，进而进一步预测和研究材料的电导率、光吸收性、光电导等电子性质。
例如，通过密度泛函理论计算材料的能带结构，可以预测新材料的带隙大小，有助于寻找新的光电材料。
此外，密度泛函理论还可以用于计算材料的结构性质和热力学性质。
例如，通过计算材料的晶格常数、结构参数和晶胞参数，可以预测材料的晶体结构、晶格畸变等结构性质。
通过计算材料的热力学性质，如形成能、分解能和反应焓等，可以探索材料的相变行为、化学稳定性和热稳定性等。
另外，密度泛函理论还可以用于计算材料的各种性质，如磁性、光学性质、催化性能等。
通过计算材料的能态密度和态密度的积分，可以得到材料的总能级数和带隙大小，进而揭示材料的电子结合性质、磁性等。
利用密度泛函理论计算材料的光学性质，可以预测材料的能带间距、折射率、透射率等，有助于设计和优化光学器件。
此外，通过计算材料表面和催化剂的电荷分布和反应能垒等，可以预测催化反应的活性和选择性。
第四章 密度泛函理论(DFT)
13
4.5 局域密度近似
HK定理已经建立了密度泛函理论（DFT） 的框架，但在实际执行上遇到了严重困难。 主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)。
1 2
∇2
+ Veff
(r ) ⎤⎦
ψ i (r) = εiψ i (r)
Veff (r) = φ (r) + Vxc (r)
εi=Kohn-Sham本征值 称有效势
∫ φ (r) = v(r) +
n(r ') r −r '
dr
'
=
v(r
)
+
vH
(r
)
经典Coulomb势
Vxc
(r)
=
δ
E xc [n]
=
(Ψ,
(Hˆ
+V
′−V
)Ψ)
= (Ψ, Hˆ Ψ) + (Ψ, (V ′ −V )Ψ)
= E + ∫[v′(r) − v(r)]n(r)dr
(4.9)
10
Hohenberg-Kohn定理的证明(续)
即 E′< E + ∫ [v′(r) − v(r)]n(r)dr
同时，把带撇的与不带撇的交换得
(4.10)
DFT: n(r) 3维空间。
也许，在有机化学、生物 技术（爱滋病）、合金物 理、表面科学、磁性等领 域DFT最为重要。
8
4.3 Hohenberg-Kohn定理－I
1. 定理1：对于一个共同的外部势v(r), 相互作用的多粒子系统的 所有基态性质都由（非简併）基态的电子密度分布n(r)唯一地 决定。 简并Ref
DFT密度泛函理论简介
ψ HP = ϕ1ϕ2 ...ϕn
E = ∑ εi
i
······
平均场近似
单电子哈密顿量由变分得到
e2 Z I 2 2 ∇i − ∑ + vi hi =− r 2mi I iI
∧
HP
vi = ∑ ∫
j ≠i
eρ j rij
dr j
ρj = ϕj e
Initial wf or dens New Ham
∫ψ SD
1 r2 J ab − K ab ψ SD dr1d= r12 1 1 2 ψ HP dr1dr2 = ∫ ϕ a (1) ϕb2 ( 2 ) dr1dr2 r12 r12 1 ϕa ( 2 ) ϕb ( 2 ) dr1dr2 r12
J ab＝∫ψ HP
K ab＝∫ ϕ a (1)ϕb (1)
自相互作用误差
单电子体系
EC [n] = 0 E X [ n] = − EH [ n]
自相互作用修正
E
SIC XC
i N
交换关联泛函
交换项
ˆ |ψ SD 〉 − U [n ] E X [n ] = 〈ψ nSD | U n H
SD ˆˆ+ U |ψ= 〈ψ nSD | T TS [n ] + U H [n ] + E X [n ] n 〉
关联项
EC [n] =F [n] − (TS [n] + U H [n] + E X [n]) ˆˆˆˆ = 〈ψ min | T + U | ψ min 〉 − 〈ψ SD | T + U | ψ SD 〉
广义梯度近似(GGA)
引入密度梯度
密度泛函理论在材料设计中的应用
密度泛函理论在材料设计中的应用材料设计已经成为了当今科技领域的一个非常重要的研究方向。
而其中所涉及的理论和实验技术也非常的多样化。
密度泛函理论，作为一种重要的计算材料学方法，广泛应用于各种材料的研究中，并且在材料设计领域中也发挥着非常重要的作用。
本文将主要介绍密度泛函理论及其在材料设计中的应用。
第一部分：密度泛函理论的概述密度泛函理论（DFT）是由W.Kohn和P.Hohenberg于1964年率先提出的。
它是一种基于波函数密度方程的计算方法，可以用来计算材料的电、磁性质、几何结构和反应动力学等各种物理性质。
DFT方法得到广泛应用的主要原因是它相对于其他量子力学方法，具有高效性、精度度高、适用范围广、实现简单等优点。
相应的，由于一些先决条件和数值模型的理想性质，并非所有的物理模型都可以成功模拟，但是对于大部分情况下，能给出相对准确和可信的结果。
在DFT方法中，电子气的密度是一个基本变量，它可以从波函数计算中得到。
与其他量子力学方法不同的是，DFT并不涉及电子之间的相互作用，这是因为电子的相互作用可以用电子密度来模拟。
DFT方法的基本思想是通过变分原理，找到最低能量密度的电子密度分布，从而得到整个电子体系的能量。
因此，DFT可以通过计算体系中的每个位置上的电子能级来预测各种性质，如基态能量、电荷密度、电场和磁场分布等。
第二部分：1.材料的结构优化密度泛函理论可以通过计算材料的总能量和原子之间的相互作用，来预测材料的几何结构。
这使得我们能够通过计算取代实验来设计新型的材料。
例如，DFT可以预测晶格常数、晶体结构和晶面取向等材料构型特性。
高处于能量上面的结构不稳定，最稳定的结构就是能量最低的结构，由此推导出材料稳定性的判据。
对结构的优化可以使得材料的特性得到最大限度的优化，例如电子载流能力、机械性能、光学性质、催化性质和热稳定性等。
2.材料的电学性质材料的电学性质在材料的应用中非常重要。
密度泛函理论可以提供一个精确的描述材料电子结构和电导率的方法。
dft密度泛函理论
dft密度泛函理论
DFT密度泛函理论是一种用于研究和预测微观物理性质的理论方法。
它是一种用于计算受到不同外力影响时原子或分子的性质和行为的理论方法。
DFT密度泛函理论可以用来解释分子结构、分子动力学和反应性质，以及分子的光谱、热力学和动力学特性。
该理论的基础是建立在原子的密度分布上的，它将原子组成的分子结构以及分子间的作用力进行建模来计算物理性质。
它将原子的密度分布表示为一个数学函数，根据密度分布来计算原子或分子的能量。
这种能量表示函数，称为“密度泛函”，从而可以计算出原子或分子的性质。
DFT密度泛函理论有助于更准确地预测分子的性质，比如分子的结构和反应性质。
它也可以用来研究复杂的系统，比如纳米尺寸的分子结构，以及多原子分子的反应性质。
此外，它还可以用于研究环境和生物化学反应，特别是在研究环境污染物的毒性和生物反应性时，DFT密度泛函理论可以提供有用的信息和指导。
DFT密度泛函理论可以在计算机上用来计算分子的结构和反应性质。
它可以用来解决复杂的量子力学问题，并可以有效地计算出分子的性质和行为。
它在计算分子的性质和行为方面发挥着重要作用，为化学研究和工业应用提供了重要支持。
综上所述，DFT密度泛函理论是一种用于研究和预测微观物理性质的理论方法。
它可以用来解释分子结构、分子动力学和反应性质，以及分子的光谱、热力学和动力学特性。
它可以在计算机上更加准确地计算出分子的性质和行为，可以用于研究环境和生物化学反应，为化学研究和工业应用提供了重要支持。
density functional theory
density functional theory密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)的基本原理。
DFT是一个求解多电子体系的重要方法，在计算材料学和计算化学中有着广泛的应用。
1 DFT计算简介DFT理论，是一种从头算(ab initio)理论，意思是只是纯粹从量子力学的基本原理出发来对多电子体系进行运算，而不包含任何经验常数。
但是为了与其他的量子化学从头算方法区分,人们通常把基于密度泛函理论的计算叫做第一性原理(first-principles)计算。
正如“密度泛函”这个词所揭示的，与传统的量子理论将波函数作为体系的基本物理量不同，DFT是一个通过计算电子数密度研究多电子体系的方法。
具体到操作中，我们首先通过两个基本定理，把求解多电子总体波函数的问题简化为求解空间电子数密度的问题，再通过一些近似，把难以解决的包含电子-电子相互作用的问题简化成无相互作用的问题，再将所有误差单独放进一项中，之后再对这个误差进行分析，最后求出电子数密度，进而得出系统的种种性质。
2 基本概念这一节旨在对一些理解DFT所必须的量子力学概念进行回顾：•波函数：在量子力学中，求解薛定谔方程波函数完备地描述了这个系统的状态，可以类比为经典力学中求得的牛顿方程的解。
•算符：对变量施加的数学运算（比如乘上一个数，对它求导等等）。
量子力学中，可观测量（比如位置、动量）由一类特殊的算符，即厄米算符表示。
•基态：一个系统最稳定的状态，或者说能量最低的状态。
3 从量子力学到凝聚态物理理论化学实际上就是物理。
但是，必须强调的是，这种解释只是原则上的。
我们已经讨论过了解下棋规则与擅长下棋之间的差别。
也就是说，我们可能知道有关的规则，但是下得不很好。
我们知道，精确地预言某个化学反应中会出现什么情况是十分困难的；然而，理论化学的最深刻部分必定会归结到量子力学。
——理查德·费曼，费曼物理学讲义，1962这一节中，我们从凝聚态物理和材料学的实际需求出发，探讨量子力学的基本原理如何应用于多原子体系的计算，进而指出引出密度泛函理论的讨论对象——电荷数密度的必要性。
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 , · · · ,N r ), 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⎢⎥⎣⎦⎣⎦∑∑∑ (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(r ) 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⋅⋅⋅⎰⎰⎰ (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 是知道的话, 那么基态的波函数012(,,)N r r r ψ⋅⋅⋅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 =⎰ (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 =⎰ (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。
DFT密度泛函理论简介
密度泛函理论, Density functional theory (DFT)是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。
密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。
理论概述电子结构理论的经典方法，特别是Hartree-Fock方法和后Hartree-Fock方法，是基于复杂的多电子波函数的。
密度泛函理论的主要目标就是用电子密度取代波函数做为研究的基本量。
因为多电子波函数有个变量（为电子数，每个电子包含三个空间变量），而电子密度仅是三个变量的函数，无论在概念上还是实际上都更方便处理。
虽然密度泛函理论的概念起源于Thomas-Fermi模型，但直到Hohenberg-Kohn定理提出之后才有了坚实的理论依据。
Hohenberg-Kohn第一定理指出体系的基态能量仅仅是电子密度的泛函。
Hohenberg-Kohn第二定理证明了以基态密度为变量，将体系能量最小化之后就得到了基态能量。
最初的HK理论只适用于没有磁场存在的基态，虽然现在已经被推广了。
最初的Hohenberg-Kohn定理仅仅指出了一一对应关系的存在，但是没有提供任何这种精确的对应关系。
正是在这些精确的对应关系中存在着近似（这个理论可以被推广到时间相关领域，从而用来计算激发态的性质[6]）。
密度泛函理论最普遍的应用是通过Kohn-Sham方法实现的。
在Kohn-Sham DFT的框架中，最难处理的多体问题（由于处在一个外部静电势中的电子相互作用而产生的）被简化成了一个没有相互作用的电子在有效势场中运动的问题。
这个有效势场包括了外部势场以及电子间库仑相互作用的影响，例如，交换和相关作用。
处理交换相关作用是KS DFT中的难点。
目前并没有精确求解交换相关能的方法。
最简单的近似求解方法为局域密度近似(LDA)。
LDA近似使用均匀电子气来计算体系的交换能（均匀电子气的交换能是可以精确求解的），而相关能部分则采用对自由电子气进行拟合的方法来处理。
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密度泛函理论, Density functional theory (DFT)是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。
密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。
理论概述
电子结构理论的经典方法，特别是Hartree-Fock方法和后Hartree-Fock方法，是基于复杂的多电子波函数的。
密度泛函理论的主要目标就是用电子密度取代波函数做为研究的基本量。
因为多电子波函数有个变量（为电子数，每个电子包含三个空间变量），而电子密度仅是三个变量的函数，无论在概念上还是实际上都更方便处理。
虽然密度泛函理论的概念起源于Thomas-Fermi模型，但直到Hohenberg-Kohn定理提出之后才有了坚实的理论依据。
Hohenberg-Kohn第一定理指出体系的基态能量仅仅是电子密度的泛函。
Hohenberg-Kohn第二定理证明了以基态密度为变量，将体系能量最小化之后就得到了基态能量。
最初的HK理论只适用于没有磁场存在的基态，虽然现在已经被推广了。
最初的Hohenberg-Kohn定理仅仅指出了一一对应关系的存在，但是没有提供任何这种精确的对应关系。
正是在这些精确的对应关系中存在着近似（这个理论可以被推广到时间相关领域，从而用来计算激发态的性质[6]）。
密度泛函理论最普遍的应用是通过Kohn-Sham方法实现的。
在Kohn-Sham DFT的框架中，最难处理的多体问题（由于处在一个外部静电势中的电子相互作用而产生的）被简化成了一个没有相互作用的电子在有效势场中运动的问题。
这个有效势场包括了外部势场以及电子间库仑相互作用的影响，例如，交换和相关作用。
处理交换相关作用是KS DFT中的难点。
目前并没有精确求解交换相关能的方法。
最简单的近似求解方法为局域密度近似(LDA)。
LDA近似使用均匀电子气来计算体系的交换能（均匀电子气的交换能是可以精确求解的），而相关能部分则采用对自由电子气进行拟合的方法来处理。
自1970年以来，密度泛函理论在固体物理学的计算中得到广泛的应用。
在多数情况下，与其他解决量子力学多体问题的方法相比，采用局域密度近似的密度泛函理论给出了非常令人满意的结果，同时固态计算相比实验的费用要少。
尽管如此，人们普遍认为量子化学计算不能给出足够精确的结果，直到二十世纪九十年代，理论中所采用的近似被重新提炼成更好的交换相关作用模型。
密度泛函理论是目前多种领域中电子结构计算的领先方法。
尽管密度泛函理论得到了改进，但是用它来恰当的描述分子间相互作用，
特别是范德瓦尔斯力，或者计算半导体的能隙还是有一定困难的。
[编辑]早期模型: Thomas-Fermi 模型
密度泛函理论可以上溯到由Thomas和Fermi在1920年代发展的Thomas-Fermi模型。
他们将一个原子的动能表示成电子密度的泛函，并加上原子核-电子和电子-电子相互作用（两种作用都可以通过电子密度来表达）的经典表达来计算原子的能量。
Thomas-Fermi模型是很重要的第一步，但是由于没有考虑Hartree-Fock理论指出的原子交换能，Thomas-Fermi方程的精度受到限制。
1928年保罗·狄拉克在该模型基础上增加了一个交换能泛函项。
然而，在大多数应用中Thomas-Fermi-Dirac理论表现得非常不够准确。
其中最大的误差来自动能的表示，然后是交换能中的误差，以及对电子相关作用的完全忽略。
[编辑]导出过程和表达式
在通常的多体问题电子结构的计算中，原子核可以看作静止不动的（波恩-奥本海默近似），这样电子可看作在原子核产生的静电势中运动。
电子的定态可由满足多体薛定谔方程的波函数描述：
其中为电子数目，为电子间的相互作用势。
算符和称为普适算符，它们在所有系统中都相同，而算符则依赖于系统，为非普适的。
可以看出，单粒子问题和比较复杂的多粒子问题的区别在于交换作用项。
目前有很多成熟的方法来解多体薛定谔方程，例如：物理学里使用的图形微扰理论和量子化学里使用的基于斯莱特行列式中波函数系统展开的组态相互作用（CI）方法。
然而，这些方法的问题在于较大的计算量，很难用于大规模复杂系统的计算。
相比之下，密度函理论将含的多体问题转化为不含的单体问题上，成为解决此类问题的一个有效方法。
在密度泛函理论中，最关键的变量为粒子密度，它由下式给出
霍恩伯格和沃尔特·科恩在1964年提出 [1]，上面的关系可以反过来，即给出基态电子密度，原则上可以计算出对应的基态波函数。
也就是说，是的唯一泛函，即
对应地，所有其它基态可观测量均为的泛函
进而可以得出，基态能量也是的泛函
,
其中外势场的贡献可以用密度表示成
泛函和称为普适泛函，而显然不是普适的，它取决于所考虑的系统。
对于确定的系统，即已知，需要将泛函
对于求极小值。
这里假定能够得出和的表达式。
对能量泛函求极值可以得到基态能量，进而求得所有基态可观测量。
对能量泛函求变分极值可以用不定算子的拉格朗日方法，这由科恩和沈吕九在1965年完成 [2]。
这里我们使用如下结论：上面方程中的泛函可以写成一个无相互作用的体系的密度泛函
其中为无相互作用的动能，为粒子运动感受到的外势场。
显然，，若取为
这样，可以解这个辅助的无相互作用体系的科恩-沈吕久方程
可以得到一系列的电子轨域，并由此求得原来的多体体
系的电子密度
等效的单粒子势可以表示成
其中第二项为描述电子间库仑斥力的哈特里项，最后一项叫做交换关联势，包含所有多粒子的相互作用。
由于哈特里项和交换关联项都依赖于 , 又依赖于 , 而又依赖于 , 科恩-沈吕九方程的求解需要用自洽方法。
通常首先假设一个初始的 , 然后计算对应的并求解科恩-沈吕九方程中的。
进而可以计算出新的密度分布，并开始新一轮计算。
此过程不断重复，直到计算结果收敛。