CeCuGa3电子结构的第一性原理计算研究

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 ρ作为基本变量。

CdCO3电子结构与光学属性的第一性原理研究盛虹;张水利;邵婷婷;杨延宁;张富春【摘要】The crystal structure,electronic structure andoptical propertiesofCdCO3were studiedby usingthe first-principlesbased onthe density functional theory (DFT)within the generalized gradient approximation (GGA). Thetheoreticalresultsindicate that the CdCO3is anindirect bandgap semiconductor materialand thebandgapis2.59 eV, whichismainly determined by Cd 4p,O 2p orbital energy levelsat thetopofvalenceband and Cd 4p,5s orbital energy levels at thebottomofconductionband. The resultsof charge density show thatCdCO3crystalis ahybrid bond semiconductor strong in ionicity bond and weak in covalent,characterized by intensep-dhybridorbitals.The optical properties of the CdCO3in which the band-to-band transitionareat leading statusareanalyzed by the precisely calculated band structure and density of state(DOS). The results of the optical properties show that obviousthreedielectric peaks appear in energyrangefrom0 eV to15eV, andthe absorb edges are located in the ultraviolet region.The above results haveimportanttheoretical significance for us to explore the potential applications based on CdCO3materialandoffer theoretical reference topreciselymonitorand control the growth ofCdCO3material.%采用基于密度泛函理论框架的第一性原理计算方法,利用广义梯度近似方法研究了CdCO3的晶体结构、电子结构和光学属性,理论计算结果表明,CdCO3属于间接宽带隙半导体材料,带隙宽度为2.59 eV,带隙主要由价带顶的Cd4p、O 2p和导带底的Cd4p、5s轨道能级决定的.而电荷密度结果显示CdCO3晶体是一种离子性较强而共价性较弱的混合键半导体,具有强烈的p轨道与d轨道杂化分布特征.利用精确计算的能带结构和态密度分析了带间跃迁占主导地位的CdCO3材料的光学属性,光学性质的计算结果显示在0~15 eV的能量范围内出现了三个明显的介电峰,吸收带边对应于紫外波段.以上结果对于探索基于CdCO3纳米材料的潜在应用具有重要的理论指导意义,也为精确监测和控制CdCO3材料的生长提供了理论依据.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2017(036)012【总页数】5页(P42-46)【关键词】碳酸镉;第一性原理;电子结构;电荷密度;光学带隙;光吸收【作者】盛虹;张水利;邵婷婷;杨延宁;张富春【作者单位】渭南师范学院数理学院,陕西渭南 714000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000【正文语种】中文【中图分类】O643.1近年来，形貌可控的碳酸盐纳米结构材料CdXO3 (X = C, Si, Ge, Sn, Pb)由于其特殊的形态和结构而具有新奇的光学、化学和物理特性，引起人们的广泛研究热情[1]。

材料力学性质的第一性原理计算研究第一性原理计算是现代材料科学研究中重要的工具之一。

通过基于量子力学的第一性原理计算方法，可以预测材料的各种性质。

在材料科学的发展中，探索并理解材料的力学性质一直是一个关键问题。

本文将以第一性原理计算为基础，深入研究材料力学性质的预测和分析。

首先，我们来了解一下第一性原理计算的基本原理。

第一性原理计算方法是基于薛定谔方程和密度泛函理论的计算方法，能够计算出材料的电子结构、能带结构、晶格常数等基本性质。

在这个基础上，可以进一步计算材料的弹性性质、断裂强度、塑性形变等力学性质。

通过计算材料的原子结构和晶体缺陷，可以预测力学性能的变化规律，为材料设计和优化提供理论指导。

接下来，我们将通过具体的案例来说明第一性原理计算在材料力学性质研究中的应用。

以金属材料为例，我们可以通过第一性原理计算方法研究材料的弹性性质。

首先，需要计算金属的晶体结构和原子排列。

然后，通过计算材料的局部应变和应力，可以得到金属的弹性常数。

这些弹性常数包括剪切模量、杨氏模量等，可以描述金属在外力作用下的变形特性。

另外，我们还可以通过第一性原理计算来研究材料的断裂性质。

断裂是材料损伤和失效的重要原因之一。

通过计算材料的断裂表面能量和断裂韧性等参数，可以预测材料的断裂强度和断裂模式。

这对于材料的设计和改良具有重要的指导意义。

例如，在薄膜材料领域，第一性原理计算可以用来研究薄膜的断裂行为，为薄膜的应用和制备提供理论依据。

除了弹性性质和断裂性质，第一性原理计算还可以用于研究材料的塑性形变和变形机制。

材料的塑性形变是材料经历应力后产生永久形变的过程。

通过计算材料中的晶体缺陷如位错和空位，可以模拟材料的塑性变形。

通过分析位错的运动和材料的能量变化，可以揭示材料塑性形变和变形机制的微观本质。

这对于提高材料的塑性变形能力和改善材料的塑性加工性能具有重要意义。

最后，我们可以看到第一性原理计算在研究材料力学性质中的潜力和应用前景。

正交CaTiO3电子结构及光学性质的第一性原理研究正交CaTiO3电子结构及光学性质的第一性原理研究范强;杨建会;肖志刚;舒晓琴【期刊名称】《乐山师范学院学报》【年(卷),期】2015(000)004【摘要】Based on the density-functional theory,the structural parameters,electronic structure and optical properties of orthorhombic CaTiO3 have been studied by using the first principle projector-augmented wave (PAW) method and the generalized gradient approximation (GGA) treatment of exchange correlation energy. The calculated structural parameters of orthorhombic CaTiO3 coincide well with the experimental orthorhombic data. The energy band structure and density of states are obtained,which indicates that orthorhombic CaTiO3 is a direct gap semiconductor with a band gap of 2.43 eV at Γ (gamma) point. Furthermore,the absorption coefficient of orthorhombic CaTiO3 has been calculated,which shows that there is a strong absorption in UV light band. Based on the band structure and density of states,the mechanism of the optical transitions for orthorhombic CaTiO3 is explained,which provides a theoretical basis for application of orthorhombic CaTiO3.%基于密度泛函理论，采用第一性原理投影缀加波方法(PAW)，应用广义梯度近似(GGA)处理交换关联能，计算了正交CaTiO3块体材料的晶格参数、电子能带结构、态密度和光学性质。

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将“第一性原理计算”融入传统计算物理学课程的教学体系改革探讨作者：秦真真王飞牛春要来源：《科教导刊》2021年第07期摘要针对物理类专业开设的传统“计算物理学”课程，为进一步提升其课程质量与完善知识体系，提出将“第一性原理计算”这一前沿科技领域融入计算物理学课程中，对相关教学知识体系和内容进行补充与整合，丰富当前计算物理教学的内容层次与前沿性。

这将拓展学生从仅限于MATLAB计算和可视化层面研究经典物理问题的有限认知面，深化学生对基于量子力学和固体物理等凝聚态物理问题的基本理解，有益于学生接触科技前沿和建立完善的计算物理知识体系，并进一步增强学生对计算物理学课程的认知和实践能力。

关键词计算物理第一性原理计算科技前沿教学改革中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2021.03.024Discussion on Teaching System Reform of Integrating "First Principles Calculation" into Traditional Computational Physics CourseQIN Zhenzhen， WANG Fei， NIU Chunyao（School of Physics， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001）Abstract Aiming at the traditional "Computational Physics" course， in order to further improve the quality of the course and complement the computational physics knowledge system， it is proposed to integrate the science field of "first-principles calculation" and related technology into the traditional course of computational physics， which would enrich the current content level and cutting edge of computational physics teaching. This will expand students' limited knowledge of classical physics problems from the level of MATLAB calculation and visualization， deepen their basic understanding of condensed matter physics based on quantum mechanics and solid state physics，which would help students establish a complete knowledge system of computational physics and further enhance students' cognitive and practical ability of computer language.Keywords computational physics; first-principles calculation; technological frontier; teaching reform计算物理学是一门依托电子计算机解决复杂物理问题的新兴交叉学科。

CeCuGa3电子结构的第一性原理计算研究【摘要】我们采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算研究了CeCuGa3材料的电子结构。

我们计算确定了其基态磁结构，解释了其形成的原因。

【关键词】稀土金属Ce化合物磁结构费米面电子结构1 引言稀土金属Ce化合物由于具有重费米子行为，不同类型的磁有序等独特的物理性质而引起了科学研究的极大兴趣。

其中晶体结构为BaAl4的CeCuxGa4-x化合物最为代表。

最早报道CeCuGa3在3.5K温度下，其基态为铁磁态[1]。

另外Mentink 等人报道直到温度低到0.4K，CeCuGa3基态为顺磁态[2]。

而Martin等人通过对多晶CeCuGa3样品的研究，发现材料显示近藤晶格行为并且基态为反铁磁态[3]。

最近，Joshi等人再次通过实验对单晶CeCuGa3样品进行了晶体结构和磁学性质的研究，发现材料为4K以下的铁磁态[4]。

面对以上对于样品CeCuGa3相互矛盾的磁基态的报道，本文就采用基于密度泛函理论的vasp软件包对该材料的电子结构和磁学性质进行了计算并讨论了其磁基态性质。

2 模型构建和计算方法CeCuGa3晶体属于四方晶系结构，实验报道空间群为I4/mmm，No.139，如图1所示。

晶格常数a=b=4.273，c=10.44，α=β=γ=90°。

本文计算采用基于密度泛函理论（density functional theory，DFT）的V ASP（Vienna ab-initio simulation package）软件包进行计算。

计算步骤可以概括为三步：（1）对晶胞模型内部原子位置进行结构优化；（2）对材料进行磁构型计算，确定材料磁性基态。

（3）用广义梯度近似法（generalized gradient approximation，GGA）对优化后的理论模型进行单电子能量计算，对单电子能量计算结果进行总态密度（total density of states，TDOS）和分波态密度（partial density of states，PDOS）分析。

第一性原理计算α-Al2O3电子结构及力学性能
汝强;邱秀丽
【期刊名称】《材料研究与应用》
【年(卷),期】2009(003)003
【摘要】利用密度泛函理论的第一性原理方法,采用CASTEP程序包对α-Al2O3的能带结构、电子态密度及弹性常数进行了计算,计算结果表明:α-Al2O3能隙约为6.8 eV;Al3+和O2-之间存在明显的电子转移现象,电子分布具有明显的定域性,但由于极化或杂化现象,Al-O键主要为离子键和少量共价键,α-Al2O3表现出过渡型化合物的特点;α-Al2O3的体积弹性模量为254.253 GPa,剪切模量为157.911 GPa.
【总页数】6页(P162-167)
【作者】汝强;邱秀丽
【作者单位】华南师范大学物理与电信工程学院,广东,广州,510006;华南农业大学工程学院,广东,广州,510642
【正文语种】中文
【中图分类】O141.4
【相关文献】
1.第一性原理计算锐钛矿型TiO2电子结构及力学性能分析 [J], 汝强;胡社军;邱秀丽
2.金属元素掺杂α-Fe(N)体系的电子结构及力学性能的第一性原理计算 [J], 刘香
军;杨吉春;贾桂霄;杨昌桥;蔡长焜
3.Co-Mo共掺杂Al2O3电子结构及透射率的第一性原理计算 [J], 方文玉; 王晓雯; 郑勤; 高深
4.Al-Zn-Mg合金的相图计算及电子结构与力学性能的第一性原理计算 [J], 万杨杰;钱晓英;曾迎;孙可欣;张英波;权高峰
5.Cr、La共掺杂SnO_(2)电子结构和力学性能的第一性原理研究 [J], 许婧婷;王景芹;张广智;胡德霖;黄光临
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