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密度泛函計算方法及實現(xiàn)材料性質(zhì)預測與模擬實例分析誤差來源及改進方案討論總結(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際應用奠定了基礎。Kohn-Sham方程不斷完善的計算方法和技術(shù)，廣泛應用于多個領域。發(fā)展現(xiàn)狀密度泛函理論歷史與發(fā)展Kohn-Sham方程通過引入無相互作用體系，簡化了復雜多體問題的求解。交換關(guān)聯(lián)泛函描述了電子間相互作用對體系能量的貢獻。Hohenberg-Kohn定理確立了體系基態(tài)能量與電子密度之間的對應關(guān)系。密度泛函理論基本原理預測材料的電子結(jié)構(gòu)、光學、磁學等性質(zhì)，指導新材料設計。材料科學化學凝聚態(tài)物理研究化學反應機理、分子結(jié)構(gòu)、化學鍵等，推動藥物研發(fā)和催化劑設計。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，揭示微觀機制。030201密度泛函理論應用領域密度泛函理論基礎PART02描述微觀粒子運動的基本方程，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上的分布情況的數(shù)學函數(shù)，用于計算電子密度。電子密度與波函數(shù)的關(guān)系電子密度可以通過對波函數(shù)進行積分得到，波函數(shù)的變化也會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重要部分。贗勢方法02一種用于處理原子核與電子之間相互作用的方法，通過引入一個虛擬的勢場來簡化計算過程。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)。在實際計算中，需要選擇合適的交換關(guān)聯(lián)能泛函和贗勢方法，以得到準確的結(jié)果。交換關(guān)聯(lián)能與贗勢方法密度泛函計算方法及實現(xiàn)PART03通過求解Kohn-Sham方程得到電子密度分布，再由此計算體系的總能量和電荷密度等物理量。自洽場方法采用自洽場方法進行計算時，需要通過迭代不斷更新電子密度，直到達到預設的收斂標準為止。迭代過程自洽場方法與迭代過程將實空間離散化為一系列網(wǎng)格點，并在這些點上求解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)值方法進行求解，以提高計算精度和效率。網(wǎng)格劃分與數(shù)值求解技巧數(shù)值求解技巧網(wǎng)格劃分并行計算技術(shù)利用計算機集群或多核處理器進行并行計算，以加速DFT計算的執(zhí)行速度。DFT并行化策略采用區(qū)域分解、任務并行和數(shù)據(jù)并行等策略，實現(xiàn)DFT計算的高效并行化。并行計算技術(shù)在DFT中應用材料性質(zhì)預測與模擬實例分析PART04123分析金屬、半導體和絕緣體的電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)特點。電子態(tài)密度與能帶結(jié)構(gòu)探討不同材料的電導率、光學性質(zhì)及其與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。電導率與光學性質(zhì)針對磁性材料，研究其電子結(jié)構(gòu)特性對磁性的影響。磁性材料電子結(jié)構(gòu)金屬、半導體、絕緣體等電子結(jié)構(gòu)特性研究反應路徑與過渡態(tài)利用密度泛函理論研究催化反應的反應路徑和過渡態(tài)。催化劑表面吸附與反應研究催化劑表面吸附物種對催化反應的影響及其作用機制?；钚晕稽c識別與設計探討如何識別和設計催化劑的活性位點，提高催化效率。催化反應機理及活性位點設計策略探討03多功能材料設計探討設計具有多種功能的新型材料，以滿足復雜應用場景的需求。01高性能計算與材料篩選運用高性能計算方法，篩選具有潛在應用價值的新型功能材料。02材料性能優(yōu)化策略分享針對特定性能需求，如何優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和組成的策略。新型功能材料設計與性能優(yōu)化思路分享誤差來源及改進方案討論PART05基組類型不同類型的基組對計算結(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BSSE校正方法進行修正?；M大小大基組可以包含更多的電子相關(guān)效應，提高計算精度?；M選擇對計算結(jié)果影響評估標量相對論效應通過引入相對論校正項，如Douglas-Kroll-Hess方法，來考慮標量相對論效應。自旋軌道耦合通過自旋軌道耦合算符來考慮自旋軌道耦合效應，如二分量相對論方法、四分量相對論方法等。相對論效應和自旋軌道耦合處理方法比較經(jīng)驗參數(shù)通過引入經(jīng)驗參數(shù)來校正計算結(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計算結(jié)果進行修正，如基于實驗數(shù)據(jù)的校正、基于高級別計算結(jié)果的校正等。經(jīng)驗參數(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。密度泛函計算方法掌握了基于密度泛函理論的多種計算方法，如Kohn-Sham方程、交換關(guān)聯(lián)泛函等。實際應用案例了解了密度泛函理論在材料科學、化學、物理等領域的應用案例。回顧本次課程重點內(nèi)容030201機器學習與密度泛函理論結(jié)合探討了機器學習方法在密度泛函理論中的應用，如神經(jīng)網(wǎng)絡勢函數(shù)、基于數(shù)據(jù)的密度泛函理論等。新型材料設計與模擬分享了新型材料設計與模擬方面的前沿研究成果，如二維材料、拓撲材料、光催化材料等。高精度計算方法發(fā)展介紹了高精度密度泛函計算方法的研究進展，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分析提出下一步學習計劃建議將所學知識和方法應用于實際問題解決中，擴展應用領域，提高解決實際問題的能力。擴展應用領域和實際問題解決能力針對高精度密度泛函計算方法進行深入研究，掌握其基本原理和實現(xiàn)方法。深入