实验指导书(一)-第一性原理方法计算

《计算材料学导论》实验指导书实验一：第一性原理方法计算模拟化合物的晶体结构和电子结构实验目的：1）近十年来，随着计算机技术和材料科学的发展，基于密度函数理论的第一性原理方法计算在材料科学中的应用十分普遍和活跃，发展异常迅速。

其应用领域涉及材料晶体结构优化，态密度和能带结构等电子结构，掺杂效应，相变热力学、光、电磁学性质的计算和设计。

量子化学计算软件包较多，如免费软件包ABINIT(详见教材), 商业化软件包V ASP, CASTEP，GAUSSIAN。

本实验运用VASP4.6软件包，计算AB型的ZnS或相似结构的晶体结构和电子结构。

实验要求：2）首先完成下列基础知识的问答填空，然后运用运用V ASP4.6软件包，计算AB型的ZnS或相似结构的晶体结构和电子结构，并画出图形。

实验内容:(一) 基础填空1) 简述第一性原理方法（或从头算）的基本概念。

（）2）简述第一性原理方法在材料科学中有哪些具体应用？（）3) 什么叫多粒子体系的总能？（）4) 什么叫能带结构？它是如何形成的？（）（二）第一性原理方法计算模拟AB型化合物（如ZnS）的晶体结构和电子结构。

1.ZnS具有多种晶形，如闪锌矿结构(The Zincblende (B3) Structure)和纤锌矿结构（The Wurtzite (B4)Structure）,与之结构相同的化合物还有很多，不少化合物具有独特的光电特性。

请根据计算指南和模板，计算ZnS或者ZnO, SiC, AlN, CdSe，AgI, AlAs, AlP, AlSb, BAs, BN, BP, BeS, BeSe, BeTe, CdS,CdSe,CdTe, CuBr, CuCl, CuF, CuI, GaAs, GaP, GaSb, HgS, HgSe, HgTe, INAs, InP, MnS, MnSe, SiC, ZnSe, ZnTe)的晶体结构（含晶胞参数a,b,c,V，原子位置的可变内部参数），电子结构(含态密度（含总态密度，分态密度）和能带结构。

第一性原理的计算流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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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）。

化学反应动力学的第一性原理计算方法化学反应是物质变化的一种形式，通常是指原子或分子之间的化学键被打破或形成，从而形成新的化合物。

化学反应动力学研究的是化学反应速率的研究，也就是反应物转变为产物的速率。

动力学的研究对于理解化学反应机理和制定化学反应工艺有着重要的意义。

在现代化学研究中，化学反应动力学的第一性原理计算方法已经成为重要的工具。

化学反应动力学的第一性原理计算方法指的是运用量子力学原理和分子动力学模拟技术对化学反应动力学过程进行精确的计算和模拟。

这种方法无需依靠实验数据，而是直接从微观层面分析分子之间的相互作用。

通过对分子结构和动力学过程的分析，可以计算得到反应动力学的速率常数、反应机理、反应能垒等其它重要参数，从而能够深入理解化学反应的本质。

化学反应动力学的第一性原理计算方法主要应用于分子动力学模拟和量子化学计算两个方面。

其中，分子动力学模拟方法主要是基于原子力场，通过数值积分求解牛顿方程，模拟反应过程。

它可以计算物质的结构、能量以及动力学过程。

量子化学计算方法则是基于量子力学理论，通过求解薛定谔方程，计算分子间的相互作用和反应机理。

这种方法可以计算各种化学反应的能垒、活化能、反应速率以及反应机理。

对于化学反应动力学的第一性原理计算方法，其中一个比较重要的问题就是如何评估理论计算的准确性。

实际上，在计算化学的过程中，化学反应动力学的第一性原理计算方法也不能完全避免计算误差。

因此，如何评估计算误差以及如何优化理论计算模型是这个领域研究者一直在关注的问题。

面对以上问题，化学反应动力学的第一性原理计算方法的研究者们借鉴了机器学习的思想，开发出了一种基于数据库和机器学习的化学反应动力学数据驱动模型。

该模型基于已有的关于反应动力学的实验数据和理论计算数据，通过机器学习方法对反应动力学模型进行训练、验证和优化。

这种模型可以有效地降低计算误差，提高计算准确性，并能够提高计算速度。

总之，化学反应动力学的第一性原理计算方法是指在量子力学和分子动力学的基础上，通过计算和模拟分子间的相互作用和反应过程来研究化学反应动力学的的方法。

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。