第一性原理计算方法讲义.docx

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1、精品名师归纳总结资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -第一性原理运算方法引言前面叙述的有限元和有限差分等数值运算方法中，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转变， 需要通过试验或体会来确定， 所以这些方法也叫做体会或者半体会方法。 而第一性原理运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，而不需要知道那些体会或半体会的参数。第一性原理运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

2、规律的理论。量子力学的显现， 使得人们对于物质微观结构的熟悉日益深化。原就上，量子力学完全可以说明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、生物以及很多现代技 术中得到了广泛的应用。 以量子力学为基础而进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、绝缘体的区分”等一系列基本问题，引发了 通讯技术和运算机技术的重大变革。目前，结合高速进展的运算机技术建立起来的运算材料科学已经在材料设计、物性争论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， 详细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

3、必需采纳一些近似和简化。 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特别大的运算量。 对于争论分子体系， 他可以作为一个很好的动身点， 但是不适于争论固态体系。 1964 年，Hohenberg和 Kohn 提出了严格的密度泛函理论（ Density Functional Theory, DFT）。它建立在非匀称电子气理论基础之上， 以粒子数密度r 作为基本变量。 1965

4、 年，Kohn 和 Sham提出 Kohn-Sham 方程将复杂的多电子问题及其对应的薛定谔方程转化为相对简洁的单电子问题及单电子Kohn-Sham 方程。将精确的密度泛函理论应用到实际，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 1 页，共 13 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -需要对电子间的交换关联作用进行近似。局域密度近似（LDA ）、广义梯度近似（ GGA）等的提出，以及以密度泛函理论为基础

5、的运算方法（赝势方法、全电 子线形缀加平面波方法（FLAPW ）等）的提出，使得密度泛函理论在化学和固体物理中的电子结构运算取得了广泛的应用，从而使得固体材料的争论取得长足的进步。第一性原理运算方法的应用1、体系的能量 。进行第一性原理运算前， 第一需要确定体系模型， 即模型的晶胞和晶胞中原子的坐标。对于晶体具有周期对称性， 具有三个基矢方向和基矢大小 （晶格常数）。由于理论运算确定的平稳晶格常数和试验值有所差别，建立模型前需要确定平稳 晶格常数。晶格常数的确定采纳如下步骤：通过转变三个基矢的大小，转变单胞的体积（ 81-119%）。通过第一性原理运算可以得到具有不同体积的模型的能量。通过拟合

6、 Murnaghan 方程，得到晶体的晶格常数以及单胞的能量：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结EV E V B0VB1V0B0V01可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结0000B B10VV其中， V0 为基态平稳体积， E0 V0 为基态下体系的结合能 （相对于对应孤立可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结原子能量）。 V 为原胞体积，B0 为体模量， 为体模量对压强的导数。如课件可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结B0中图形所示，可以确定在肯定体积下体系的能量达到微小值，即体系的基态能量，所对应的体积为体系的平稳体积， 进而可以得到模型三个

7、基矢的大小确定晶体的平稳晶格常数。 这里需要指出的是不同的第一性原理运算方法给出的能量，代表的物理意义不同， 但是本质上都可以反应体系的稳固性。如总能指构成体系的原子孤立时的能量减去原子成键放出的能量。结合能是以孤立原子的能量为零点， 体系具有的总能，即原子构成晶体时放出的能量。在上面求得的晶格常数的基础上，依据要争论的物理问题， 确定体系中包含原子数目的多少， 建立第一性原理运算模型。 第一性原理运算的模型通常选取一个或几个单胞（超单胞）作为模型，选取的模型具有三个基矢方向，应保证沿着 三个基矢方向平移可以构成无限大的晶体。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结学习资料 名师精选

8、- - - - - - - - - -第 2 页，共 13 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -第一性原理运算输入的原子坐标有两种坐标形式，一种是笛卡尔坐标（ Cartesian coordinate）s，一种是分数坐标 （fractional coordinates）。如对于 Ni3Al高温合金， 具有如下列图的晶体结构， 铝原子位于立方体的顶点，镍原子位于立可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结方体的面心位置。 假如取一个单胞作为争论模型，就三个基矢a1

9、 ， a2 ， a3 分别为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结（ a , 0 , 0）（ 0,a , 0）（ 0, 0,a ），其中 a 为体系的晶格常数。单胞中包含四个不 等价原子： 三个 Ni 和一个 Al 。采纳笛卡尔坐标四个原子的坐标可表示为（ 0，0， 0），（ a /2,a /2, 0），（ a /2, 0 ,a /2），（0,a /2,a /2）。假如采纳分数坐标表示为（ 0，0，0），（ 1/2, 1/2, 0），（1/2, 0 , 1/2），（ 0, 1/2, 1/2）。迪卡尔坐标 x,y,z和分数坐标a,b,c之间关系为 a1 a+a1 b+ a1 c=x,

10、y, z ，其中 a,b,c 为一个原子的三个分数坐标，x,y,z 为该原子的笛卡尔坐标。 图中所示各点表示将晶格常数的大小a 取不同值时得到的单胞体积作为横轴，而纵轴表示对应体积下将原子坐标输入进行 第一性原理运算求得的体系能量。 拟合后得到 Ni3Al的平稳基矢大小以及体系能量。对于争论合金中的掺杂问题， 由于掺杂元素的量很少， 所以建立的模型需要取多个单胞（超晶胞） 。随着模型中原子数目的增加，第一性原理运算方法的运算量指数增加，对于掺杂量很低的情形，如0.1% ，需要模型中至少取1000 个原子来和实际相符合，这超出了第一性原理运算在目前的运算机上的运算才能（ 100 原子左右），所以

11、建立模型时需要考虑能够反映要争论的实际问题就可以。假设一个超单胞中只存在一个掺杂原子，这样相邻两个超晶胞中掺杂原子的间距为超晶胞的基矢大小。 一般两个原子之间相隔三到四个原子层，原子之间的相互作用就可以认为特别小了。 所以选取八个单胞构成的超单胞就可以基本反应掺杂量很低的掺杂问题了。将建立好的模型， 进行第一性原理运算可以得到体系的总量，对总能进行变换可以定义体系的内聚能、 形成能以及择优占位能， 进而可以对掺杂是否有利于形成，形成掺杂后对体系稳固的影响而进行分析，如课件中所列。内聚能：体系的总能减去全部原子孤立时的能量，即由于原子之间的相互作用而放出能量，从而内聚能为负值， 越小表示形成的体

12、系越稳固。 通过和没有掺杂体系的内聚能相比较可以看出掺杂元素对体系稳固性的影响。形成能：体系的总能减去体系中各自元素对应的晶体中原子的能量。形成能可表示各种金属组成合金的才能。另外可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 3 页，共 13 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -通过比较掺杂原子替代合金中不同元素原子时体系的形成能可以得到掺杂原子 倾向位于合金的什么位置，这个差值就可以定义为择优占据能。这

13、里需要强调，各种能量是依据要争论的详细问题来定义的， 比如我们要就掺杂原子倾向于位于合金的什么位置， 使用总能是不能得到， 由于超单胞模型中各种原子的数目不相同，而每种原子的能量是不一样的，没有可比性，所以定义了择优占位能。2、电荷密度电荷密度就是晶体中电子密度的分布。通过电荷密度可以知道晶体中原子间 的成键状态，如金属键、共价键、离子健、van der Waals键和氢键。为了更好的表示原子形成晶体后原子间的电荷转移和成键情形，引入差分电荷密度， 即两个体系中电荷密度的差值。 这两个体系应当具有相同的超单胞，超单胞中原子类型可以不一样，而原子位置要基本一样，如课件中所示，用Ni3Al 中一个

14、 Ni 被掺杂元素替代时体系的电荷密度减去没有掺杂的Ni3Al的电荷密度，而得到差分电荷密度，通过图形可以清晰的看出由于掺杂元素的存在导致的电子分布状态的转变。再如，我们可以将 Ni3Al 晶体的电荷密度减去 Ni 和 Al 原子放在超单胞相同位置时孤立 Ni 和 Al 原子的电荷密度， 可以得到 Ni3Al 中 Ni 和 Al 原子成键过程中电子密度分布的变化， 从而更好的观看原子之间的成键情形。 所以差分电荷密度相当于一个体系的电荷密度相对于另一个体系的电荷密度转变， 目的是为了更好的争论体系中的成键状态。3、能带能带理论是目前争论固体中电子运动的一个主要理论基础。是在用量子力学争论金属电

15、导理论的过程中开头进展起来的。最初的成就在于定性的阐明白晶体中电子运动的普遍性的特点，例如固体为什么会有导体、非导体的区分， 晶体中电子的平均自由程为什么会远大于原子的间距等。在半导体技术上， 能带论供应了分析半导体理论问题的基础，有利的推动了半导体技术的进展。能带理论是一个近似的理论。 在固体中存在大量的电子， 他们的运动是相互关联的，每个电子的运动都要受其他电子运动的牵连。价电子是人们最关怀的。 在原子结合成固体的过程中价电子的运动状态发生了很大的变化，而内层电子的变化比较小， 可以把原子核和内层电子近似看成是一个离子实，价电子可以看成在一个等效势场中运动。能带理论的动身点是固体中的电子不

16、再束缚于个别原可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 4 页，共 13 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -子，而是在整个固体内运动， 称为共有化电子。 电子的能量状态从处于一个电子能级变到在一个能量范畴内都会存在。我们下面从对自由电子的能量争论，得出可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结能带的表示方法。自由电子的能量（动能）E =Ek =p2 / 2m ，依据德布罗依波长与动量关系：可编

17、辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结p = h / l= hk ，其中 h 为普朗克常量， h 为 h / 2p ， k =2p / l成为波数或波矢。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结所以电子能量可表示为E = h 2k 2 / 2m ，即电子能量为波矢k 的函数， 如课件中图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结形所示。我们争论固体中电子的能量通常是在k 空间（倒空间）内进行的。对于晶体具有周期对称性， 其对应的倒空间也具有周期对称性，对于一维的情形，实空间的周期

18、为a，就倒空间的周期为2p / a ，定义第一个周期（- p / a ，p / a ）为第一布里渊区。就电子能量在实空间分布的随晶体的周期对称性变化。 转化到 k 空间，电子能量随倒空间的周期对称性发生变化，即电子能量在第一布里渊区随 k 的变化在整个k 空间中周期性重复。因此可以得到课件中能量随k变化的图形， 相当于自由电子的能带经过周期性势场调制后的结果。所以我们争论能带只需要考虑电子能量在第一布里渊区随k 的变化关系就可以。 由于运算所取晶体超单胞外形的不同会导致第一布里渊外形的变化，以及晶体中原子化合状态的不同导致电子所受到的周期性势场不同，所以电子能量随 k 的变化关系在不同的晶体中

19、是不同的， 即不同的晶体具有不同的能带结构，从而反映出不同的物理性质。4、电子状态密度由前面的争论可知晶体中电子能量状态可以取肯定的能量范畴，在此能量范畴内在不同的能量区间电子能量状态的多少或填充这些能量状态的电子数目是不一样的。电子状态密度反映了这个不同，即在一能量区间内电子状态（数目）可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的多少，d h /dE ， d h 为在 dE 能量区间内电子能量状态的数目。通过对体系电可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结子状态密度的分析可以得到晶体中原子间的电子杂化情形。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结学习资料 名师精选 -

20、- - - - - - - - -第 5 页，共 13 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -附： 第一性原理运算方法的基本原理第一性原理运算方法的建立是基于对量子力学薛定鄂方程的求解，定态薛定h 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结鄂方程为： -. 22mV Y x,y, z =E Y x, y, z ，其中Y x, y, z为粒子的波函数，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Y x, y, z

21、2为波的强度，反映了粒子显现在（x,y,z）的概率，即概率密度。V 为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结晶体中粒子受到的势场，E 为体系的能量。2hH.= -. 22mV 为体系的哈密顿量，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结即能量算符。例：氢原子的薛定鄂方程及其基态解。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结考虑到氢原子核外电子受核吸引的势能为：V = -e2 4pe0r可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结就氢原子体系的哈密顿算符是：h 2H = -.

22、 22me2 4pe0r可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结氢原子的薛定鄂方程的直角坐标系的表达式为：h 2抖22.2e2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结-+2m抖x2y2 + . z2 jx, y, z -j4pe0r x, y, z =Ej x, y, z可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结将薛定鄂方程从直角坐标变换到球坐标，其结果为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1抖j1抖j1. 2j2me2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结-r 2 +sin q + E +j= 0可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结r

23、 2 抖xrr 2 sin q 抖qqr 2 sin2 q .f 2h 24pe0 r可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结由于氢原子核电场是求对称的，故方程解是球对称的，即：. j=.q0 。 . j=0. f可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在这种条件下，氢原子的薛定鄂方程简化为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1抖2j2me2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结-2r +r抖xr2 E +hj= 04pe0r可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精

24、品名师归纳总结学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 6 页，共 13 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结这是一个系数含变量的二阶齐次微分方程，考虑到电子在无穷远处的几率2j r 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结为零，以及在整个空间的几率为1，可以确定方程的解 j= C e- a r+ C ea r 中 的 C1可编辑资料 - - -

25、 欢迎下载精品名师归纳总结12可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3和 C2，得到 j=ae- pa r 。为了求解常数 a ，代入简化的薛定鄂方程可得：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结22mE2me2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结a 2 -a += 0 ，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结0rh 24pe h 2 r可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结所以 a 22mE2+=0 ， -2me222a += 0可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结h4pe0h可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可以得

26、到： a =me214pe h 2 = a， a 0为玻尔半径。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结00可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结me4E = -= -032pe2h 2013.6eV 。 j=1e pa 3-r / a0 。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结通过上面对氢原子中电子的薛定鄂方程的求解，一方面我们明白了如何求解薛定鄂方程， 加深对波函数、 本征能量等概念的懂得。 一方面我们也可以懂得解析求解薛定鄂方程困难。 对于氢原子内部只有一个电子，并且上面的例子中我们只求解了基态能级。对于晶体由电子和原子核组成，电子和原子核都是运动的， 因此体

27、系的能量为电子能量、 原子核能量和电子和原子核的相互作用能。所以哈密顿量可以表示成三部分， 如课件中所列。 这是每个粒子有三个坐标， 即三个变量，这时对薛定鄂方程进行解析求解明显是不现实的。为了求解薛定鄂方程， 人们提出了一系列的近似和方法，下面将简要论述。1、绝热近似在固体体系中， 由于原子核的质量是电子质量的 103 105 倍，所以体系中电子的运动速度比原子核快得多。 可以认为， 当核发生一个微小扰动时， 快速运动的电子可瞬时调整， 达到新的平稳。 因而在求解电子问题时， 可近似认为原子核固定在给定的位置，这就是所谓的绝热近似（Born-Oppenheimer 近似）。因此可可编辑资料

28、- - - 欢迎下载精品名师归纳总结学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 7 页，共 13 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -以认为原子核是固定在给定位置，将原子核的坐标作为参数， 而不是变量， 这样可以将薛定鄂方程简化为课件中所列的形式。这样将方程中的变量数目大大减少，同时体系哈密顿量的形式也得到简化。2、单电子近似经过绝热近似得到的多电子体系的薛定谔方程中，由于哈密顿量中包含多体相互作用项（其次项），该项不能分别变量，因而方程难以直接解析

29、求解。为了求解多电子薛定谔方程，需要引入单电子近似：对于含有N 个电子的多体系统，假设每个电子都近似的看成是在原子核及其他N-1 个电子所形成的平均势场中运动。这样就将多体问题简化成了多个单体问题。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结如第 i 个电子的波函数为i ri （已包含电子的自旋） ，就 N 电子体系的波函可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结数可由 N 个电子所占据的轨道波函数的乘积来构成，即Hartree 波函数。化简后可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结得到单电子满意的薛定鄂方程。方程中V ri 为平均势场，即离子实的晶格周期可编辑资料 - -

30、- 欢迎下载精品名师归纳总结势和体系中全部电子产生的平均库仑势。例：分子轨道法运算氢分子的结合能所谓分子轨道法就是多原子形成分子后，电子不再属于单个原子， 也就是说电子不再在原先的原子轨道上运动，而是在新的分子轨道上运动。以氢分子为例，设想氢分子的氢原子a 和氢原子 b，当它们是自由原子时，各自一个价电子，归一化的波函数分别用：a ，b氢分子实际是个四体问题：当两个原子相互靠近，波函数交叠，形成氢分子，这时每个电子均为a 原子和 b原子共有，哈密顿量为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结22H.= -h.2h.2V+ V+ V+ V+ V，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师

31、归纳总结122 m2ma1a 2b1b212可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 8 页，共 13 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -其中下脚标 1、2 分别表示两个电子。这里考虑了绝热近似，即原子核认为是静可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结止的。忽视电子与电子之间的相互左右V12 ，上式可以分解为两部分：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎

32、下载精品名师归纳总结H= H+Hh 2= -.2V+ Vh 2 + -.2V+ V可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1212ma1b122ma2b2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结考虑 Hatree 近似：H. yr =E yr ，其中 H. = -2h.2V+ V+ 1 V，这是可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结11111111a12mb1122可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结单电子波动方程，他的解y 1 r1 称为分子轨道。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结分子轨道的波函数可以选原子波函数的线性组合，分子轨道波函数应

33、有如下形可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式：y + r=C+ y a r+y b r， y -r=C- y a r-y b r， C+ 、 C- 为归一化系数。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结+*由 E=yrH.yrdr，可以得到体系中电子能量，加上原子核间的相互作用可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结能，即得到分子的总能。减去两个孤立氢原子的能量即得到氢分子的结合能。考虑到电子是 Fermi 子，其波函数应满意反对称条件， 即 Pauli 不相容原理，这样就可以将体系的波函数写成Slater 行列式。

34、化简后得到Hartree-Fock 方程。等式左边最终哪一项交换作用势，需要通过自洽求解。Hartree-Fock 近似的重要意义是提出了平均场和单电子近似的概念，在求解过程中利用迭代自洽求解。这对于以后运算物理的进展起到了深远的影响。但是由于Hartree-Fock 近似本身仅仅考虑了多体系统中的交换能，而忽视了相关能修正， 所以他不能作为具有相互作用的多电子体系采纳单电子近似的严格理论依据。单电子近似的近代理可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 9 页，共 13 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 -

35、 - - 欢迎下载精品名师归纳总结资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -论基础是在密度泛函理论基础上进展起来。自洽求解流程图如课件中所示。3、密度泛函理论（1） ） Hohenberg-Kohn 定理密度泛函理论的基本物理思想是体系的基态物理性质可以仅仅通过电子密可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结度r 来确定。由量子力学知道，由哈密顿H. 描述的电子体系的基态能量和基可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结态波函数都可由能量泛函EH.取最小值来打算。而对于 N 电可编辑资料 - - - 欢

36、迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结子体系，外部势能V r 完全确定了哈密顿H. ，因此 N 和V r 打算了体系基态的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结全部性质。所以，当总粒子数N不变时，多电子体系的基态能量是基态密度的唯独泛函。接下来就是如何对能量泛函E 作变分处理，并将多体问题严格转化为单电子问题。（2） ） Kohn-Sham方程电子的能量可以表示为：有相互作用粒子系统的动能泛函，外场对电子的作用， 电子间库仑排斥作用即Hartree 项，电子间的交换关联作用，也是r 的泛函。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Kohn-Sh

37、am 单电子方程：12Vr rr 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结rKSiii2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结这里，电荷密度用单电子波函数表示：r 单电子有效势为：2nii r i可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Vv r r dr Vr 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结KSxc| rr |Kohn-Sham 方程的基本思想就是用无相互作用粒子模型代替有相互作用粒子哈密顿量中的相应项， 而将有相互作用粒子的全部复杂性归入交换关联相互作用泛函中去，从而导出了单电子Kohn-Sham 方

38、程。 Kohn-Sham 方程在密度泛函可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结理论的框架内是严格的， 但是交换关联能泛函Exc r 的详细形式未知， 实际中可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 10 页，共 13 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -需要对其进行近似。（ 3）局域密度近似（ Local Density Approximation， LDA）。它是处理交换关联泛函的一个简洁可行的近似，由Kohn 和 Sham 提出，目前得到了特别广泛的应用。其基本想法是：利用匀称电子气的密度 r 来得到可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结非匀称电子气的交换关联泛函。局域密度近似下，Exc r 表示为：可编辑资料 - - - 欢迎