第一性计算原理
第一性原理理论介绍
第一性原理理论介绍第一性原理理论是一种基于量子力学的理论，用于解释材料和分子的性质和行为。
它是通过求解薛定谔方程来描述原子核和电子之间的相互作用，从而得出系统的总能量。
第一性原理理论被广泛应用于材料科学、物理化学和计算物理等领域，为设计新材料、预测化学反应和模拟材料性质提供了重要的工具。
第一性原理理论的核心是薛定谔方程，它描述了系统的波函数随时间的演化。
薛定谔方程包括了系统的势能和动能项，其中势能项描述了原子核和电子之间的相互作用，动能项则描述了电子的运动。
解薛定谔方程可以得到系统的波函数，进而可以计算系统的总能量。
在求解薛定谔方程时，第一性原理理论通常采用密度泛函理论（DFT）作为基础。
DFT是一种将电子系统的性质与电子密度之间建立关联的方法。
根据Kohn-Sham方程，系统的能量可以表示为电子密度的泛函形式。
为了将电子相互作用考虑在内，通常使用电子交换关联泛函来近似描述系统的能量。
第一性原理理论已经成为材料科学和计算物理的重要工具。
它可以用于预测材料的结构和稳定性，计算材料的力学性质和电子结构，模拟化学反应和催化过程，设计新的材料和催化剂等。
特别是在材料发现和设计中，第一性原理理论具有重要的意义，可以指导实验研究，加速材料研发过程。
总之，第一性原理理论是一种基于量子力学的理论，通过求解薛定谔方程来描述原子核和电子之间的相互作用。
它是预测和解释材料和分子性质的重要工具，广泛应用于材料科学、物理化学和计算物理等领域。
通过第一性原理计算，我们可以更好地理解和控制材料的性质，促进科学研究和技术创新的发展。
第一性原理计算简述
第一性原理计算简述第一性原理，英文First Principle，是一个计算物理或计算化学专业名词，广义的第一性原理计算指的是一切基于量子力学原理的计算。
我们知道物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成。
量子力学计算就是根据原子核和电子的相互作用原理去计算分子结构和分子能量（或离子），然后就能计算物质的各种性质。
从头算（ab initio）是狭义的第一性原理计算，它是指不使用经验参数，只用电子质量，光速，质子中子质量等少数实验数据去做量子计算。
但是这个计算很慢，所以就加入一些经验参数，可以大大加快计算速度，当然也会不可避免的牺牲计算结果精度。
那为什么使用“第一性原理”这个字眼呢？据说这是来源于“第一推动力”这个宗教词汇。
第一推动力是牛顿创立的，因为牛顿第一定律说明了物质在不受外力的作用下保持静止或匀速直线运动。
如果宇宙诞生之初万事万物应该是静止的，后来却都在运动，是怎么动起来的呢？牛顿相信这是由于上帝推了一把，并且牛顿晚年致力于神学研究。
现代科学认为宇宙起源于大爆炸，那么大爆炸也是有原因的吧。
所有这些说不清的东西，都归结为宇宙“第一推动力”问题。
科学不相信上帝，我们不清楚“第一推动力”问题只是因为我们科学知识不完善。
第一推动一定由某种原理决定。
这个可以成为“第一原理”。
爱因斯坦晚年致力与“大统一场理论”研究，也是希望找到统概一切物理定律的“第一原理”，可惜，这是当时科学水平所不能及的。
现在也远没有答案。
但是为什么称量子力学计算为第一性原理计算？大概是因为这种计算能够从根本上计算出来分子结构和物质的性质，这样的理论很接近于反映宇宙本质的原理，就称为第一原理了。
广义的第一原理包括两大类，以Hartree-Fork自洽场计算为基础的ab initio从头算，和密度泛函理论（DFT）计算。
也有人主张，abinitio专指从头算，而第一性原理和所谓量子化学计算特指密度泛函理论计算。
根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法，习惯上称为第一原理。
第一性原理计算
第一性原理计算第一性原理计算是指利用基本的物理学原理和数学方程，通过计算机模拟来预测材料的性质和行为。
它是材料科学和凝聚态物理领域中一种非常重要的研究方法，可以帮助科学家们快速、高效地设计新材料，优化材料结构，预测材料的性能等。
首先，第一性原理计算是建立在量子力学原理之上的。
量子力学是描述微观世界中粒子运动和相互作用的理论，它提供了描述原子和分子行为的数学框架。
基于量子力学的第一性原理计算方法可以准确地描述原子和分子的结构、能量、电子结构等性质，为材料科学和工程领域提供了重要的理论基础。
其次，第一性原理计算的核心是求解薛定谔方程。
薛定谔方程是描述微观粒子运动的基本方程，通过求解薛定谔方程可以得到材料的电子结构和能量。
基于薛定谔方程的第一性原理计算方法可以准确地预测材料的电子能带结构、电子云分布、原子间相互作用等信息，为理解材料的性质和行为提供了重要的手段。
第三，第一性原理计算方法包括密度泛函理论、量子分子动力学、格林函数方法等。
这些方法在计算材料的结构、热力学性质、电子输运性质等方面都有重要应用。
通过这些方法，科学家们可以快速地筛选材料候选者，预测材料的稳定性和反应活性，设计新型的功能材料等。
第一性原理计算在材料科学和工程领域有着广泛的应用。
它可以帮助科学家们理解材料的基本性质，预测材料的性能，加速材料研发过程，降低研发成本。
同时，随着计算机技术的不断发展，第一性原理计算方法的计算速度和精度也在不断提高，为材料科学和工程领域的发展带来了新的机遇和挑战。
综上所述，第一性原理计算是一种基于量子力学原理的计算方法，可以准确地预测材料的性质和行为。
它在材料科学和工程领域有着重要的应用价值，可以帮助科学家们加快材料研发过程，推动材料科学的发展。
随着计算机技术的不断进步，第一性原理计算方法将会发挥越来越重要的作用，成为材料研发的重要工具。
第一性原理
第一性原理第一性原理是指在自然科学和工程技术中，用于解决问题和设计新材料、新技术的一种基本方法。
它是指通过对系统的基本物理和化学规律进行分析，从而获得系统的基本特性和行为规律。
第一性原理方法的核心是建立系统的基本物理和化学规律的数学模型，通过计算机模拟和数值计算，来预测系统的性质和行为。
第一性原理方法的应用范围非常广泛，涉及材料科学、物理学、化学、生物学、环境科学、地球科学等多个领域。
在材料科学中，第一性原理方法可以用于预测新材料的性能和稳定性，设计新型材料；在物理学和化学领域，可以用于研究分子和凝聚态系统的性质和行为；在生物学领域，可以用于模拟生物分子的结构和功能，设计新药物；在环境科学和地球科学领域，可以用于研究大气、海洋、地球内部等复杂系统的性质和行为。
第一性原理方法的优势在于它能够从基本原理出发，不依赖于实验数据，可以对系统的性质和行为进行准确的预测。
同时，第一性原理方法还可以帮助科学家和工程师理解系统的基本规律，指导实验设计和工程应用。
因此，第一性原理方法在科学研究和工程技术中具有重要的意义。
然而，第一性原理方法也存在一些挑战和限制。
首先，由于计算资源和算法的限制，目前只能对相对简单的系统进行第一性原理计算，对于复杂的系统，往往需要进行近似处理。
其次，第一性原理计算的结果往往需要与实验数据进行对比验证，因此需要有丰富的实验数据作为支撑。
此外，第一性原理方法的计算成本较高，需要大量的计算资源和时间。
总的来说，第一性原理方法是一种非常重要的科学方法，它可以帮助科学家和工程师理解系统的基本规律，预测系统的性质和行为，指导新材料和新技术的设计与开发。
随着计算机技术的不断发展和计算资源的不断增加，第一性原理方法将会发挥越来越重要的作用，推动科学研究和工程技术的发展。
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。
第一性原理分子动力学
第一性原理分子动力学第一性原理分子动力学是一种基于量子力学的计算方法，它能够准确地模拟原子和分子在不同条件下的运动和相互作用。
这种方法的核心是通过求解薛定谔方程来描述原子核和电子的运动状态，从而得到系统的能量、结构和性质等信息。
相比传统的分子动力学方法，第一性原理分子动力学不需要任何经验参数，能够提供更加准确和可靠的结果，因此在材料科学、化学、生物学等领域得到了广泛的应用。
首先，第一性原理分子动力学的基本原理是薛定谔方程。
薛定谔方程是描述微观粒子运动的基本方程，它能够准确地描述原子核和电子的运动状态，并通过求解得到系统的能量和波函数等信息。
在分子动力学中，我们可以利用薛定谔方程来模拟原子和分子在外力作用下的运动轨迹，从而了解系统的动力学行为。
其次，第一性原理分子动力学的核心是第一性原理计算。
第一性原理计算是一种基于量子力学的计算方法，它不需要任何经验参数，能够通过解析求解薛定谔方程来得到系统的能量、结构和性质等信息。
在分子动力学中，我们可以利用第一性原理计算来模拟原子和分子的结构和动力学行为，从而得到系统的稳定结构、振动频率、力学性质等重要信息。
第一性原理分子动力学在材料科学领域有着广泛的应用。
通过模拟原子和分子在不同条件下的运动和相互作用，我们可以研究材料的力学性质、热学性质、电子结构等重要信息，从而为材料设计和应用提供重要的参考。
例如，我们可以通过第一性原理分子动力学来研究新型材料的力学性能，为材料的设计和合成提供重要的指导。
此外，第一性原理分子动力学在化学和生物学领域也有着重要的应用。
通过模拟分子在不同条件下的运动和相互作用，我们可以研究化学反应的机理和动力学行为，为新型催化剂和反应体系的设计提供重要的参考。
同时，我们还可以利用第一性原理分子动力学来研究生物分子的结构和功能，为药物设计和生物技术提供重要的支持。
总的来说，第一性原理分子动力学是一种基于量子力学的计算方法，能够准确地模拟原子和分子在不同条件下的运动和相互作用。
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）。
第一性原理
第一性原理的理解及其应用第一性原理，英文First Principle，是一个计算物理或计算化学专业名词，广义的第一性原理计算指的是一切基于量子力学原理的计算。
我们知道物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成。
量子力学计算就是根据原子核和电子的相互作用原理去计算分子结构和分子能量（或离子），然后就能计算物质的各种性质。
从头算（ab initio）是狭义的第一性原理计算，它是指不使用经验参数，只用电子质量，光速，质子中子质量等少数实验数据去做量子计算。
但是这个计算很慢，所以就加入一些经验参数，可以大大加快计算速度，当然也会不可避免的牺牲计算结果精度。
根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法，习惯上称为第一性原理[1]。
广义的第一原理包括两大类，以Hartree-Fork自洽场计算为基础的ab initio从头算，和密度泛函理论（DFT）计算。
也有人主张，ab initio专指从头算，而第一性原理和所谓量子化学计算特指密度泛函理论计算。
第一性原理通常是跟计算联系在一起的，是指在进行计算的时候除了告诉程序你所使用的原子和他们的位置外，没有其他的实验的，经验的或者半经验的参量，且具有很好的移植性。
作为评价事物的依据，第一性原理和经验参数是两个极端。
第一性原理是某些硬性规定或推演得出的结论，而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据，这些数据可以来自第一性原理(称为理论统计数据)，也可以来自实验(称为实验统计数据)。
但是就某个特定的问题，第一性原理和经验参数没有明显的界限，必须特别界定。
如果某些原理或数据来源于第一性原理，但推演过程中加入了一些假设(这些假设当然是很有说服力的)，那么这些原理或数据就称为“半经验的”。
那为什么使用“第一性原理”这个字眼呢？据说这是来源于“第一推动力”这个宗教词汇。
第一推动力是牛顿创立的，因为牛顿第一定律说明了物质在不受外力的作用下保持静止或匀速直线运动。
第一性原理
初步定于１２月２日下午三点在我的办公室，要求你们作开题报告，内容包括：研究意义，文献综述，实验方案，所需实验仪器／设备，预期成果等。
第一性原理：根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法，习惯上称为第一原理。
第一性原理就是从头计算，不需要任何参数，只需要一些基本的物理常量，就可以得到体系基态的基本性质的原理。
第一性原理通常是跟计算联系在一起的，是指在进行计算的时候除了告诉程序你所使用的原子和他们的位置外，没有其他的实验的，经验的或者半经验的参量，且具有很好的移植性。
作为评价事物的依据，第一性原理和经验参数是两个极端。
第一性原理是某些硬性规定或推演得出的结论，而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据，这些数据可以来自第一性原理(称为理论统计数据)，也可以来自实验(称为实验统计数据)。
背景：21世纪，环境和能源问题已然成为阻碍可持续发展过程的两个重要难题。
而半导体光催化剂由于其在净化环境、节约能源方面的诸多优点而越来越受到各国众多学者的研究关注。
在众多半导体光催化剂中TiO2以其超亲水性、无毒、化学稳定性好、氧化能力强和廉价等诸多优点而被认为是目前最为理想的光催化剂，具有广阔的应用前景和实用价值。
锐钛矿型TIO2的禁带宽度略大于金红石型，但是由于金红石型比表面积较小，光催化时对O2的吸附能力较差，光催化活性会受到一定影响，所以对锐钛矿型TIO2的光催化效应的研究较多。
该反应原理是利用一定能量的光子激发某些半导体光催化剂使其产生光生电子-空穴载流子。
当受到能量大于或等于其能隙的光照射时，价带电子受光激发跃迁到导带成为具有强还原能力的高活性电子e-，同时在价带产生具有强氧化能力的空穴h+，此时电子和空穴存在两种可能：一是电子和空穴在体内直接复合，即在迁移到表面的过程中及迁移到表面而未发生催化氧化反应前复合。
二是在一定条件下电子与空穴分离并迁移到催化剂表面与吸附在那里的OH-、H2O 和有机物等发生能量和电荷交换，产生具有强氧化能力的·OH、H2O2、O2-等物种，这些是直接参与化学反应的主要活性物质。
第一性原理计算ppt课件
N /2
2
H
c ii
ore
i 1
2
• 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。
• 但是在这些组合中，包含了成对电子的两种作用方式，给 出了总的交换能－Kij。
• 最后，在同一轨道上的一对电子库仑作用也要考虑在内， 但是这些电子具有成对的自旋因此不存在交换能。
i1
i1i1
N/2
Fi(1)H co(r1)e 2Jj(1)Kj(1)
j1
引入了轨道i的原子轨道展开形式，把相应的i轨道带入H-1)i cv1v(1)
v1
v1
20
每一侧都乘以u（1），（也是一基函数），积分
K
K
c vid1(1 )F i(1 )v(1 )i c vid1(1 )v(1 )
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)
14
对给定的轨道，屏蔽常数有下列贡献之和确定 • 如果到原子核的距离比到上述各组远，取0； • 同一组的其他电子贡献为0.35；但若其他轨道为1s，则贡献为0.3。 • 电子的主量子数比现有轨道小2或更多,则贡献为1。 • 如果每一个电子具有的主量子数比现有轨道小1：现有轨道为d或f,取
5
• 这一条件作用于能量表达式 ，得到Hartree-Fock方程
• 正交归一化条件可以写为交叠矩阵Sij
Sijijdij
• 能量最小的限制条件可以通过Lagrange因子解决 • 最小化的函数的微分加上限制条件乘以Lagrange乘法因子
第一性原理计算是什么意思
第一性原理计算是什么意思简介第一性原理计算（First Principles Calculation）是一种基于量子力学原理的计算方法，用于研究材料和分子的性质及其相互作用。
通过求解薛定谔方程，第一性原理计算可以预测和解释材料的结构、能量、电子结构、磁性、光学性质等。
这种计算方法是建立在非经验的基础上，仅依赖于原子核和电子之间的相互作用，因此被称为“第一性原理”。
原理第一性原理计算的基础是量子力学中的薛定谔方程。
该方程描述了粒子的行为，并可以用于计算材料的性质。
在第一性原理计算中，薛定谔方程被用来描述系统的电子结构，通过求解薛定谔方程，可以得到材料的电子能级、原子间的相互作用等信息。
第一性原理计算基于密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT），该理论通过体系的电子密度来描述材料的电子结构。
根据克斯特兰–库尔（Hohenberg-Kohn）定理和克斯特兰–库尔–夏姆（Kohn-Sham）方程，DFT可以将多体问题简化为一个单体问题，使得计算变得可行。
薛定谔方程的求解需要进行数值计算，常用的方法包括平面波基组法（Plane Wave Basis Set）和赝势法（Pseudo-potential Method）。
平面波方法将波函数展开为平面波的线性组合，可以较好地描述材料的周期性结构。
赝势方法则通过引入有效势能的概念，去除了原子核与内层电子的相互作用，从而大大简化了计算。
应用第一性原理计算可以应用于许多领域，尤其在材料科学和化学领域中发挥着重要作用。
1.新材料的设计与发现：通过第一性原理计算，可以预测新材料的结构稳定性、电子结构、能量等性质，从而指导新材料的设计与合成。
例如，通过计算优选的材料组合，可以设计出具有特定电子结构和物理化学性质的材料，如催化剂、光电材料等。
2.催化剂的研究与设计：第一性原理计算可以揭示催化反应中的活性位点和反应机理，从而指导催化剂的设计和优化。
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 r 作为基本变量。
第一性原理计算
材料是由大量的原子组成的多体体系，而原子又是由中子和质子所组成的原子核和核外电子所组成的。
材料的性能主要由核外电子之间的相互作用所决定。
原则上，如果可以写出构成材料的多体薛定愕方程，并求出该方程的解，就可得到材料的许多基本性质，如电导率、磁有序、振动谱、光学介电函数等。
但是，可以解析求解的系统仅限于氢原子，而由两个氢原子的氢分子和两个电子加两个质子组成的氦原子就己经无法求解了。
Hohenberg和Sham在1964年提出了一个重要的计算思想，证明了电子能量由电子密度决定。
所以就可以通过电子密度得到所有电子结构的信息而无需再处理复杂的多体电子波函数，只用三个空间变量就可描述电子结构，这种方法称为电子密度泛函理论。
按照该理论，粒子的哈密顿量由局域的电子密度决定，由此得到局域密度近似方法，基于该方法的自洽计算被称为第一性原理方法。
基于局域密度泛函的第一性原理方法对于电子基态的计算是非常准确的，与基态相关的电子能带结构、声子谱、结合能等都能用此种方法进行定量的计算。
第一性原理计算方法，例如密度泛函理论(DFT)计算，它将问题归结为对电子密度函数的描述，只需要将各类原子位置和个数作为参数输入计算即可。
它是一种预先定义的方法，它适用于周期表上的所有元素，而且大量的文献证明了它的准确可靠性。
和其他量子力学方法相同，第一性原理计算结果包含所有原子的位置，力场，电子结构(即“电子云”的描述)，和体系的能量。
从第一性原理计算得到的基本结果，以及它们随时间演化的规律，我们能推出几乎材料所有的性质。
所以第一原理计算方法己经成为研究固体性质的一种重要的理论方法[20]。
费米能级是指费米子系统在趋于绝对零度时的化学位；但是在半导体物理和电子学领域中，费米能级则经常被当做电子或空穴化学势的代名词。
费米子可以是电子、质子、中子（自旋为半整数的粒子）。
晶体中电子所能具有的能量范围，在物理学中往往形象化地用一条条水平横线表示电子的各个能量值。
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。
第一性原理的应用方法
第一性原理的应用方法1. 简介第一性原理是指基于自然法则和物理方程的理论推导方法，以基本原理为出发点，通过解析和计算原子、电子等基本粒子的运动和相互作用，从而得到更为精确和可靠的结果。
在材料科学、化学、物理学等领域中，第一性原理被广泛应用于材料设计、催化剂开发、电子结构研究等方面。
2. 第一性原理的基本原理第一性原理方法的核心是薛定谔方程，通过求解薛定谔方程，可以得到体系的波函数和能量。
从波函数和能量出发，可以进一步计算出其他物理性质，如晶格常数、电子结构、力学性质等。
第一性原理方法不依赖于任何经验参数，完全基于基本物理规律，因此具有较高的准确性和可靠性。
3. 第一性原理的应用方法3.1 材料设计在材料科学领域，第一性原理方法常被用于材料的设计和优化。
通过计算材料的能带结构、形成能、表面态等性质，可以预测材料的光学、电子、磁性等性质。
基于这些计算结果，可以有针对性地设计新型材料，如高温超导材料、催化剂等。
3.2 催化剂开发催化剂是化学反应过程中起催化作用的物质。
第一性原理方法可以帮助科学家理解催化剂的反应机制，预测催化反应的中间态及能量，为催化剂的设计和优化提供理论依据。
利用第一性原理计算，可以找到更高效、更稳定的催化剂。
3.3 电子结构研究第一性原理方法在电子结构研究中有着广泛的应用。
通过计算电子的能级分布、能带结构和态密度等性质，可以揭示材料的导电、磁性、光学等性质。
此外，还可以通过计算电子的散射行为等来研究材料的输运性质，为材料的设计提供指导和优化方案。
3.4 力学性质预测第一性原理方法可以通过计算材料的晶格常数、弹性常数、缺陷形成能等来预测材料的力学性质。
这对于材料的机械性能分析、材料性能改进具有重要意义。
通过计算力学性质，可以指导材料工程的设计和材料选择。
4. 应用案例4.1 新型材料开发基于第一性原理的计算方法，科学家们成功预测了一系列新型材料的性质，如二维材料石墨烯、新型超导材料等。
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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。
对于BaMnO3中，由于Mn+4价时d轨道还有电子但未满，因此需要考虑Mn（4s23d5）的自旋，Ba和O就不必考虑。
其实设定自旋就是给定一个原子磁矩的初始值，只在刚开始计算时作为初始值使用。
几何优化包括晶格常数和原子位置的优化，一般情况下也有不优化几何结构直接计算电子结构的，但是对于缺陷形成的计算则往往要优化。
软件大致分为基于平面波的软件，如CASTEP,PWSCF.ABINIT等，计算量大概和体系原子数目的三次方相关；还有基于原子轨道线性组合的软件，比如openmx等，计算量和体系原子数目相关，一般可模拟较多原子数目的体系。
V ASP是使用贋势和平面波基组，进行从头量子力学分子动力学计算的软件包。
V ASP中的方法基于有限温度下的局域密度近似（用自由能作为变量）以及对每一MD步骤用有效矩阵对角方案和有效Pulay混合求解瞬时电子基态。
这些技术可以避免元氏的Car-Parrinello 方法存在的一切问题，而后者是基于电子、离子运动方程同时积分的方法。
离子和电子的相互作用超缓Vanderbilt贋势（US-PP）或投影扩充波（PAW）方法描述。
两种技术都可以相当程度地减少过度金属或第一行元素的每个原子所必须的平面波数量。
V ASP可以很容易地计算力与张力，用于把原子衰减到其瞬时基态中。
！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！V ASP程序亮点：1、使用PAW方法或超软贋势，因此基组尺寸非常小，描述材料一般需要原子不超过100个平面波，大多数情况下甚至每原子50个平面波就能得到可靠结果。
2、2. 在平面波程序中，某些部分代码的执行是三次标度。
在VASP中，三次标度部分的前因子足可忽略，导致关于体系尺寸的高效标度。
因此可以在实空间求解势的非局域贡献，并使正交化的次数最少。
当体系具有大约2000个电子能带时，三次标度部分与其它部分可比，因此V ASP可用于直到4000个价电子的体系。
3、V ASP使用传统的自洽场循环计算电子基态。
这一方案与数值方法组合会实现有效、稳定、快速的Kohn-Sham方程自洽求解方案。
程序使用的迭代矩阵对角化方案（RMM-DISS 和分块Davidson）可能是目前最快的方案。
4、V ASP包含全功能的对称性代码，可以自动确定任意构型的对称性。
5. 对称性代码还用于设定Monkhorst-Pack特殊点，可以有效计算体材料和对称的团簇。
Brillouin区的积分使用模糊方法或四面体方法。
四面体方法可以用Blöchl校正去掉线性四面体方法的二次误差，实现更快的k点收敛速度。
1、VASP能够进行哪些过程的计算？怎样设置我们平时最常用的研究方法是做单点能计算，结构优化、从头计算的分子动力学和电子结构相关性质的计算。
一般我们的研究可以按照这样的过程来进行如果要研究一个体系的最优化构型问题可以首先进行结构弛豫优化，然后对优化后的结构进行性质计算或者单点能计算。
如果要研究一个体系的热力学变化过程可以首先进行分子动力学过程模拟，然后在某个温度或压强下进行性质计算或者单点能计算。
如果要研究一个体系的热力学结构变化可以首先在初始温度下进行NVT计算，然后进行分子动力学退火，然后在结束温度下进行性质计算研究。
2、什么是单点能计算(single point energy)？如何计算？跟其它软件类似，VASP具有单点能计算的功能。
也就是说，对一个给定的固定不变的结构（包括原子、分子、表面或体材料）能够计算其总能，即静态计算功能。
单点能计算需要的参数最少，最多只要在KPOINTS文件中设置一下合适的K点或者在INCAR文件中给定一个截断能ENCUT就可以了。
还有一个参数就是电子步的收敛标准的设置EDIFF，默认值为EDIFF=1E-4，一般不需要修改这个值。
具体来说要计算单点能，只要在INCAR中设置IBRION=-1也就是让离子不移动就可以了。
3、什么是结构优化(structure optimization)？如何计算？结构优化又叫结构弛豫（structure relax），是指通过对体系的坐标进行调整，使得其能量或内力达到最小的过程，与动力学退火不同，它是一种在０Ｋ下用原子间静力进行优化的方法。
可以认为结构优化后的结构是相对稳定的基态结构，能够在实验之中获得的几率要大些（当然这只是理论计算的结果，必须由实验来验证）。
一般要做弛豫计算，需要设置弛豫收敛标准，也就是告诉系统收敛达成的判据（convergence break condition)，当系统检测到能量变化减小到一个确定值时例如EDIFFG=1E-3时视为收敛中断计算，移动离子位置尝试进行下一步计算。
EDIFFG这个值可以为负，例如EDIFFG=-0.02，这时的收敛标准是当系统发现所有离子间作用力都小于给定的数值，如０.０２eV/A时视为收敛而中断。
弛豫计算主要有两种方式：准牛顿方法(quasi-Newton RMM-DIIS)和共轭梯度法(CG)两种。
准牛顿方法计算速度较快，适合于初始结构与平衡结构（势能面上全局最小值）比较接近的情况，而CG方法慢一些，找到全局最小的可能性也要大一些。
选择方法为IBRION=1时为准牛顿方法而IBRION=2时为CG方法。
具体来说要做弛豫计算，设置IBRION=1或者2就可以了，其它参数根据需要来设置。
NSW是进行弛豫的最大步数，例如设置NSW=100，当计算在100步之内达到收敛时计算自动中断，而100步内没有达到收敛的话系统将在第100步后强制中止（平常计算步数不会超过100步，超过100步可能是计算的体系出了问题）。
参数通常可以从文献中发现，例如收敛标准EDIFFG等。
有的时候我们需要一些带限制条件的弛豫计算，例如冻结部分原子、限制自旋的计算等等。
冻结部分原子可以在POSCAR文件中设置selective dynamic来实现。
自旋多重度限制可以在INCAR中以NUPDOWN选项来设置。
另外ISIF 选项可以控制弛豫时的晶胞变化情况，例如晶胞的形状和体积等。
费米面附近能级电子分布的smearing是一种促进收敛的有效方法，可能产生物理意义不明确的分数占据态情况，不过问题不大。
在INCAR文件中以ISMEAR 来设置。
一般来说K点只有一两个的时候采用ISMEAR=0，金属体材料用ISMEAR=1或2,半导体材料用ISMEAR=-5等等。
不过有时电子步收敛速度依然很慢，还需要设置一些算法控制选项，例如设置ALGO=Very_Fast，减小真空层厚度，减少K点数目等。
弛豫是一种非常有效的分析计算手段，虽然是静力学计算但是往往获得一些动力学得不到的结果。
INCAR：EDIFF 一般来说，用1E-4或者1E-5都可以，这个参数只是对第一个离子步的自洽影响大一些，对于长时间的分子动力学的模拟，精度小一点也无所谓，但不能太小。
IBRION=0分子动力学模拟IALGO=48一般用48，对于原子数较多，这个优化方式较好。
NSW=1000 多少个时间步长。
POTIM=3 时间步长,单位fs,通常1到3.ISIF=2 计算外界的压力.NBLOCK= 1 多少个时间步长，写一次CONTCAR，CHG和CHGCAR，PCDAT. KBLOCK=50 NBLOCK*KBLOCK个步长写一次XDATCAR.（个离子步写一次PCDAT.）ISMEAR=-1 费米迪拉克分布.SIGMA =0.05单位:电子伏NELMIN=8 一般用6到8,最小的电子scf数.太少的话,收敛的不好.LREAL=AAPACO=10径向分布函数距离,单位是埃.NPACO=200 径向分布函数插的点数.LCHARG=F尽量不写电荷密度,否则CHG文件太大.TEBEG=300 初始温度.TEEND=300终态温度。
不设的话，等于TEBEG.SMASS=-3 NVE ensemble;-1用来做模拟退火。
大于0 NVT系综。
正确：SMASS=1,2,3是没有区别的。
都是NVT ensemble。
SMASS只要是大于0就是NVT系综。
CONTCAR是每个离子步之后都会写出来的，但是会用新的把老的覆盖CHG是在每10个离子步写一次，不会覆盖CHGCAR是在任务正常结束之后才写的。
5、收敛判据的选择结构弛豫的判据一般有两中选择：能量和力。
这两者是相关的，理想情况下，能量收敛到基态，力也应该是收敛到平衡态的。
但是数值计算过程上的差异导致以二者为判据的收敛速度差异很大，力收敛速度绝大部分情况下都慢于能量收敛速度。
这是因为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。
到底是以能量为收敛判据，还是以力为收敛判据呢？关心能量的人，觉得以能量为判据就够了；关心力相关量的人，没有选择，只能用力作为收敛标准。