第一性原理简介

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？

1什么是第一性原理？

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，称为第一性原理。广义的第一原理包括两大类，以Hartree-Fock自洽场计算为基础的从头算和密度泛函理论（DFT）计算。

从定义可以看出第一性原理涉及到量子力学、薛定谔方程、Hartree-Fock自洽场、密度泛函理论等许多对我来说很陌生的物理化学定义。因此我通过向师兄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

以密度泛函理论(DFT)为基础以及在此基础上发展起来的简单而具有一定精度的局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)的第一性原理电子结构计算方法,与传统的解析方法一样,不但能够给出描述体系微观电子特性的物理量如波函数、态密度、费米面、电子间互作用势等,以及在此基础上所得到的体现体系宏观物理特性的参量如结合能、电离能、比热、电导、光电子谱、穆斯堡尔谱等等,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。密度泛函计算

的一些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,导致了基于密度泛函理论的第一原理计算方法的广泛应用。

密度泛函理论(DFT)为第一性原理中的一类，在物理系、化学、材料科学以及其他工程领域中，密度泛函理论（DFT）及其计算已经快速发展成为材料建模模拟的一种“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？

模块简介

Materials Studio采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，Materials Studio软件包括如下功能模块：

Materials Visualizer:

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，可准确地计算出最低能量构型、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。是第一个由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。

Amorphous 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计算和实验结果。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Powderolve技术。Reflex Plus提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具。

Equili bria:

可计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，溶解度作为温度、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（如凝析气在高压下的性质）、石油炼制（重烃相在高压下的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（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、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（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（即赝势：Ultrasoft或norm-conserving），电子波函数用平面波基组扩展（基组数由Ecut-off确定），电子状态方程采用数值求解（积分点数由FFTmesh确定），电子气的密度由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模拟计算得到的NaCl晶体的能带结构图与态密度图。

图1能带结构图

图2态密度（DOS）图4怎么将第一性原理和实际应用结合起来？

材料的性能→材料的组织→材料的化学成分→材料中的添加元素对性能的影响。

这只是我的一个初步的猜想，用第一性原理通过计算机模拟软件分析、预测出材料物相的晶体结构、电荷密度、能带结构等，来预测材料的组织及其分布情况，进而预测其会对材料的性能会产生什么影响，从而通过合理的调整来满足客户对产品的性能要求。 5阅读的相关文献为

通过阅读相关文献我对DFT 有了一个很好的了解，正在尝试着应用MS 软件，而VASP 还在理论学习阶段。

5.1DensityFunctionalTheory

本书的作者为David S.Sholl Tanice A.Steckel 。本书让我对密度泛函理论及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（DFT ）、DFT 计算的基本要素以及从简单固体的DFT 计算到固体表面DFT 计算和电子结构、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，什么是DFT 讲述了其定义、薛定谔方程、交换关联泛函、量子化学以及DFT 不能应用的情况。DFT 计算的基本要素主要解释了其计算所需要的关键因素，主要有倒易空间、K 点、截断能、DFT 总能计算的迭代、几何优化等等。每个章节都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。

5.2Materialstudio 计算机高级教程

本书主要讲述了一下几个方面的内容，首先，MS 软件的入门技巧并给出了一些实例。例如如何构建NaCl 的晶体结构、如何进行总能、能带结构、态密度等的计算；其次，与DFT 相关的一些CASTEP 基础知识。比如模型构建技巧、DFT 与CASTEP 平面波赝势方法、能带结构理论等。最后，本书讲述了CASTEP 材料的性能材料的组织材料的化学成分

材料中的添加元素

的实战守则，包括模型选定、赝势选择、精确性测试、收敛性测试、CASTEP 数据库等。通过本书我对MS软件有了很好的认知，但仍有些地方不太理解，比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

由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VASP K点的选择

一般来说一般来说，k点越密越多，计算精度也越高，当然计算成本也越高。对k点的需求，金属>>半导体，绝缘体，不过呢，很多时候主要还是受硬件限制简约化可以使k点的数目大大下降。对于原子数较多的体系的计算，就需要谨慎的尝试k点数目，在避免或者预先评估wrap-arounderror的前提下尽量减少k点数目。

5.7使用VASP的个人经验手册

本书主要讲解了VASP中每个代码的所表达的意思以及参数设置与选择的技巧，我感觉这部分只是读书没多大的用处，要在实际操作中熟悉。

量子力学第一性原理介绍

量子力学第一性原理：仅需五个物理基本常数——电子质量、电子电量、普郎克常数、光速和玻耳兹曼常数，通过求薛定谔方程得到材料的电子结构，而不依赖于任何经验常数即可以预测微观体系的状态和性质，预测材料的组分、结构、性能之间的关系，进一步设计具有特定性能的新材料。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)。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”。量子化学的第一性原理是指多电子体系的Schr?dinger方程，但是光有这个方程是无法解决任何问题的，量子力学能够准确的解决的问题很少很少，绝大多数都是有各种各样的近似，为此计算量子力学提出一个称为“从头计算”的原理作为第一性原理，除了Schr?dinger方程外还允许使用下列参数和原理： (1) 物理常数，包括光速c、Planck常数h、电子电量e、电子质量me以及原子的各种同位素的质量，尽管这些常数也是通过实验获得的。(在国际单位值中，光速是定义值，Planck 常数是测量值，在原子单位制中则相反。) (2) 各种数学和物理的近似，最基本的近似是“非相对论近似”(Schr?dinger方程本来就是非相对论的原理)、“绝热近似”(由于原子核质量比电子大得多，而把原子核当成静止的点处理)和“轨道近似”(用一个独立函数来描述一个独立电子的运动)。量子化学的从头计算方法就是在各种近似上作的研究。如果只考虑一个电子，而把其他电子对它的作用近似的处理成某种形式的势场，这样就可以把多电子问题简化成单电子问题，这种近似称为单电子近似，也称为平均场近似，例如最基本的从头计算方法哈特里－富克（Hartree-Fock）方法，是平均场近似的一种，它把所有讨论的电子视为在离子势场和其他电子的平均势场中的运动。但是哈特里－富克近似程度过大，忽略了电子之间的交换和相关效应，使得计算的精度受到一定的限制，为了解决这一问题，P Hohenberg和W Kohn于1964年提出密度泛函理论（density functional theory, DFT），这一理论将电子之间的交换相关势表示为密度泛函，然后使薛定谔方程在考虑了电子之间的复杂相互作用后利用建立在自洽场近似的方法求解，DFT认为：粒子的哈密顿量取决于电子密度的局域值，由此可以得出局域密度近似（local density approximation）方法。由于诸多近似方法的使用，“从头计算”方法并不是真正意义上的第一性原理，但是其近似方法的运用使得量子计算得以实现。从头计算的结果具有相当的可靠程度，某些精确的从头计算产生的误差甚至比实验误差还小。话说第一性原理的基本感念是指不采用经验参数……（此后省略若干千字）不采用经验参数，但也得有近似才能计算。在处理原子的时候就采用了波恩-奥本海默近似（既绝热近似）这个近似的主要内容就是电子运动速度远远大于原子核，于是近似原子核不动，只考虑电子运动。于是，这个近似带来的效果就是体系在绝对零度时候的性质。 @@@什么是第一性原理呢？其实就是指从最基本的原理出发，不掺杂任何经验参数，而得出所有的现象。其实这个是很难的。但是能验证规律的正确性。而本文所提到的第一性原理，主要是指从量子力学的基本假设出发，而推导各种物理，化学等现象。也指从头算，即ab initio。最早期的从头算主要是一些量子化学的专家在搞。其实这还要从头说起，薛定谔搞出了薛定谔方程。方程写起来虽然简单，而且直观。（动能算符+势能算符）*波函数=能量的本征值*波函数。这是定态波函数，我就不写含时的方程了。这个方程主要是用来求基态。方程虽然容易写，但是求解起来实在是太难了。有点像经典力学里的混沌现象。虽然每个

第一性原理简介

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？什么是第一性原理？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，运用第一性称为经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法，从具体要求出发，计算为基础的从头算。广义的第一原理包括两大类，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、薛定谔方程、Hartree-Fock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)不但能够给出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)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。V目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、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采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，Materials Studio软件包括如下功能模块： Materials Visualizer: 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，可准确地计算出最低能量构型、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。是第一个由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。 Amorphous 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，可以对分子的一些重要性质有更深入的了解，从

量子力学第一性原理介绍

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。量子力学第一性原理：仅需五个物理基本常数——电子质量、电子电量、普郎克常数、光速和玻耳兹曼常数，通过求薛定谔方程得到材料的电子结构，而不依赖于任何经验常数即可以预测微观体系的状态和性质，预测材料的组分、结构、性能之间的关系，进一步设计具有特定性能的新材料。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)。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”。量子化学的第一性原理是指多电子体系的Schr?dinger方程，但是光有这个方程是无法解决任何问题的，量子力学能够准确的解决的问题很少很少，绝大多数都是有各种各样的近似，为此计算量子力学提出一个称为“从头计算”的原理作为第一性原理，除了Schr?dinger 方程外还允许使用下列参数和原理： (1) 物理常数，包括光速c、Planck常数h、电子电量e、电子质量me以及原子的各种同位素的质量，尽管这些常数也是通过实验获得的。(在国际单位值中，光速是定义值，Planck 常数是测量值，在原子单位制中则相反。) (2) 各种数学和物理的近似，最基本的近似是“非相对论近似”(Schr?dinger方程本来就是非相对论的原理)、“绝热近似”(由于原子核质量比电子大得多，而把原子核当成静止的点处理)和“轨道近似”(用一个独立函数来描述一个独立电子的运动)。量子化学的从头计算方法就是在各种近似上作的研究。如果只考虑一个电子，而把其他电子对它的作用近似的处理成某种形式的势场，这样就可以把多电子问题简化成单电子问题，这种近似称为单电子近似，也称为平均场近似，例如最基本的从头计算方法哈特里－富克（Hartree-Fock）方法，是平均场近似的一种，它把所有讨论的电子视为在离子势场和其他电子的平均势场中的运动。但是哈特里－富克近似程度过大，忽略了电子之间的交换和相关效应，使得计算的精度受到一定的限制，为了解决这一问题，P Hohenberg和W Kohn于1964年提出密度泛函理论（density functional theory, DFT），这一理论将电子之间的交换相关势表示为密度泛函，然后使薛定谔方程在考虑了电子之间的复杂相互作用后利用建立在自洽场近似的方法求解，DFT认为：粒子的哈密顿量取决于电子密度的局域值，由此可以得出局域密度近似（local density approximation）方法。由于诸多近似方法的使用，“从头计算”方法并不是真正意义上的第一性原理，但是其近似方法的运用使得量子计算得以实现。从头计算的结果具有相当的可靠程度，某些精确的从头计算产生的误差甚至比实验误差还小。

第一性原理简介教案资料

第一性原理简介

1什么是第一性原理？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，称为第一性原理。广义的第一原理包括两大类，以Hartree-Fock自洽场计算为基础的从头算和密度泛函理论（DFT）计算。从定义可以看出第一性原理涉及到量子力学、薛定谔方程、Hartree-Fock自洽场、密度泛函理论等许多对我来说很陌生的物理化学定义。因此我通过向师兄请教和上网查资料一点点的了解并学习这些知识。 2第一性原理的作用以密度泛函理论(DFT)为基础以及在此基础上发展起来的简单而具有一定精度的局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)的第一性原理电子结构计算方法,与传统的解析方法一样,不但能够给出描述体系微观电子特性的物理量如波函数、态密度、费米面、电子间互作用势等,以及在此基础上所得到的体现体系宏观物理特性的参量如结合能、电离能、比热、电导、光电子谱、穆斯堡尔谱等等,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。密度泛函计算的

一些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,导致了基于密度泛函理论的第一原理计算方法的广泛应用。密度泛函理论(DFT)为第一性原理中的一类，在物理系、化学、材料科学以及其他工程领域中，密度泛函理论（DFT）及其计算已经快速发展成为材料建模模拟的一种“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？目前我所学到的利用第一性原理的软件为Material Studio、VASP软件。其中Materials Studio（简称MS）是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。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，并对各种晶体、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。模拟的内容包括了催化剂、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采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，Materials Studio软件包括如下功能模块： Materials Visualizer: 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，可准确地计算出最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。

第一性原理简介

简介：ABINIT的主程序使用赝势和平面波，用密度泛函理论计算总能量，电荷密度，分子和周期性固体的电子结构，进行几何优化和分子动力学模拟，用TDDFT（对分子）或GW近似（多体微扰理论）计算激发态。此外还提供了大量的工具程序。程序的基组库包括了元素周期表1-109号所有元素。ABINIT适于固体物理，材料科学，化学和材料工程的研究，包括固体，分子，材料的表面，以及界面，如导体、半导体、绝缘体和金属。功能：可以计算很多物理属性： A. 计算倒格子中核与电子的总能量。 A.1. 计算使用平面波和赝势。 A.2. 总能量的计算使用密度泛函理论（DFT）。可以使用大多数重要的局域密度近似(LDA)，包括Perdew-Zunger近似。可以使用两种不同的局域自旋密度(LSD)，包括Perdew Wang 92和M. Teter的LSD。还可以使用Perdew-Burke-Ernzerhof，revPBE，RPBE和HCTH等GGA (自旋极化和非极化)。 A.3. 自恰场计算生成DFT基态，以及相关的能量和密度。此后的非自恰计算可以对能带结构的大量k-点产生本征能量。态密度的计算即可以用四面体方法，也可以用模糊技术。 A.4. 程序可以使用多种不同的赝势。对整个周期表适用的有两种：Troullier-Martins型和Goedecker型（这种类型包括自旋-轨道耦合）。如果需要的话，有四个代码可以产生新的赝势。 A.5. 程序本身可以处理金属和绝缘体系。 A.6. 晶胞可以是正交或者非正交。计算可以输入任何对称性及相应的k-点集。 A.7. 电子体系可以用自旋极化和自旋非极化计算。一个特殊的选项可以有效地处理反铁磁性。可以对总能量计算非共线的磁性（不能用于力，张量，相应函数...）。可以禁止晶胞的总磁矩。 A.8. 总能量，力，张量和电子结构的计算可以考虑自旋-轨道耦合。 A.9. 能量可分解为不同的成分（局域势，XC，Hartree...）。 A.10. 计算内部电子本征值。 A.11. 230个空间群和1191个Shubnikov磁群的对称性分析。 B. 计算总能量和本征能量 B.1. 用解析公式计算Hellman-Feynman力。 B.2. 计算应力。 B.3. 极化的计算。 B.4. 响应的计算。 B.5. 计算近似的和准确的磁化系数矩阵和介电矩阵。 B.6. 解析计算电子本征能量的导数。 B.7. 计算光学传导性。 B.8. Born有效电荷的能带分解，以及局域化张量的计算。 C. 激发态 C.1. 用GW近似计算电离能和亲和能。 C.2. 用TDDFT计算原子和分子的（单重、三重）激发态和振荡强度。 D. 移动原子，改变晶胞参数 D.1. 用不同的方法寻找平衡构型。可以同时优化晶胞参数。优化过程中如果需要的话，可以固定指定的晶胞参数，角度，或原子位置。 D.2. 有两种算法进行分子动力学计算。 D.3. 自动分析键长键角。原子坐标的格式支持用可视化软件XMOL显示。 E. 分析和图形工具

第一性原理简介

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,导致了基于密度泛函理论的第一原理计算方法的广泛应用。密度泛函理论(DFT)为第一性原理中的一类，在物理系、化学、材料科学以及其他工程领域中，密度泛函理论（DFT）及其计算已经快速发展成为材料建模模拟的一种“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？目前我所学到的利用第一性原理的软件为Material Studio、V ASP软件。其中Materials Studio（简称MS）是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。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，并对各种晶体、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。模拟的内容包括了催化剂、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采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，Materials Studio软件包括如下功能模块： Materials Visualizer: 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，可准确地计算出最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。

第一性原理简介

目前我所学到的利用第一性原理的软件为Material Studio、V ASP软件。其中Materials Studio（简称MS）是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。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，并对各种晶体、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。模拟的内容包括了催化剂、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采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，Materials Studio软件包括如下功能模块： Materials Visualizer: 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，可准确地计算出最低能量构型、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。是第一个由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。 Amorphous 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:

第一性原理计算在生物分子研究中的应用

第一性原理计算在生物分子研究中的应用生物分子是构成生命体的基本单元，了解其结构和性质对于研究生命过程、药物研发等具有重要意义。现代计算化学方法的发展为生物分子研究提供了新的视角和途径，其中第一性原理计算作为一种基于量子力学原理的计算方法，被广泛应用于生物分子的结构、性质及其反应机制的探究。一、第一性原理计算简介第一性原理计算是一种基于量子力学原理的计算方法，旨在通过计算物质中原子、分子等微观结构的基本量子力学参数（如电荷、电子自旋、轨道动量等）来模拟物质的宏观特性。这种方法具有高度精确性和理论基础，可用于研究物质的结构、能量、电子结构、磁学、光学等多方面的问题。二、1.生物分子结构预测采用第一性原理计算可以预测生物分子的最稳定构象、结构和几何构型，电子密度分布、电荷分布和能量热力学状态等。根据这些信息可以推导出生物分子的分子机理，指导药物研发和分子定量研究，如结构优化和分析蛋白质中的氨基酸相互作用与折叠设计等。 2.生物分子反应机制研究通过第一性原理计算，我们可以模拟和研究生物分子反应机制和过程。特别是涉及到较大的生物分子体系的研究，第一性原理计算可以较好地解释和预测其反应行为及反应机理，如蛋白质酶解、靶点结合、酶催化、酸碱中和等反应机理的研究。 3.药物研发中的应用第一性原理计算在药物研发领域的应用越来越受到重视。通过对药物分子与蛋白质的相互作用分析，以及药物分子在体内转化和吸收的动力学特性预测，有助于指导药物分子的优化设计和新药发现。

三、第一性原理计算技术的发展与前景虽然第一性原理方法在计算过程中可能会出现计算复杂度较高、计算精度变化大等问题，但随着计算硬件和软件技术的不断进步，这些问题得以有效解决，同时也推动了第一性原理计算在生物分子研究中的广泛应用。未来，随着生物分子研究领域对于精度和全面性的要求不断提高，第一性原理计算在研究参与物质、新药分子与靶标相互作用、蛋白质折叠等方面仍将发挥重要作用，并有望成为研究的热点领域之一。综上所述，第一性原理计算在生物分子结构、反应、动力学特性及药物研发等方面的应用前景广阔，为生物分子研究带来了新的视角和方法，有助于推动生物学、医学、药物学等领域的进一步发展。

第一性原理简介

第一性原理有什么用? 第一性原理怎么用？ 1什么是第一性原理？怎样将第一性原理与实根据原子核和电子互相作践结合起来根本运动规律，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，称为第一性原理。广义的第一原理包括两大类，以Hartree-Fock自洽场计算为根底的从头算和密度泛函理论〔DFT〕计算。从定义可以看出第一性原理涉及到量子力学、薛定谔方程、Hartree-Fock自洽场、密度泛函理论等许多对我来说很陌生的物理化学定义。因此我通过向师兄请教和上网查资料一点点的了解并学习这些知识。 2第一性原理的作用以密度泛函理论〔DFT〕为根底以及在此根底上开展起来的简单而具有一定精度的局域密度近似〔LDA〕和广义梯度近似〔GGA〕的第一性原理电子结构计算方法，与传统的解析方法一样,不但能够给出描述体系微观电子特性的物理量如波函数、态密度、费米面、电子间互作用势等，以及在此根底上所得到的表达体系宏观物理特性的参量如结合能、电离能、比热、电导、光电子谱、穆斯堡尔谱等等，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。密度泛函计算的一些结果能够与实验直接进行比拟，一些应用程序的发展乃至商业软件的发布，导致了基于密度泛函理论的第一原理计算方法的广泛应用。密度泛函理论〔DFT〕为第一性原理中的一类，在物理系、化学、材料科学以及其他工程领域中，密度泛函理论〔DFT〕及其计算已经快速开展成为材料建模模拟的一种“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？目前我所学到的利用第一性原理的软件为Material Studio、VASP软件。其中Materials

第一性原理在钎焊中的应用

第一性原理在钎焊中的应用引言第一性原理是物理学中的重要概念，是通过基本的物理定律和量子力学原理来解释物质的行为和性质。在近年来，第一性原理计算在材料科学领域中得到了广泛的应用。钎焊作为一种重要的金属连接技术，在材料科学和工业生产中占据着重要的地位。本文将探讨第一性原理在钎焊过程中的应用。第一性原理简介第一性原理通过解决薛定谔方程来描述物质的性质。它基于量子力学原理，不依赖于任何实验数据，而是通过原子核和电子之间的相互作用来预测材料的性质。第一性原理计算可以提供关于材料的结构、能带、电子态密度等各种物理性质的详细信息。第一性原理在钎焊中的应用 1.材料选择：利用第一性原理计算可以得到不同材料之间的结合能和黏合能，从而指导钎焊材料的选择。这可以提高钎焊接头的强度和可靠性。 2.界面反应：钎焊过程中，材料之间的界面反应是一个重要的因素。第一性原理计算可以模拟和预测钎焊材料之间的界面反应，进而优化钎焊工艺，提高接头质量。 3.温度效应：钎焊过程中材料会经历高温，因此温度效应对钎焊接头的性质有重要影响。第一性原理计算可以计算材料的热力学性质和热导率，进而帮助了解材料在高温下的行为。 4.残余应力：钎焊过程中，由于热膨胀系数的差异，常常会产生残余应力。第一性原理计算可以预测和分析钎焊接头中的残余应力，从而评估接头的稳定性和可靠性。 5.次表面缺陷：在钎焊接头中，次表面缺陷是一个常见的问题。第一性原理计算可以分析钎焊接头中的次表面缺陷，为改进钎焊工艺提供有用信息。结论第一性原理计算在钎焊中的应用可以提供对材料性质和反应行为的深入理解。通过应用第一性原理计算，可以指导钎焊材料的选择、优化钎焊工艺、预测材料在高温下的行为等。这将有助于改进钎焊接头的质量和可靠性，为工业生产和材料科学的发展做出贡献。参考文献： - Zhang, Y., Zhu, S., Li, B., & Wang, E. （2019）. First-principles studies on the interaction between C and TaC/matrix in Nb-based alloys for nuclear fuel cladding. Journal of Nuclear Materials, 528, 151894. - Jiqiang Jiang, Weiming Xi,

第一性原理简介

1什么是第一性原理？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，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解的算法，称为第一性原理。广义的第一原理包括两大类，以Hartree-Fock 自洽场计算为基础的从头算和（DFT ）计算。从定义可以看出第一性原理涉及到量子力学、、Hartree-Fock 自洽场、等许多对我来说很陌生的物理化学定义。因此我通过向师兄请教和上网查资料一点点的了解并学习这些知识。

2第一性原理的作用以密度泛函理论(DFT)为基础以及在此基础上发展起来的简单而具有一定精度的局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)的第一性原理电子结构计算方法,与传统的解析方法一样,不但能够给出描述体系微观电子特性的物理量如波函数、态密度、费米面、电子间互作用势等,以及在此基础上所得到的体现体系宏观物理特性的参量如结合能、电离能、比热、电导、光电子谱、穆斯堡尔谱等等,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。密度泛函计算的一些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,导致了基于密度泛函理论的第一原理计算方法的广泛应用。密度泛函理论(DFT)为第一性原理中的一类，在物理系、化学、材料科学以及其他工程领域中，密度泛函理论（DFT）及其计算已经快速发展成为材料建模模拟的一种“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？目前我所学到的利用第一性原理的软件为Material Studio、VASP软件。其中Materials Studio（简称MS）是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。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，并对各种晶体、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。模拟的内容包括了催化剂、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

第三节第一性原理计算简介

第一性原理计算简介在物理学中,第一性原理计算或称从头计算是指,基于构建物理学的基础定理,不作任何假设,例如:经验模型和拟合参数,所进行的计算研究。特别地,在凝聚态物理中,指的是运用薛定愕方程在一定的近似情况下,但不包括拟合实验数据所得到的参数和模型,对物质的电子结构进行计算r 从而得到所研究物质的性质的一种研究方法。近些年,随着计算机技术的飞速发展,其运算能力越来越强大,使得人们可以处理更庞大更繁杂的物质结构体系,同时也使得计算物理成为了现代物理学,尤其是在凝聚态物理领域的一个重要分支。众所周知,固体是由相对重且带正电的粒子——原子核,以及相对轻且带负电的粒子——电子聚集在一起构成的。如果有个原子,需要处理的问题是包含有N+ZN(Z 为原子核所含的质子的个数)个粒子的电磁相互作用,是一个多体问题。另一方面,由于处理的是微观粒子的运动,所以需要运用量子力学来描述其基本的运动规律和相互作用。对于该系统,精确的多粒子哈密顿量可以写作: i 2 i i i 1122R H M ∇=--∑∑ Fuuuuuuuuj 其中位于為处的原子核的质量为M,.,位于巧处的电子的质量为m 一第一项是原子核的动能算符,第二项是电子的动能算符。后三项分别是描述电子与原子核,单个电子与其它电子以及单个原子核与其它原子核之间的库伦相互作用。很显然,直接精确求解(1.64)式几乎是不可能的。为了在合理的近似条件下得到体系的本征值,需要作不同层次的近似。 1.3.1波恩-奥本海默(Bom-Oppenheimer)近似由于原子核的质量远大于电子质量,所以,原子核的运动速度远小于电子。因此,可以将原子“冻结”在固定的位置,并假设电子在瞬时与原子核是平衡的。或者说,只有电子在这个多体问题中是考察对象,原子核仅仅被当作一个带正电的外源场,相对于电子云是外在独立的。该近似被称为波恩-奥本海默(Bom-Oppenheimer)近似。原来的多体问题被简化成在原子的静电势下,瓜个带负电的粒子的相互作用。波恩-奥本海默认为,原子核不再运动,其动能为零,因此,(1.64)式的第一项被消除,最后一项退化为常数。(1.64)式简化为只含有电子气的动能,电子与电子之间的相互作用所产生的势能,以及电子在可看作外源的原子核的势中的势能。(1.64)式可重写为: H = f + V + V^, 值得注意的是,(1.65)式中的动能以及电子与电子间的相互作用只取决于所处理的是系统是多电子系统,而不是多质子系统中强的原子内部作用力,并不依赖于特定的多电子系统本身,例如,Br2或者水分子,Cu 还是Fe, bcc-Fe 还是fcc-Fe,等等。因此,前两项是普适的,包含特定系统信息的部分均在第三项中。 1.3.2 密度泛函理论(Density functional theory) 在波恩-奥本海默近似后,该量子多体问题得到了极大的简化,但是,依然很难直接求解。存在许多方法将方程(1.65)进一步近似变为易于处理的形式,历史上非常重要的是Hartree-Fock 方法。该方法在处理原子以及分子时效果很好,因此在量子化学中被广泛使用。但对于处理固体问题,其精度不够高。本文中使用的是更为现代且可能更强大的方法:密度泛函理论。密度泛函理论的建立可以追溯到1964年Hohenberg 和Kohn[7]提出的两条定理。 1.3. 2.1 Hohenberg-Kohn 定理两条定理的原始表述如下: 第一定理:多电子体系(原子,分子,固体)基态时的电荷密度pOO 与外源的势之间存在着一一

第一性原理方法介绍

摘要碳纳米管是近年来材料界以及凝聚态物理研究的前沿和热点。由于其具有介观尺度及奇异的物理化学性能而被认为极具理论研究价值；从实际应用的角度来看,碳纳米管直接与纳米技术相关联,也倍受人们关注。通过如STM、Raman,吸收谱等实验,人们已经初步了解了碳纳米管的众多奇特结构和性能。为了能更进一步弄清碳纳米管的结构和物理特性,理论模拟就显得非常必要。基于密度泛函的第一性原理,本文研究了钙掺杂对碳纳米管吸附二氧化碳性能的影响。关键词：密度泛函理论,第一性原理,碳纳米管, 电子结构引言一、计算物理学简介计算物理学是利用电子计算机进行数据采集、数值计算和数字仿真来发现和研究物理现象与物理规律的一门现代交叉学科。计算物理学中的一个重要的研究领域是凝聚态体系的电子结构。由于物质所表现出的许多宏观物理特性,比如超导电性、半导体发光特性、过渡金属的磁性等都和体系的微观电子结构密切相关,并主要由电子的行为所决定,因此研究物质的电子结构是求解相互作用的多电子体系问题。其实质是一个多体问题的研究。对于这样一个复杂多体问题的研究,密度泛函理论(DFT)为人们提供了一个较为有效的解决办法。以密度泛函理论(DFT)为基础以及在此基础上发展起来的简单而具有一定精度的局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)的第一性原理电子结构计算方法,与传统的解析方法一样,不但能够给出描述体系微观电子特性的物理量如波函数、态密度、费米面、电子间互作用势等,以及在此基础上所得到的体现体系宏观物理特性的参量如结合能、电离能、比热、电导、光电子谱、穆斯堡尔谱等等,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。密度泛函计算的一些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,导致了基于密度泛函理论的第一原理计算方法的广泛应用。通过计算,人们可以分析某种结构模型对应的物理现象,可以预言有关材料的结构和稳定性等,可以人为设计具有人们希望的物理性能的结构材料。二、论文工作的内容和意义目前碳纳米管及其管束的物理性能和应用研究已成为人们关心的热点问题,特别是随着微电子器件的高度集成化和微尺度化的发展趋势,开发以碳纳米管为基础的纳米电子器件将成为本世纪的焦点内容。在理论上,X. Blase等人指出由于在费米面附近σ*-π*轨道间的杂化效应,使得在小管径的电子带结构有别于传统的从石墨片折叠模型得到的电子带结构。这种杂化效应将改变最低导带的能量和特征从而对电子结构产生影响,甚至在半导体的管中出现金属的能带特征。第一原理计算表明,对应0.4 nm 直径碳纳米管的(5，0)、(3, 3)、(4, 2)三种碳纳米管中,(5，0)和(3, 3)的能带显示它们表现为金属性,而(4, 2)是具有0.2eV 带隙的间接半导体。从传统的石墨片折叠理论来讲,锯齿型管(5，0)应该是半导体的,但由于小管径的碳纳米管中σ*-π*轨道间的杂化,使得(5，0)的电子结构发生了变化,而呈现金属性。另外,硼和氮掺杂的碳纳米管被成功制备。用紧束缚方法和第一原理计算表明,这种硼和氮掺杂的碳纳米管是p 型和n型碳纳米管。碳纳米管已被证明在常温下是一种新型的化学传感器,能够以较高的灵敏度检测到含量甚微的气体分子。但是碳纳米管对许多类型气体不是很敏感,如氢气和一氧化碳,通过硼和氮掺