第一节第一性原理计算方法.
材料科学中第一性原理计算方法研究
材料科学中第一性原理计算方法研究近年来，材料科学领域的研究取得了许多重大突破，其中第一性原理计算方法成为材料设计和研究的重要工具之一。
这种方法通过基本的物理原理和数学方程来研究材料的性质和行为，为材料设计和性能优化提供了新的途径。
第一性原理计算方法是基于量子力学的一种计算方法，从第一性原理出发，通过求解薛定谔方程以及其他相关方程来研究材料的性质。
它不依赖于任何经验参数或假设，能够提供对材料的精确描述和准确预测。
第一性原理计算方法的核心是密度泛函理论（Density Functional Theory，简称DFT），它将体系的物理性质与体系中电子的密度联系起来。
根据Kohn-Sham方程，DFT通过对电子的运动方程进行求解，得到体系的基态电子密度。
通过计算得到的电子密度，可以进一步计算出材料的能带结构、电子态密度、态密度、声子谱、磁性及其它性质。
与传统的实验方法相比，第一性原理计算方法具有独特的优势。
首先，它能够提供物理性质的原子尺度描述，可以捕捉到材料内部微观原子结构的信息。
其次，该方法能够计算和预测材料的多种性质，如电子能带结构、晶格常数、弹性性能、热力学性质等，为材料设计和开发提供了重要参考。
此外，第一性原理计算方法可以帮助解释材料性能背后的基本物理机制，揭示材料特性的微观本质。
近年来，随着计算机性能的不断提升和计算方法的进步，第一性原理计算方法在材料科学中的应用得到了广泛拓展。
例如，它在材料的合成、器件的设计和材料的特性优化等方面发挥了重要作用。
通过预测和优化材料的能带结构和电子态密度，可以筛选出具有优异性能的新材料，为新能源、环境友好材料、传感器和光电器件的研发提供重要支持。
此外，第一性原理计算方法还可以帮助优化材料的力学、热力学和电磁性能，提高材料的功能性能。
尽管第一性原理计算方法为材料科学提供了强大的工具和理论基础，但也面临一些挑战。
首先，该方法对计算所需的资源要求较高，需要大量计算时间和计算机内存。
实验指导书(一)-第一性原理方法计算
《计算材料学导论》实验指导书实验一：第一性原理方法计算模拟化合物的晶体结构和电子结构实验目的：1）近十年来，随着计算机技术和材料科学的发展，基于密度函数理论的第一性原理方法计算在材料科学中的应用十分普遍和活跃，发展异常迅速。
其应用领域涉及材料晶体结构优化，态密度和能带结构等电子结构，掺杂效应，相变热力学、光、电磁学性质的计算和设计。
量子化学计算软件包较多，如免费软件包ABINIT(详见教材), 商业化软件包V ASP, CASTEP，GAUSSIAN。
本实验运用VASP4.6软件包，计算AB型的ZnS或相似结构的晶体结构和电子结构。
实验要求：2）首先完成下列基础知识的问答填空，然后运用运用V ASP4.6软件包，计算AB型的ZnS或相似结构的晶体结构和电子结构，并画出图形。
实验内容:(一) 基础填空1) 简述第一性原理方法（或从头算）的基本概念。
（）2）简述第一性原理方法在材料科学中有哪些具体应用？（）3) 什么叫多粒子体系的总能？（）4) 什么叫能带结构？它是如何形成的？（）（二）第一性原理方法计算模拟AB型化合物（如ZnS）的晶体结构和电子结构。
1.ZnS具有多种晶形，如闪锌矿结构(The Zincblende (B3) Structure)和纤锌矿结构（The Wurtzite (B4)Structure）,与之结构相同的化合物还有很多，不少化合物具有独特的光电特性。
请根据计算指南和模板，计算ZnS或者ZnO, SiC, AlN, CdSe，AgI, AlAs, AlP, AlSb, BAs, BN, BP, BeS, BeSe, BeTe, CdS,CdSe,CdTe, CuBr, CuCl, CuF, CuI, GaAs, GaP, GaSb, HgS, HgSe, HgTe, INAs, InP, MnS, MnSe, SiC, ZnSe, ZnTe)的晶体结构（含晶胞参数a,b,c,V，原子位置的可变内部参数），电子结构(含态密度（含总态密度，分态密度）和能带结构。
第一性原理计算 ppt课件
ppt课件
9
• 除非i等于j，否则Lagrange乘法因子为0 .
Fi i ij j
•每一个电子都被假设在包括原子核和其他电子的固定区域中运动 •每一个电子方程得到的解都会影响系统中其他电子的解 自洽场假设
解的思路 •得到一个H-F本征方程的试探解，用来计算库仑和交还能。 •解H-F方，给出第二套解。 •一次类推。 •SCF方法逐渐得到对应越来越低能量的单电子的解。直到一点，在这一 点所有的电子的方程不再改变
ij Sij 0
ij
ppt课件
6
• Lagrange乘法因子被写为－ij
E
ij Sij 0
ij
• 多电子系统和单电子系统的最大区别在于存在电子之间的
作用，包括库仑和交换积分
• 找到多电子系统最好的波函数，保留轨道图像
• 找到一个解，当一个电子的轨道变化时由于电子耦合作用 会影响其他自旋轨道上的电子的运动，在上述情况下，这
ppt课件
12
• 完整的轨道，我们要用角度部分乘以径向函数部分
1s (r) 3 / exp(r)
2s (r) 5 / 3 rexp(r)
2 pz (r) 5 / exp(r)cos
ppt课件
13
• Slater给出了一系列的轨道指数的确定原则
Z
n*
Z为原子数，为屏蔽常数，n*为有效的主量子数
n* :
n=1,2,3时取与n相同的值；n＝4，5，6s时，取3.7,4.0,4.2
屏蔽常数按下列规则确定 :
把轨道划分如下组： （1s）;(2s,2p);(3s,3p);(3d);(4s,4p);(4f);(5s,5p);(5d)
第一性原理计算
第一性原理计算引言第一性原理计算是一种基于量子力学原理的计算方法，用于研究材料的性质和行为。
它通过解析薛定谔方程，从头开始计算材料的性质，而不依赖于经验参数或已知的实验数据。
这使得第一性原理计算成为研究材料性质的重要工具，也为材料设计和开发提供了新的途径。
原理和方法第一性原理计算的核心是薛定谔方程的求解。
薛定谔方程描述了量子力学系统的行为，通过求解薛定谔方程可以得到体系的能量、电子结构、晶体结构、力学性能等信息。
然而，薛定谔方程的精确求解是不可行的，因此需要使用一些近似方法来简化计算过程。
其中最常用的方法是密度泛函理论（DFT）。
密度泛函理论的基本思想是将体系中的电子密度视为基本变量，通过最小化体系的总能量来确定电子密度。
这可以通过Kohn-Sham方程来实现，其中包括了交换-相关能的近似处理。
通过求解Kohn-Sham方程，可以得到体系的电子结构和能量。
此外，还有一些其他的方法被用于提高计算精度，如GW近似、自洽Poisson方程、多体微扰理论等。
这些方法的选择取决于研究问题的特点和需要。
应用领域第一性原理计算在材料科学、物理学和化学等领域有着广泛的应用。
1.材料设计：第一性原理计算可以用于预测新材料的性质，从而加速材料的设计和开发过程。
它可以通过计算和优化材料的能带结构、晶体结构等来寻找具有特定性能的材料。
2.反应动力学：第一性原理计算还可以用于研究化学反应的动力学过程。
通过计算反应的势能面和反应路径，可以预测反应速率和产物选择性。
3.催化剂设计：催化剂是许多化学反应中的关键组分。
第一性原理计算可以帮助设计和优化催化剂的表面结构和活性位点，从而提高催化剂的效率和选择性。
4.电子器件：第一性原理计算在电子器件领域的应用也日益重要。
它可以用于模拟和优化半导体器件的性能，如晶体管、太阳能电池等。
5.生物物理学：第一性原理计算在生物物理学研究中也发挥着重要作用。
它可以用于预测蛋白质的结构和稳定性，研究生物分子的相互作用以及药物分子的设计等。
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 )
化学反应动力学的第一性原理计算方法
化学反应动力学的第一性原理计算方法化学反应是物质变化的一种形式，通常是指原子或分子之间的化学键被打破或形成，从而形成新的化合物。
化学反应动力学研究的是化学反应速率的研究，也就是反应物转变为产物的速率。
动力学的研究对于理解化学反应机理和制定化学反应工艺有着重要的意义。
在现代化学研究中，化学反应动力学的第一性原理计算方法已经成为重要的工具。
化学反应动力学的第一性原理计算方法指的是运用量子力学原理和分子动力学模拟技术对化学反应动力学过程进行精确的计算和模拟。
这种方法无需依靠实验数据，而是直接从微观层面分析分子之间的相互作用。
通过对分子结构和动力学过程的分析，可以计算得到反应动力学的速率常数、反应机理、反应能垒等其它重要参数，从而能够深入理解化学反应的本质。
化学反应动力学的第一性原理计算方法主要应用于分子动力学模拟和量子化学计算两个方面。
其中，分子动力学模拟方法主要是基于原子力场，通过数值积分求解牛顿方程，模拟反应过程。
它可以计算物质的结构、能量以及动力学过程。
量子化学计算方法则是基于量子力学理论，通过求解薛定谔方程，计算分子间的相互作用和反应机理。
这种方法可以计算各种化学反应的能垒、活化能、反应速率以及反应机理。
对于化学反应动力学的第一性原理计算方法，其中一个比较重要的问题就是如何评估理论计算的准确性。
实际上，在计算化学的过程中，化学反应动力学的第一性原理计算方法也不能完全避免计算误差。
因此，如何评估计算误差以及如何优化理论计算模型是这个领域研究者一直在关注的问题。
面对以上问题，化学反应动力学的第一性原理计算方法的研究者们借鉴了机器学习的思想，开发出了一种基于数据库和机器学习的化学反应动力学数据驱动模型。
该模型基于已有的关于反应动力学的实验数据和理论计算数据，通过机器学习方法对反应动力学模型进行训练、验证和优化。
这种模型可以有效地降低计算误差，提高计算准确性，并能够提高计算速度。
总之，化学反应动力学的第一性原理计算方法是指在量子力学和分子动力学的基础上，通过计算和模拟分子间的相互作用和反应过程来研究化学反应动力学的的方法。
第一性原理计算
第一性原理计算
第一性原理计算是一种基于物理和数学原理的计算方法，用于研究物质的性质和行为。
它从基本的原子和分子相互作用出发，通过数值方法和近似算法来解决量子力学方程，从而得到材料的结构、能带结构、电子态密度等重要性质。
第一性原理计算的核心是量子力学的薛定谔方程。
这个方程描述了电子在势能场中的行为。
为了求解这个方程，需要考虑电子的波函数和势能场的相互作用。
然而，由于电子-电子相互
作用的复杂性以及多体问题的困难性，精确求解薛定谔方程是不可行的。
因此，第一性原理计算使用了一系列近似方法和数值技术，以在合理的计算复杂度下得到准确的结果。
第一性原理计算的基本步骤是将问题转化为一个离散化的体系。
首先，使用数值方法将空间划分为有限的格点，将连续的波函数表示为在这些格点上的数值。
然后，通过求解离散化的薛定谔方程，可以得到系统的电子和原子核的波函数。
接下来，利用这些波函数可以计算出材料的各种性质，如能带结构、电荷密度和振动谱等。
第一性原理计算在材料科学、物理化学和固体物理等领域有着广泛的应用。
它可以用于预测和设计新材料的性质，优化材料的性能以及研究材料的动力学行为。
通过结合实验数据和第一性原理计算的结果，科学家们可以更好地理解材料的行为，并为材料的应用提供指导和支持。
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。
空穴带结构的第一性原理计算
空穴带结构的第一性原理计算第一节：引言在当今材料科学领域，空穴带结构的研究已成为热点话题。
空穴带结构可以作为一种半导体材料，具有优越的电子传输特性和潜在的应用前景。
本文旨在探讨空穴带结构的第一性原理计算方法，并分析其在材料设计和性能预测方面的应用。
第二节：空穴带结构的概述空穴带结构是一种具有高效载流子传输能力的半导体材料结构。
其基本特征是在晶体中形成了一系列空穴能级，使得电子和空穴在带隙中自由移动。
空穴带结构的形成可以通过外加压力、化学合成等方法实现。
空穴带结构的电子结构和能带特性可以通过第一性原理计算方法进行准确预测。
第三节：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和电子结构理论的计算方法。
其核心思想是通过求解薛定谔方程，获得材料的电子结构和能带特性。
第一性原理计算方法的基本步骤包括选取合适的晶胞模型、选择材料的计算方法（如密度泛函理论）、优化晶胞参数、计算所需物理量等。
第四节：空穴带结构的第一性原理计算步骤1. 样品准备：选择适合计算的空穴带结构样品，并进行晶胞优化，确定合适的晶胞参数。
2. 电子结构计算：利用第一性原理计算方法，求解薛定谔方程，得到空穴带结构的电子结构。
这一步骤涉及到波函数展开、能带结构绘制等计算技术。
3. 能带特性分析：利用得到的电子结构，分析空穴带结构的能带特性。
可以计算空穴能级、导带带顶和价带底的位置、带隙大小等物理量。
第五节：空穴带结构的应用前景空穴带结构的第一性原理计算在材料设计和性能预测方面具有重要应用前景。
通过计算空穴能级、带隙大小等物理量，可以预测材料的光电性质、导电性质等重要性能。
这对于材料研发人员来说，有助于快速筛选出具有潜在应用价值的材料。
第六节：结论通过空穴带结构的第一性原理计算，我们可以准确得到材料的电子结构和能带特性，为材料设计和性能预测提供了新的思路和方法。
尽管目前仍面临一些挑战，例如计算复杂度较高、计算结果对初始参数敏感等问题，但随着计算技术的发展和方法的改进，相信将会有更多应用潜力被挖掘出来。
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。
第一性原理方法介绍-讲座1-1-6
下所示 (x1, x2,, xN ) P(1(x1)2 (x2 )N (xN ))
烟台大学光电信息学院
14
3 第一性原理的计算思路
由于体系中电子的数目可能很大，电子的量子效应很突出， 其薛定谔方程的求解十分困难，这一近似的简化是非常有用的。
他们包括分子团簇，晶体表面，体材料，以及各种各样的 原子、分子凝聚体。
目前．固体量子理论的发展在利用计算机的条件下已经用 来探索和预测尚未合成的新材料
烟台大学光电信息学院
8
3 第一性原理的计算思路
块状体材料的结构和低维结构材料的许多基本物理性 质是由其电子结构决定的。
要确定它们的电子结构．须采用基于第一性原理的计 算方法．
但是在上式中，由于电子间相互作用，每一个分子轨道 i (r) 仍然是未知待求的函数，为了便于求解，可以再采用一次表象 形式，可以简单地利用原子轨道波函数j (r) （第二组基矢）的 线性组合表示这个分子轨道．
i (r) cijj (r)
j
1(x2 ) 2 (x2 )
N (x2 )
1(xN ) 2 (xN ) N (xN )
但是基矢的数目仍然很多，对于基态可以采用变分法，这样只要取其中
一个对称化基矢，通过变分获取独立单粒子态的量子力学方程即可，即
单电子近似。
Fi (1)i (1) ii (1)
烟台大学光电信息学院
13
3 第一性原理的计算思路
烟台大学光电信息学院
3
1 引言 除了氢和氦这类较轻的元素外，原子核运动的量子性在许 多场合并不是很重要的，即可以将原子核作为带电荷的质点进 行经典的考虑：然而，关于围绕原子核运动的电子，其量子性
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。
第一性原理的计算方法及常用软件介绍
第二章研究方法与程序介绍§2.1 全电子法和赝势法应用于铁电体的第一性原理计算方法和工具很多，根据对势函数及内层电子的处理方法不同主要分为两大类，一种是波函数中包含了高能态和内层电子，而势函数只是原子核的贡献，这称为全电子（all electron calculation）法，另一种处理方法是势函数为原子核和内层电子联合产生的势，称为离子赝势，波函数只是高能态电子的函数，这称为赝势（pseudo-potential）法。
因为内层电子对价电子的排斥作用部分地抵消了原子核对价电子的强吸引作用，所以赝势是一种比较弱和比较平坦的势。
引入赝势的要点在于，赝势对应的薛定谔方程与真实势对应的薛定谔方程有相同的能量本征值。
在这一前提下，引入赝势的方法不是唯一的。
在第一性原理计算中，用的是所谓模守恒赝势法。
这种赝势所对应的波函数有一个特点，在离开原子核一定距离的空间，它与真实势对应的波函数不但形式相同，而且幅度相等，故称模守恒。
这种方法从原子势算起，不引入任何实验参数，所以又称为从头算起（ab initio）赝势方法。
一般来说，赝势法计算量较小，但其中消去了内层电子态，相对于全电子法多引入了一个近似。
该方法的优点是较便于计算离子受到的作用力，后者等于总能量对原胞内离子位矢导数的负数，称为Hellmann-Feynman力。
赝势法用平面波展开来表示价电子态，如果晶体中的原子有2p未满壳层（如氧）或3d未满壳层（如钛），则赝势将很“硬”，为满足模守恒，需要为数很多的平面波基函数，计算量太大。
为此发展了超软赝势（ultro-soft pseudo-potential）法。
对波函数引入一个重叠算符，使赝势变软，减少了平面波基函数。
在铁电体研究中用的赝势法通常是这种方法。
全电子法表示电子态时将空间分为两部分：一是原子核附近的球形区，称为丸盒（muffin-tin）区，二是原子核间的其它区域。
在球形区，基函数、电荷密度16和势均用径向函数展开，在其它区域，这些量用平面波或球面波展开。
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。
第一性计算原理
Vasp我所用第一原理是基于密度泛函（DFT）的从头计算，是以电子密度作为基本变量（HK定理），通过求解kohn-sham方程，迭代自洽得到体系的基态电子密度，然后求体系的基态性质。
还有一种是基于hartree-fock自洽计算，通过自洽求解HF方程，获得体系的波函数，求基态性质。
KS方程的计算水平达到了HF水平，同时还考虑了电子间的交换关联作用。
关于DFT中密度泛函的Function其实是交换关联泛函，包括LDA,GGA,杂化泛函等等。
一般LDA为局域密度近似，在空间某点用均匀电子气密度作为交换关联泛函的唯一变量，多数为参数化的CA-PZ方案；GGA为广义梯度近似，不仅将电子密度作为交换关联泛函的变量，也考虑了密度的梯度为变量，包括PBE,PE.RPBE等方案。
在处理计算体系中原子的电子态时有两种方法，一种是考虑所有电子叫做全电子法，比如WIEN2K中的FLAPW方法（线性缀加平面波）；另一种是只考虑价电子而把芯电子和原子核构成离子实放在一起考虑即赝势法，一般贋势法是选取一个截断半径，截断半径以内波函数变化较平滑，和真实的不同，截断半径以外则和真实情况相同，而且贋势法得到的本征值和全电子法应该相同。
贋势的测试标准应是贋势与全电子法计算结果的匹配度，而不是贋势与实验结果的匹配度，因为和实验结果的匹配可能是偶然的。
关于Ecut的收敛测试。
一般情况下，总能相对于不同Ecut做计算，当截断能增大时总能变化不明显即可。
但是在需要考虑体系应力时，还需要对应力进行收敛测试，而且应力相对于截断能要比总能更为苛刻。
也就是某个截断能下总能已经收敛了，但应力未必收敛。
(力的计算是在能量的基础上进行的，能量对坐标的一阶导数得到力。
计算量的增大和误差的传递导致力收敛慢。
)K点也是需要经过测试的。
何时需要考虑自旋？例如BaTiO3中，三个元素分别为=+2，+4，-2价，离子全部为各个轨道满壳层的结构，此时就不必考虑自旋了。
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，R AB =R 图2-1分子体系的坐标∑∑≠+∇-=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）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一性原理计算的理论方法随着科技的发展，计算机性能也得到了飞速的提高，人们对物理理论的认识也更加的深入，利用计算机模拟对材料进行设计已经成为现代科学研究不可缺少的研究手段。
这主要是因为在许多情况下计算机模拟比实验更快、更省，还得意于计算机模拟可以预测一些当前实验水平难以达到的情况。
然而在众多的模拟方法中，第一性原理计算凭借其独特的精度和无需经验参数而得到众多研究人员的青睐，成为计算材料学的重要基础和核心计算。
本章将介绍第一性原理计算的理论基础，研究方法和ABINIT 软件包。
1.1第一性原理第一性原理计算(简称从头计算，the abinitio calculation)，指从所要研究的材料的原子组分出发，运用量子力学及其它物理规律，通过自洽计算来确定指定材料的几何结构、电子结构、热力学性质和光学性质等材料物性的方法。
基本思想是将多原子构成的实际体系理解成为只有电子和原子核组成的多粒子系统，运用量子力学等最基本的物理原理最大限度的对问题进行”非经验”处理。
【1】第一性原理计算就只需要用到五个最基本的物理常量即(b o k c h e m ....)和元素周期表中各组分元素的电子结构，就可以合理地预测材料的许多物理性质。
用第一性原理计算的晶胞大小和实验值相比误差只有几个百分点，其他性质也和实验结果比较吻合，体现了该理论的正确性。
第一性原理计算按照如下三个基本假设把问题简化：1．利用Born-Oppenheimer 绝热近似把包含原子核和电子的多粒子问题转化为多电子问题。
2．利用密度泛函理论的单电子近似把多电子薛定谔方程简化为比较容易求解的单电子方程。
3．利用自洽迭代法求解单电子方程得到系统基态和其他性质。
以下我将简单介绍这些第一性原理计算的理论基础和实现方法：绝热近似、密度泛函理论、局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)、平面波及赝势方法、密度泛函的微扰理论、热力学计算方法和第一性原理计算程序包ABINIT 。
1．2量子力学与Born-Oppenheimer 近似固体是由原子核和核外的电子组成的，在原子核与电子之间，电子与电子之间，原子核与原子核之间都存在着相互作用。
从物理学的角度来看，固体是一个多体的量子力学体系【2】，相应的体系哈密顿量可以写成如下形式：),(),(R r E R r H H ψψ= （1-1） 其中r,R 分别代表所有电子坐标的集合、所有原子核坐标的集合。
在不计外场作用下，体系的哈密顿量日包括体系所有粒子(原子核和电子)的动能和粒子之间的相互作用能，即N e N e H H H H -++= （1-2）其中，以是电子部分的哈密顿量，形式为：∑∑'≠''-+∇-=i i i i i i r i e r r e m r H i ,222||212)( （1-3） 上式的前一项代表电子的动能，后一项表示电子．电子之间的库仑相互作用能，m 是电子的质量。
原子核部分的哈密顿量N H ，可以写成：)(212)(,22j j j j j j N R j j N R R V M R H j ''≠'-+∇-=∑∑(1-4)原子核与电子的相互作用项可以写成：)(),(,j i j i N e N e r r V R r H --=∑--(1-5)对于这样一个多粒子体系要对其实际精确求解是非常困难的，因此对其进行简化和近似是非常的必要。
考虑到电子的质量比原子核的质量小很多(约103个数量级)，相对来说，电子的运动速度比核的运动速度要快近千倍。
当电子在做高速运动时，原子核只在平衡位置附近缓慢振动，电子能够绝热于原子核的运动。
因此，可以将上面的多体问题分成两部分考虑：当考虑电子运动时，原子核要处在它们的瞬时位置上；当考虑原子核运动时，就不需要考虑不电子在空间的具体分布。
这就是波恩(M.Born)和奥本海默(J.E.Oppenheimer)提出的绝热近似，或称波恩．奥本海默近似【2】，即Born-Oppenheimer 绝热近似。
此时系统的哈密顿量简化为：)(||212,,222j i j i N e i i i i i i r i R r V r r e m H i --'-+∇-=∑∑∑-'≠'(1-6)1.3 Hartree-Fock 轨道近似利用Born-Oppenheimer 绝热近似就容易把包含原子核和电子的多粒子问题转化为多电子问题。
求解方程(1-6)的困难在于电子与电子之间的库伦相互作用项。
假设不考虑电子之间的相互作用，就容易得到相互独立的单电子近似哈密顿量。
为了把多电子问题简化成单电子问题【3】，如果把其他电子对所考虑电子的瞬时作用平均化和球对称化，则∑⎰≠'''''-=')(2|||)(|)(i i i r i i i r i i r r r d r V i ψ(1-7)这样就可以把多电子问题转变成单单子问题。
这时，整个系统的波函数就是每个电子波函数)(i i r ψ连乘积。
单电子波函数应该满足单电子的Hartree 方程：∑⎰≠'''''-++∇-=')(222|||)(|)(2i i i r i i i r i e i r r r d r V m H i ψ(1-8)其中V(r)是该电子所受到的核的作用势。
Hartree 方程描述了每个坐标r 处单电子在核作用势和其它电子的平均势中的运动，E 是单电子的能量，简化后就可以从假设的一组)(i i r ψ出发，求解波函数时引入自治场方法，则整个系统的能量可以写为：∑∑===iiiiiErHrHE)()(|ψψψψ(1-9)上式并没有考虑到波函数是电子交换反对称的，于是需要考虑尸口础不相容原理，即把波函数写成(斯莱特)Slater行列式。
此时体系的总能要增加一个由电子交换引起的交换项，体系的总能可改写成：||)()()()(21)()(|,,,,,,.,iiiiiiiiiii i iiiiiiiii trrrrrdrdrrHrdrHE-ψψψψ-ψψ=ψψ=***∑∑⎰⎰（1-10）对应的单电子方程为：∑∑⎰∑⎰''''≠'''''*''≠'''''ψ=ψ-ψψ-ψ-+ψ+∇-'iiii iiiiii iiiiiiiiiiii riiiriiirrrrrrdrrrrrdrrVm i)()(||)()()(|||)(|)()](2[)()(222λψ（1-11）这就是Hartree-Fock方程【4】。
2．1密度泛函的理论基础密度泛函理论（Density Functional Theoty,简称DFT）【5】是从量子力学的基本原理出发，考虑电子结构，用体系的粒子数密度函数替代电子波函数来描述体系的理论。
也就是说，假定固体、原子、分子等系统的基态能量和物理性质可以用电子密度函数唯一的确定。
密度泛函理论是由于考虑了电子相关作用的Thomas-Fermi模型【6、7】，并在Hobenberg以及Kohn等人的工作【8】后发展成的，在经过Kohn和Sham(沈吕九)改进得到的电子密度泛函理论中的单电子方程，即Kohn-Sham 方程【9】，最终才使密度泛函理论得到实际的应用。
密度泛函理论是研究多粒子系统基态的重要方法之一，它不但成功将多电子问题转化为简单的单电子方程理论，而且也成为计算分子、固体等的电子结构和总能的有效手段。
2．2Thomas-Fermi-Dirac 近似在1927年，H.Thomas 和E.Fermi 就已经提出来建立在均匀电子气基础上的Thomas-Fermi 模型【6、7】。
在这个均匀的电子气模型中，电子不受外力，电子与电子之间也没有相互作用，经过求解电子运动的波动方程和简单的推导，就能看出，体系的能量仅与电子密度的函数有关。
在1930年，Dirac 考虑了电子的交换相互作用并推导出来在外势)(r V ext 中的电子的能量泛函的表达式如下：⎰⎰⎰⎰'-''+++=||)()(21)()()()()(3334323531r r r n r n r rd d r rn d C r n r rV d r rn d C n E ext TF （2-12）上式从左到右各项表达式分别表示： 动能的局域近似、外力能作用、交换关联相互作用、经典的经典作用能。
由于Thomas-Fermi-Dirac 近似太粗略简单，没有考虑到物理、化学中的一些本质现象而没用得到广泛的应用f 鲫。
2．3 Hobenberg-Kohn 定理密度泛函理论的基本理论基础是Hobenberg 和Kohn 提出的非均匀电子气理论的第一、第二定理。
第一定理：处于外势)(r V ext 中的不计自旋的电子体系，不可能存在另外一个外势)(r V ext'也有相同的密度函数，即其外势)(r V ext 可由电子密度唯一决定。
此时系统的哈密顿量H=T+V+U ，这里T 表示电子动能，V 是外势，U 为电子相互作用势。
在不同体系的哈密顿量H 中，外势V 是不一样的，而电子动能T 和电子相互作用势U 的表达式是相同的。
因此只要外势确定，体系的哈密顿量H 也就确定了。
根据公式ψ=ψE H ，只要H 是确定的，系统的波函数也确定，也可以说电子密度决定了系统波函数的所有性质。
第二定理：对于已定的外势，体系基态能量能于基态能量泛函E(n(r))的极小值。
对于不计自旋的全同电子体系，其能量泛函E(n(r))可写为：⎰⎰+''-'+'+'=')]([||)(2)]([)()())((2r n E r drd r r r n C e r n T dr r n r V r n E xc(2-13)其中，第一项是电子在外势场中的势能，第二项表示无相互作用电子气的动能，第三项是电子间的库伦作用能，第四项是电子间的交换关联能。
第二定理的基本点是在粒子数不变条件下求能量对密度函数的变分，就可以得到体系基态的能量E(n)。
但是Hobenberg-Kohn 定理中还存在一些不足之处：(1)电子密度分布函数)(r n '的具体形式不明确。
(2)无相互作用电子气的动能泛函T[)(r n ']不知道。
(3)电子间的交换关联能泛函)]([r n E xc 不清楚。
针对前两个问题可以用Kohn-Sham 方程解决。
第三个问题，通常是采用各种近似得到电子间的交换关联能。