密度泛函理論課件

密度泛函理論課件2023-2026ONEKEEPVIEWREPORTING目錄CATALOGUE密度泛函理論概述密度泛函理論基礎(chǔ)密度泛函計(jì)算方法及實(shí)現(xiàn)材料性質(zhì)預(yù)測(cè)與模擬實(shí)例分析誤差來(lái)源及改進(jìn)方案討論總結(jié)與展望密度泛函理論概述PART01從Thomas-Fermi模型到Hohenberg-Kohn定理的提出。早期研究為密度泛函理論的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。Kohn-Sham方程不斷完善的計(jì)算方法和技術(shù)，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。發(fā)展現(xiàn)狀密度泛函理論歷史與發(fā)展Kohn-Sham方程通過(guò)引入無(wú)相互作用體系，簡(jiǎn)化了復(fù)雜多體問(wèn)題的求解。交換關(guān)聯(lián)泛函描述了電子間相互作用對(duì)體系能量的貢獻(xiàn)。Hohenberg-Kohn定理確立了體系基態(tài)能量與電子密度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。密度泛函理論基本原理預(yù)測(cè)材料的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)，指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)。材料科學(xué)化學(xué)凝聚態(tài)物理研究化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵等，推動(dòng)藥物研發(fā)和催化劑設(shè)計(jì)。研究固體、液體等物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)、相變等物理現(xiàn)象，揭示微觀機(jī)制。030201密度泛函理論應(yīng)用領(lǐng)域密度泛函理論基礎(chǔ)PART02描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本方程，用于求解波函數(shù)。薛定諤方程描述微觀粒子狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)，包含粒子的全部信息。波函數(shù)波函數(shù)的模平方表示粒子在空間中的概率密度分布，波函數(shù)的相位包含粒子的動(dòng)量信息。波函數(shù)的物理意義薛定諤方程與波函數(shù)分布函數(shù)描述電子在不同能級(jí)上的分布情況的數(shù)學(xué)函數(shù)，用于計(jì)算電子密度。電子密度與波函數(shù)的關(guān)系電子密度可以通過(guò)對(duì)波函數(shù)進(jìn)行積分得到，波函數(shù)的變化也會(huì)影響電子密度的分布。電子密度單位體積內(nèi)電子的數(shù)量，反映電子在空間中的分布情況。電子密度與分布函數(shù)交換關(guān)聯(lián)能01由于電子之間的相互作用而產(chǎn)生的能量，是密度泛函理論中的一個(gè)重要部分。贗勢(shì)方法02一種用于處理原子核與電子之間相互作用的方法，通過(guò)引入一個(gè)虛擬的勢(shì)場(chǎng)來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。交換關(guān)聯(lián)能與波函數(shù)的關(guān)系03交換關(guān)聯(lián)能與電子密度和電子之間的相互作用有關(guān)，因此也與波函數(shù)有關(guān)。在實(shí)際計(jì)算中，需要選擇合適的交換關(guān)聯(lián)能泛函和贗勢(shì)方法，以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。交換關(guān)聯(lián)能與贗勢(shì)方法密度泛函計(jì)算方法及實(shí)現(xiàn)PART03通過(guò)求解Kohn-Sham方程得到電子密度分布，再由此計(jì)算體系的總能量和電荷密度等物理量。自洽場(chǎng)方法采用自洽場(chǎng)方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要通過(guò)迭代不斷更新電子密度，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的收斂標(biāo)準(zhǔn)為止。迭代過(guò)程自洽場(chǎng)方法與迭代過(guò)程將實(shí)空間離散化為一系列網(wǎng)格點(diǎn)，并在這些點(diǎn)上求解Kohn-Sham方程，得到電子密度和能量等物理量。采用有限差分法、有限元法、譜方法等數(shù)值方法進(jìn)行求解，以提高計(jì)算精度和效率。網(wǎng)格劃分與數(shù)值求解技巧數(shù)值求解技巧網(wǎng)格劃分并行計(jì)算技術(shù)利用計(jì)算機(jī)集群或多核處理器進(jìn)行并行計(jì)算，以加速DFT計(jì)算的執(zhí)行速度。DFT并行化策略采用區(qū)域分解、任務(wù)并行和數(shù)據(jù)并行等策略，實(shí)現(xiàn)DFT計(jì)算的高效并行化。并行計(jì)算技術(shù)在DFT中應(yīng)用材料性質(zhì)預(yù)測(cè)與模擬實(shí)例分析PART04123分析金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。電子態(tài)密度與能帶結(jié)構(gòu)探討不同材料的電導(dǎo)率、光學(xué)性質(zhì)及其與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。電導(dǎo)率與光學(xué)性質(zhì)針對(duì)磁性材料，研究其電子結(jié)構(gòu)特性對(duì)磁性的影響。磁性材料電子結(jié)構(gòu)金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等電子結(jié)構(gòu)特性研究反應(yīng)路徑與過(guò)渡態(tài)利用密度泛函理論研究催化反應(yīng)的反應(yīng)路徑和過(guò)渡態(tài)。催化劑表面吸附與反應(yīng)研究催化劑表面吸附物種對(duì)催化反應(yīng)的影響及其作用機(jī)制。活性位點(diǎn)識(shí)別與設(shè)計(jì)探討如何識(shí)別和設(shè)計(jì)催化劑的活性位點(diǎn)，提高催化效率。催化反應(yīng)機(jī)理及活性位點(diǎn)設(shè)計(jì)策略探討03多功能材料設(shè)計(jì)探討設(shè)計(jì)具有多種功能的新型材料，以滿足復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的需求。01高性能計(jì)算與材料篩選運(yùn)用高性能計(jì)算方法，篩選具有潛在應(yīng)用價(jià)值的新型功能材料。02材料性能優(yōu)化策略分享針對(duì)特定性能需求，如何優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和組成的策略。新型功能材料設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化思路分享誤差來(lái)源及改進(jìn)方案討論P(yáng)ART05基組類(lèi)型不同類(lèi)型的基組對(duì)計(jì)算結(jié)果有不同影響，如極化基組、彌散基組等?；M重疊誤差（BSSE）由于基組重疊引起的誤差，可通過(guò)BSSE校正方法進(jìn)行修正?；M大小大基組可以包含更多的電子相關(guān)效應(yīng)，提高計(jì)算精度?；M選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果影響評(píng)估標(biāo)量相對(duì)論效應(yīng)通過(guò)引入相對(duì)論校正項(xiàng)，如Douglas-Kroll-Hess方法，來(lái)考慮標(biāo)量相對(duì)論效應(yīng)。自旋軌道耦合通過(guò)自旋軌道耦合算符來(lái)考慮自旋軌道耦合效應(yīng)，如二分量相對(duì)論方法、四分量相對(duì)論方法等。相對(duì)論效應(yīng)和自旋軌道耦合處理方法比較經(jīng)驗(yàn)參數(shù)通過(guò)引入經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來(lái)校正計(jì)算結(jié)果，如范德華半徑、極化率等。校正策略采用不同的校正策略對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，如基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的校正、基于高級(jí)別計(jì)算結(jié)果的校正等。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)引入和校正策略探討總結(jié)與展望PART06密度泛函理論基本概念深入理解了密度泛函理論的基本原理和思想。密度泛函計(jì)算方法掌握了基于密度泛函理論的多種計(jì)算方法，如Kohn-Sham方程、交換關(guān)聯(lián)泛函等。實(shí)際應(yīng)用案例了解了密度泛函理論在材料科學(xué)、化學(xué)、物理等領(lǐng)域的應(yīng)用案例。回顧本次課程重點(diǎn)內(nèi)容030201機(jī)器學(xué)習(xí)與密度泛函理論結(jié)合探討了機(jī)器學(xué)習(xí)方法在密度泛函理論中的應(yīng)用，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)、基于數(shù)據(jù)的密度泛函理論等。新型材料設(shè)計(jì)與模擬分享了新型材料設(shè)計(jì)與模擬方面的前沿研究成果，如二維材料、拓?fù)洳牧?、光催化材料等。高精度?jì)算方法發(fā)展介紹了高精度密度泛函計(jì)算方法的研究進(jìn)展，如高精度交換關(guān)聯(lián)泛函、多體相互作用處理方法等。分享前沿研究成果和趨勢(shì)分析提出下一步學(xué)習(xí)計(jì)劃建議將所學(xué)知識(shí)和方法應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題解決中，擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)際問(wèn)題解決能力針對(duì)高精度密度泛函計(jì)算方法進(jìn)行深入研究，掌握其基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。深入