第一性原理简介

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？怎样将第一性原理与实践结合起来？什么是第一性原壬里？ 1原理，量子力学根据原子核和电子互相作用的原理及 其基本运动规律，运用笫一性称为经过一些近似处理后直接求解薛定涔方程的算 法，从具体要求出发，计算为基础的从头算。广义的笫一原理包括两大类，以 Hartree-Fock自洽场原理DFT)计算。密度泛函理论和(自从定义可以看出第一 性原理涉及到量子力学、薛定涔方程、HartwsFock因此我通过向师兄密度泛函 理论等许多对我来说很陌生的物理化学定义。洽场、请教和上网查资料一点点 的了解并学习这些知识。2第一性原理的作用为基础以及在此基础上发

2、展起 来的简单而具有一定精(DFT)以密度泛函理论，的第一性原理电子结构计算方法 和广义梯度近似(GGA)度的局域密度近似(LDA)不但能够给岀描述体系微观电子 特性的物理量如波函与传统的解析方法一样,以及在此基础上所得到的体现体系 宏，数、态密度、费米面、电子间互作用势等，穆斯堡尔谱等等比热、电导、观物 理特性的参量如结合能、电离能、光电子谱、密度泛函计算的一些而且它还可以 帮助人们预言许多新的物理现象和物理规律。.导致了，结果能够与实验直接进行比较,一些应用程序的发展乃至商业软件的发布 基于密度泛函理论的第一原理计算方法的广泛应用。为第一性原理中的一类，在 物理系、化学、材料科学以(DFT

3、)密度泛函理论)及其计算已经快速发展成为材 料建模DFT及其他工程领域中，密度泛函理论(模拟的一种“标准工具”。密 度泛函理论可以计算预测固体的晶体结构、晶格参数、能带结构、态密度(DOS)、 光学性能、磁性能以及原子集合的总能等等。3第一性原理怎么用？其中 ASP、软件。VU前我所学到的利用第一性原理的软件为Material Studio)是专 门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在MSMaterials Studio (简称使化学 及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，上的模拟软件。PC模拟 无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。并对各种晶体、的内 容包括了催化剂

4、、聚合物、固体及表面、晶体与衍射、化学反应等材料和化 学 研究领域的主要课题。模块简介Materials Studio釆用了大家非常熟悉的 Microsoft标准用户界面，允许用户通过各种控制面板直接对计算参数和计算结 果进行设置和分析。目前，MaterialsStudio软件包括如下功能模块：Materials Vistializer:提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具，可以操作、观 察及分析结构模型，处理图表、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环 境和分析工具以及支持Materials Studio的其他产品。是Materials Studio产品系 列的核心模

5、块。Discover:Materials Studio的分子力学计算引擎。使用多种分子力学和动力学方法，以仔细 推导的力场作为基础，可准确地计算岀最低能量构型、分子体系的结构和动 力 学轨迹等。.COMPASS:支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场。是第一个山凝聚态性质 以及孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并经验证的从头算力场。可以在 很大的温度、压力范围内精确地预测孤立体系或凝聚态体系中各种分子的结构、 构象、振动以及热物理性质。Amoiphous Cell:允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型，并对主要性质进行预测。通过观 察系统结构和性质之间的关系，可以对分子的一些

6、重要性质有更深入的了解，从 而设计出更好的新化合物和新配方。可以研究的性质有：内聚能密度（CED）、 状态方程行为、链堆砌以及局部链运动等。Reflex:模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。可以帮助确定晶体 的结构，解析衍射数据并用于验证讣算和实验结果。模拟的图谱可以直接与实验 数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。包括粉末衍射指标化及结构精 修等工具。Reflex Plus:是对Reflex的完善和补充，在Reflex标准功能基础上加入了已被广泛验证的 Powderok-e技术。Reflex Plus提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定品体 结构的完整工具。Equi

7、li bria:可讣算绘类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，洛解度作为温度、压力和 浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的virial系数。适用领域包括石 油及天然气加工过程（如凝析气在髙压下的性质）、石油炼制（重坯相在高压下 的性质）、气体处理、聚烯绘反应器（产物控制）、橡胶（作为温度和浓度的函数 的不同溶剂的溶解度）。DMol3:独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一的可以模拟气相、溶液、表面及 固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体. 物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也 可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热

8、、混合热等性质。CASTEP:先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究：晶 体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表 面化学、电子结构（能带及态密度）、晶体的光学性质、点缺陷性质（如空位、 间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶粒间界、位错）、体系的三维电荷密度及波函数 等。CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package）是一个基于密度泛函方法的 从头算量子力学程序。总能量包含动能、静电能和交换关联能三部分，各部分能 量都可以表示成密度的函数。电子与电子相互作用的交换和相关效应采用局域密 度近似（

9、LDA）和广义密度近似（GGA）,静电势只考虑作用在系统价电子的有 效势（即贋势：Ultiasoft或nomxconserving）,电子波函数用平面波基组扩展（基 组数山Ecut-off确定），电子状态方程采用数值求解（积分点数山FFTmesh确定）, 电子气的密度山分子轨道波函数构造，分子轨道波函数采用原子轨道的线性组合 （LCAO）构成。计算总能量采用SCF迭代。图1和图2为分别利用MS模拟讣算得到的NaCl晶体的能带结构图与态密 度 图。.CaSTEP Sand Strudtre Bard cap is 4.970 eVEf (CV)1能带结构图图CAST申 Pofelof State

10、）图态密度（2DOS图4怎么将第一性原理和实际应用结合起来？材料的性能一材料的组织一材料的化学成分一材料中的添加元素对性能的影响。材料的组材料的性材料的化学成分材料中的添加元素 预测这只是我的一个初步的猜想，用笫一性原理通过讣算机模拟软件分析、来预 测材料的组织及其分布情电荷密度、能带结构等，出材料物相的晶体结构、从而 通过合理的调整来满足客况，进而预测其会对材料的性能会产生什么影响，户 对产品的性能要求。阅读的相关文献为5软MSDFT有了一个很好的了解, 正在尝试着应用通过阅读相关文献我对还在理论学习阶段。件，而 VASP5. lDeiisityFunctionalTlieoiy本书让我对密

11、度泛函理论及David S.Sholl Tanice A.SteckeL本书的作者为 DFTDFT).其用途有了一个很好的了解，其主要讲述了什么是密度泛函理论(计 算和电子结构、计算到固体表面DFT计算的基本要素以及从简单固体的DFT什 么精确度等等。本书尽可能的做到让读者简单明了的理解其所要讲述的内容，不 能应DFT是DFT讲述了其定义、薛定铐方程、交换关联泛函、量子化学以及计 算的基本要素主要解释了其计算所需要的关键因素，主要有DFT用的情况。总 能计算的迭代、儿何优化等等。每个章节都DFTK点、截断能、倒易空间、有 和本章相关的扩展阅读书籍，不懂的地方可以有资料可查。52Material

12、studio讣 算机高级教程软件的入门技巧并给岀了本书主要讲述了一下儿个方面的内容，首 先，MS的晶体结构、如何进行总能、能带结构、态密度一些实例。例如如何构 建NaCI基础知识。比如模型构建技巧、CASTEP等的计算；其次，与DFT相 关的一些CASTEP最后，本书讲述了 CASTEPDFT与平面波脛势方法、能带结 构理论等。CASTEP的实战守则，包括模型选定、贋势选择、精确性测试、收 敛性测试、比但仍有些地方不太理解，MS数据库等。通过本书我对软件有了很 好的认知，如对计算结果的分析部分。.5.3 中文版 Material studio 教程本教程和Material studio计算机高

13、级教程类似，但是两者可以对比者来看，希望 能对一些知识有一个更好的了解。5.4Material studio中文版帮助助手本书详细的翻译了每一个模块并讲解了 MS的每一个模块的作用，还列举了一些 例子进行说明。另外还讲述了一些软件安装中出现的问题，可谓是将MS汉化了， 这对我这个初学者来说帮助很大。5.5 VASP的使用入门山名称就可以看出本文献主要讲述的是VASP的使用入门。主要有原子和分子的 基态性质计算、晶体结构参数的优化、晶体的电子结构及磁学性质计算、分子动 力学模拟等，由于此软件需要自己输入代码，因此我还只是停留在熟悉了解阶段, 还没有进行过实际操作。5.6初学VASPK点的选择一般来说般来说，k点越密越多，计算精度也越高，当然计