第一性原理簡介

1、第一性原理是什么？第一性原理有什么用？第一性原理怎么用？怎樣將第一性原理與實(shí)踐結(jié)合起來？什么是第一性原壬里？ 1原理，量子力學(xué)根據(jù)原子核和電子互相作用的原理及 其基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用笫一性稱為經(jīng)過一些近似處理后直接求解薛定涔方程的算 法，從具體要求出發(fā)，計(jì)算為基礎(chǔ)的從頭算。廣義的笫一原理包括兩大類，以 Hartree-Fock自洽場原理DFT)計(jì)算。密度泛函理論和(自從定義可以看出第一 性原理涉及到量子力學(xué)、薛定涔方程、HartwsFock因此我通過向師兄密度泛函 理論等許多對我來說很陌生的物理化學(xué)定義。洽場、請教和上網(wǎng)查資料一點(diǎn)點(diǎn) 的了解并學(xué)習(xí)這些知識。2第一性原理的作用為基礎(chǔ)以及在此基礎(chǔ)上發(fā)

2、展起 來的簡單而具有一定精(DFT)以密度泛函理論，的第一性原理電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法 和廣義梯度近似(GGA)度的局域密度近似(LDA)不但能夠給岀描述體系微觀電子 特性的物理量如波函與傳統(tǒng)的解析方法一樣,以及在此基礎(chǔ)上所得到的體現(xiàn)體系 宏，數(shù)、態(tài)密度、費(fèi)米面、電子間互作用勢等，穆斯堡爾譜等等比熱、電導(dǎo)、觀物 理特性的參量如結(jié)合能、電離能、光電子譜、密度泛函計(jì)算的一些而且它還可以 幫助人們預(yù)言許多新的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律。.導(dǎo)致了，結(jié)果能夠與實(shí)驗(yàn)直接進(jìn)行比較,一些應(yīng)用程序的發(fā)展乃至商業(yè)軟件的發(fā)布 基于密度泛函理論的第一原理計(jì)算方法的廣泛應(yīng)用。為第一性原理中的一類，在 物理系、化學(xué)、材料科學(xué)以(DFT

3、)密度泛函理論)及其計(jì)算已經(jīng)快速發(fā)展成為材 料建模DFT及其他工程領(lǐng)域中，密度泛函理論(模擬的一種“標(biāo)準(zhǔn)工具”。密 度泛函理論可以計(jì)算預(yù)測固體的晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度(DOS)、 光學(xué)性能、磁性能以及原子集合的總能等等。3第一性原理怎么用？其中 ASP、軟件。VU前我所學(xué)到的利用第一性原理的軟件為Material Studio)是專 門為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開發(fā)的一款可運(yùn)行在MSMaterials Studio (簡稱使化學(xué) 及材料科學(xué)的研究者們能更方便地建立三維結(jié)構(gòu)模型，上的模擬軟件。PC模擬 無定型以及高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進(jìn)行深入的研究。并對各種晶體、的內(nèi) 容包括了催化劑

4、、聚合物、固體及表面、晶體與衍射、化學(xué)反應(yīng)等材料和化 學(xué) 研究領(lǐng)域的主要課題。模塊簡介Materials Studio釆用了大家非常熟悉的 Microsoft標(biāo)準(zhǔn)用戶界面，允許用戶通過各種控制面板直接對計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié) 果進(jìn)行設(shè)置和分析。目前，MaterialsStudio軟件包括如下功能模塊：Materials Vistializer:提供了搭建分子、晶體及高分子材料結(jié)構(gòu)模型所需要的所有工具，可以操作、觀 察及分析結(jié)構(gòu)模型，處理圖表、表格或文本等形式的數(shù)據(jù)，并提供軟件的基本環(huán) 境和分析工具以及支持Materials Studio的其他產(chǎn)品。是Materials Studio產(chǎn)品系 列的核心模

5、塊。Discover:Materials Studio的分子力學(xué)計(jì)算引擎。使用多種分子力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法，以仔細(xì) 推導(dǎo)的力場作為基礎(chǔ)，可準(zhǔn)確地計(jì)算岀最低能量構(gòu)型、分子體系的結(jié)構(gòu)和動(dòng) 力 學(xué)軌跡等。.COMPASS:支持對凝聚態(tài)材料進(jìn)行原子水平模擬的功能強(qiáng)大的力場。是第一個(gè)山凝聚態(tài)性質(zhì) 以及孤立分子的各種從頭算和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等參數(shù)化并經(jīng)驗(yàn)證的從頭算力場。可以在 很大的溫度、壓力范圍內(nèi)精確地預(yù)測孤立體系或凝聚態(tài)體系中各種分子的結(jié)構(gòu)、 構(gòu)象、振動(dòng)以及熱物理性質(zhì)。Amoiphous Cell:允許對復(fù)雜的無定型系統(tǒng)建立有代表性的模型，并對主要性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測。通過觀 察系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系，可以對分子的一些

6、重要性質(zhì)有更深入的了解，從 而設(shè)計(jì)出更好的新化合物和新配方?？梢匝芯康男再|(zhì)有：內(nèi)聚能密度（CED）、 狀態(tài)方程行為、鏈堆砌以及局部鏈運(yùn)動(dòng)等。Reflex:模擬晶體材料的X光、中子以及電子等多種粉末衍射圖譜。可以幫助確定晶體 的結(jié)構(gòu)，解析衍射數(shù)據(jù)并用于驗(yàn)證訃算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。模擬的圖譜可以直接與實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)比較，并能根據(jù)結(jié)構(gòu)的改變進(jìn)行即時(shí)的更新。包括粉末衍射指標(biāo)化及結(jié)構(gòu)精 修等工具。Reflex Plus:是對Reflex的完善和補(bǔ)充，在Reflex標(biāo)準(zhǔn)功能基礎(chǔ)上加入了已被廣泛驗(yàn)證的 Powderok-e技術(shù)。Reflex Plus提供了一套可以從高質(zhì)量的粉末衍射數(shù)據(jù)確定品體 結(jié)構(gòu)的完整工具。Equi

7、li bria:可訃算繪類化合物單組分體系或多組分混合物的相圖，洛解度作為溫度、壓力和 濃度的函數(shù)也可同時(shí)得到，還可計(jì)算單組分體系的virial系數(shù)。適用領(lǐng)域包括石 油及天然氣加工過程（如凝析氣在髙壓下的性質(zhì)）、石油煉制（重坯相在高壓下 的性質(zhì)）、氣體處理、聚烯繪反應(yīng)器（產(chǎn)物控制）、橡膠（作為溫度和濃度的函數(shù) 的不同溶劑的溶解度）。DMol3:獨(dú)特的密度泛函（DFT）量子力學(xué)程序，是唯一的可以模擬氣相、溶液、表面及 固體等過程及性質(zhì)的商業(yè)化量子力學(xué)程序，應(yīng)用于化學(xué)、材料、化工、固體. 物理等許多領(lǐng)域?？捎糜谘芯烤啻呋⒍嘞啻呋?、分子反應(yīng)、分子結(jié)構(gòu)等，也 可預(yù)測溶解度、蒸氣壓、配分函數(shù)、熔解熱

8、、混合熱等性質(zhì)。CASTEP:先進(jìn)的量子力學(xué)程序，廣泛應(yīng)用于陶瓷、半導(dǎo)體、金屬等多種材料，可研究：晶 體材料的性質(zhì)（半導(dǎo)體、陶瓷、金屬、分子篩等）、表面和表面重構(gòu)的性質(zhì)、表 面化學(xué)、電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度）、晶體的光學(xué)性質(zhì)、點(diǎn)缺陷性質(zhì)（如空位、 間隙或取代摻雜）、擴(kuò)展缺陷（晶粒間界、位錯(cuò)）、體系的三維電荷密度及波函數(shù) 等。CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package）是一個(gè)基于密度泛函方法的 從頭算量子力學(xué)程序?？偰芰堪瑒?dòng)能、靜電能和交換關(guān)聯(lián)能三部分，各部分能 量都可以表示成密度的函數(shù)。電子與電子相互作用的交換和相關(guān)效應(yīng)采用局域密 度近似（

9、LDA）和廣義密度近似（GGA）,靜電勢只考慮作用在系統(tǒng)價(jià)電子的有 效勢（即贋勢：Ultiasoft或nomxconserving）,電子波函數(shù)用平面波基組擴(kuò)展（基 組數(shù)山Ecut-off確定），電子狀態(tài)方程采用數(shù)值求解（積分點(diǎn)數(shù)山FFTmesh確定）, 電子氣的密度山分子軌道波函數(shù)構(gòu)造，分子軌道波函數(shù)采用原子軌道的線性組合 （LCAO）構(gòu)成。計(jì)算總能量采用SCF迭代。圖1和圖2為分別利用MS模擬訃算得到的NaCl晶體的能帶結(jié)構(gòu)圖與態(tài)密 度 圖。.CaSTEP Sand Strudtre Bard cap is 4.970 eVEf (CV)1能帶結(jié)構(gòu)圖圖CAST申 Pofelof State

10、）圖態(tài)密度（2DOS圖4怎么將第一性原理和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來？材料的性能一材料的組織一材料的化學(xué)成分一材料中的添加元素對性能的影響。材料的組材料的性材料的化學(xué)成分材料中的添加元素 預(yù)測這只是我的一個(gè)初步的猜想，用笫一性原理通過訃算機(jī)模擬軟件分析、來預(yù) 測材料的組織及其分布情電荷密度、能帶結(jié)構(gòu)等，出材料物相的晶體結(jié)構(gòu)、從而 通過合理的調(diào)整來滿足客況，進(jìn)而預(yù)測其會對材料的性能會產(chǎn)生什么影響，戶 對產(chǎn)品的性能要求。閱讀的相關(guān)文獻(xiàn)為5軟MSDFT有了一個(gè)很好的了解, 正在嘗試著應(yīng)用通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)我對還在理論學(xué)習(xí)階段。件，而 VASP5. lDeiisityFunctionalTlieoiy本書讓我對密

11、度泛函理論及David S.Sholl Tanice A.SteckeL本書的作者為 DFTDFT).其用途有了一個(gè)很好的了解，其主要講述了什么是密度泛函理論(計(jì) 算和電子結(jié)構(gòu)、計(jì)算到固體表面DFT計(jì)算的基本要素以及從簡單固體的DFT什 么精確度等等。本書盡可能的做到讓讀者簡單明了的理解其所要講述的內(nèi)容，不 能應(yīng)DFT是DFT講述了其定義、薛定銬方程、交換關(guān)聯(lián)泛函、量子化學(xué)以及計(jì) 算的基本要素主要解釋了其計(jì)算所需要的關(guān)鍵因素，主要有DFT用的情況?？?能計(jì)算的迭代、兒何優(yōu)化等等。每個(gè)章節(jié)都DFTK點(diǎn)、截?cái)嗄?、倒易空間、有 和本章相關(guān)的擴(kuò)展閱讀書籍，不懂的地方可以有資料可查。52Material

12、studio訃 算機(jī)高級教程軟件的入門技巧并給岀了本書主要講述了一下兒個(gè)方面的內(nèi)容，首 先，MS的晶體結(jié)構(gòu)、如何進(jìn)行總能、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度一些實(shí)例。例如如何構(gòu) 建NaCI基礎(chǔ)知識。比如模型構(gòu)建技巧、CASTEP等的計(jì)算；其次，與DFT相 關(guān)的一些CASTEP最后，本書講述了 CASTEPDFT與平面波脛勢方法、能帶結(jié) 構(gòu)理論等。CASTEP的實(shí)戰(zhàn)守則，包括模型選定、贋勢選擇、精確性測試、收 斂性測試、比但仍有些地方不太理解，MS數(shù)據(jù)庫等。通過本書我對軟件有了很 好的認(rèn)知，如對計(jì)算結(jié)果的分析部分。.5.3 中文版 Material studio 教程本教程和Material studio計(jì)算機(jī)高

13、級教程類似，但是兩者可以對比者來看，希望 能對一些知識有一個(gè)更好的了解。5.4Material studio中文版幫助助手本書詳細(xì)的翻譯了每一個(gè)模塊并講解了 MS的每一個(gè)模塊的作用，還列舉了一些 例子進(jìn)行說明。另外還講述了一些軟件安裝中出現(xiàn)的問題，可謂是將MS漢化了， 這對我這個(gè)初學(xué)者來說幫助很大。5.5 VASP的使用入門山名稱就可以看出本文獻(xiàn)主要講述的是VASP的使用入門。主要有原子和分子的 基態(tài)性質(zhì)計(jì)算、晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化、晶體的電子結(jié)構(gòu)及磁學(xué)性質(zhì)計(jì)算、分子動(dòng) 力學(xué)模擬等，由于此軟件需要自己輸入代碼，因此我還只是停留在熟悉了解階段, 還沒有進(jìn)行過實(shí)際操作。5.6初學(xué)VASPK點(diǎn)的選擇一般來說般來說，k點(diǎn)越密越多，計(jì)算精度也越高，當(dāng)然計(jì)