第一性原理計算入門第一課:DFT發展簡介

2021-01-16 計算化學案例


凝聚態物理、材料化學、量子化學和生命科學等領域的同學們,都想用第一性原理計算,或者解釋實驗現象,或者研究現有的材料,或者預測新材料的性質。但是剛入門的時候,往往看到那麼多的理論、泛函、英文字母簡寫等等,就很頭大,搞不清楚裡面的邏輯關係。筆者撰寫此文,希望可以幫助大家更容易地入門。

我們想要計算的對象,往往包含若干個電子。密度泛函理論(DFT)認為,研究對象的所有性質,都取決於這些電子的分布狀態,也就是它們的密度,再說白一點,也就是它們的坐標。

但是,該用什麼樣的數學公式來計算出電子的坐標呢?一代又一代的科學家,從自己的研究領域出發,對這件事有不同的理解,所以就演化出若干種描述電子密度的數學公式,這些就稱為「密度泛函」。文獻中經常可以看到的B3LYP,就是若干種密度泛函中的一種了。它出現得比較頻繁,是因為比較通用,對計算資源要求又不高。下面表中給出的都是B3LYP同母異父的兄弟們,它們的名稱簡寫通常來自於開發者的姓的縮寫,以及開發的年代。密度泛函理論發展至今,大致可分為三代。第一代,雛形,開發於1927年,開發者是Thomas、Fermi,代表作是Thomas-Fermi 模型。這個模型假設電子之間無相互作用且無外力幹擾,也就是說,並沒有考慮電子間的交互作用,也沒有精確描述動能,所以只適用於一小部分體系,比如理想狀態下的均勻氣態電子。第二代,在20 世紀60 年代開發出來,出現了密度泛函理論的兩大基石——Hohenberg-Kohn 定理和Kohn-Sham方程。Hohenberg-Kohn 定理提出了密度泛函理論的核心思想:體系中的所有物理量都可以通過電子密度來唯一決定。Kohn-Sham方程賦予了密度泛函理論明確的表達形式,使密度泛函理論開始進入實際應用階段。除了兩大基石之外,為了處理比較棘手的問題——「未知的交換關聯問題」,Kohn和沈呂九在1965年提出了局域密度近似(Local Density Approximation,LDA)方法。1986年,Becke、Perdew和Wang等人提出了廣義梯度近似(Generalized Gradient Approximation,GGA)方法。這兩種都是目前密度泛函計算中運用最為廣泛的處理方法。與LDA 和GGA兩種算法比肩的,還有「雜化密度泛函」,它以雜化的方式將Hatree-Fock(HF)交換作用的影響納入交換關聯項,代表作例如,在1998年很受歡迎的B3LYP等。第三代,代表作太多了,在此不作一一列舉。這個階段改進理論的出發點是為了解決不同領域的實際問題,比如改進了對材料帶隙問題的描述。改進的方式一般是基於前人理論的擴展,改進的結果就是包含的體系信息越來越豐富,計算結果也與試驗數據越來越接近。代表作例如Generalized Kohn-Sham(GKS)理論,它把基於局域有效勢的Kohn-Sham理論擴展到了基於非局域有效勢。又比如,含時密度泛函理論(TDDFT),LDA+U,以及CDFT等,它們的適用範圍各有不同。

未來的發展方向在於提高普適性、提高精度、提高速度。

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    show_db=1計算程序主頁:1. VASP: Vienna Ab-initio Simulation Package:www.vasp.at2. VASP-vtst tools:https://www.vasp.at/index.php/about-vasp/59-about-vasp3.
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