第一性原理計算的案例
Sci.經典綜述：第一性原理計算材料設計用于鋰離子電池中的儲能材料
必須開發具有高能量、高功率、良好安全性和更長的循環壽命的新型電極材料，用以滿足日益增長的儲能需求，尤其是在運輸過程中的應用。盡管第一性原理計算已經成為了設計新電極材料用于鋰離子電池中的一種不可或缺的工具，然而更重要的是，需清醒地認識到仍有很多關于第一性原理計算的挑戰丞待解決。
文獻連接：First principles computational materials design for energy storage materials in lithium ion batteries（Energy Environ. Sci., 2009, DOI: 10.1039/B901825E）
展開 分子動力學及第一性原理計算
“LAMMPS分子動力學模擬技術與應用”
2019年03月14日-17日 北京
“第一性原理計算方法及應用”
2019年03月14日-17日 北京
“單晶結構解析及可視化分析與應用”
2019年03月28日-31日 北京
此通知長期有效，最新信息可關注官方網站srit.ac.cn或者www.hdpaii.com
北京軟研國際信息技術研究院推出“LAMMPS分子動力學技術與應用”和“VASP第一性原理計算方法及應
北京軟研國際信息技術研究院推出“LAMMPS分子動力學技術與應用”和“VASP第一性原理計算方法及應用”專題交流研討會議。如何利用LAMMPS模擬分子擴散、輸運及兩相的相互作用，對計算和實驗的補充進行預測指導；如何運用VASP基本原理及計算進行材料性能測試和新材料研究
具體通知內容請聯系：招生辦公室 電話：15510057995 QQ：85329991
詳細內容鏈接：http://flac3d.cn/hdp/lam/zsb.html
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VASP 第一性原理計算方法與應用
展開 關于舉辦“LAMMPS分子動力學技術與應用與第一性原理計算方法及應用”線上+線下實戰培訓的通知
七、聯系方式：
咨詢電話：18618288284 聯 系 人: 唐老師
報名郵箱：13167390675@163.com 報名QQ: 2720927402 微信：17800209174
【注】開課前一周會務組統一通知；開課前一天會將直播鏈接及上機賬號發至您郵箱或微信。如未收到請及時電話咨詢！
關于舉辦“第一性原理計算方法及應用”線上+線下實戰培訓的通知
各有關單位：
材料基因工程是近年來國際材料領域興起的顛覆性前沿技術，隨著國內計算機技術的快速發展，多尺度材料模擬計算成為材料研究中不可或缺的一部分。計算材料學主要致力于建立可預測或可描述的模型，以幫助研究材料的內在機理并減少新材料開發的時間和成本。VASP是目前材料微觀反應機理和計算材料電子結構性質科學研究中最流行的一款軟件，它可以處理金屬及其氧化物、半導體、晶體、摻雜體系、納米材料、分子、團簇、表面體系和界面體系等。
為全力做好教育系統新型冠狀病毒感染的肺炎疫情防控工作，確保廣大師生的身體健康和生命安全，根據中央有關精神以及教育部《關于2020年春季學期延期開學的通知》，各級教育主管部門也紛紛提出將通過開展網絡教學，確?！巴Ｕn不停教、不停學”。應廣大技術工作者要求，北京軟研國際信息技術研究院特舉辦“第一性原理計算方法及應用”線上+線下實戰培訓班，本次培訓由互動派（北京）教育科技有限公司具體承辦，具體相關事宜通知如下：
一、培訓目標：
1、本次課程共計5天，采用“3+2”教學體系，2天在線教學及3天線下實訓；內容從基礎到實戰共分為四個模塊：一是VASP基本原理及計算準備；二是參數相關設置技巧及參數收斂性測試；三是材料計算實戰應用專題；四是關于催化反應計算實戰應用專題。
展開 
【11月29日-12月2日 北京】 關于“第一性原理計算方法及應用”專題培訓班
詳情鏈接：http://flac3d.cn/hdp/lam/zsb.html 或者直接聯系QQ 85329991
關于“第一性原理計算方法及應用”專題培訓班
培訓背景
在國家提出“材料基因工程”項目大背景下，采用多尺度材料模擬計算在探索物質世界微觀機理，預測新材料和新性能，模擬極端環境下材料性能等方面發揮著越來越重要的作用。同時，計算模擬也逐漸成為實驗科學中解釋實驗現象，洞悉材料微觀作用原理的利器。VASP是目前研究催化反應機理和計算材料電子結構性質科學研究中最流行的商用軟件，它可以處理周期性邊界條件下原子、分子、團簇、納米線(或管)、薄膜、晶體、準晶和無定性材料，以及表面體系和固體。總的來說，VASP能夠廣泛地處理從零維到三維的體系，涉及到能源存儲與轉化、催化反應機理、電子功能器件和極端物理等應用領域。
培訓目標
1、采用理論和上機演示相結合的教學形式，內容分為四個專題：一是VASP基本原理及計算準備；二是參數相關設置技巧及參數收斂性測試；三是關于材料電子結構計算方面的計算培訓專題；四是關于催化反應微觀機理的培訓專題。分別為模擬入門、進階提升的同學所準備；有助于學員進行新材料研究、材料性能預測、先進材料應用以及工業化生產等各個環節。
2、通過課堂上跟老師和同行的面對面交流快速有效的解決您的疑問，節約您的寶貴時間，提高科研效率。參加一次培訓，后期可以免費再參加一次。
展開 第一性原理在材料科學上的應用進展
第一性原理其實是古希臘哲學家亞里士多德提出的一個哲學術語：每個系統中存在一個最基本的命題，它不能被違背或刪除。
圖1 亞里士多德
在材料科學領域中，第一性原理是指根據原子核和電子相互作用的原理及其基本運動規律，運用量子力學，從具體要求出發，經過一系列近似處理后直接求解Schrodinger波動方程得到電子結構，從而精確地獲得體系的物理和化學性質，預測微觀體系的狀態和性質。但求解過程非常困難，為此，Born-Oppenheimer提出了絕熱近似，即將整個問題分為電子和核的運動來考慮，考慮電子運動時原子核處于瞬時位置，而考慮原子核的運動時則不考慮電子在空間的具體分布。對于N個電子的系統，其求解仍然非常困難，因此提出了單電子近似，即只考慮一個電子，而把其他電子對它的作用近似地處理成某種形式的勢場，這樣就轉化為單電子問題，即平均場近似[1,2]。
第一性原理就是在絕熱近似和單電子近似的基礎上，通過自洽計算來求解描述微觀粒子的運動規律的薛定諤方程。哈特里-?？耍℉artree-Fock）近似是平均場近似的一種，它忽略了電子之間的相互作用，把電子視為在離子勢場和其他電子的平均勢場中的運動，這種近似使計算精度受到一定的限制。1964年，Hohenberg和Kohn提出了密度泛函理論，這一理論巧妙地將電子之間的交換關聯勢表示為密度泛函的形式，從而使得材料的性質可以由電子密度求出。此后，Kohn和Sham（沈呂九）得到了密度泛函理論中的單電子方程，即Kohn-Sham（KS）方程，使得密度泛函理論得以實際應用[3,4]。
展開 第一性原理、量子化學計算
1，（8月13日-8月16日） LAMMPS動力學實戰班
2，（8月21日-8月24日）第一性原理與vasp實戰班
3，（8月27日-8月30日）量子化學Gaussian理論實踐
4，（9月17日-9月20日）材料模擬實戰課程安排
【主講內容】
一、Lammps基礎與原理
二，Lammps大量實例練習賞析（已發表文章）
三、LAMMPS高級研修及案例操作
一、密度泛函理論基礎 二、催化基礎
三、MS構建表面模型 四、Linux操作命令
五、VASP輸入輸出文件
六、表面吸附 七、過渡態搜索
八、后處理 九、微動力學模擬
十、光催化入門
十一、光催化計算示例
十二、電催化入門
一、計算化學理論及程序入門操作
二、Gaussian基礎操作及實際計算過程
三、Gaussian進階操作及實際計算過程
四、Gaussian計算實踐專題與應用
【咨詢電話】報名聯系方式：
劉娜(老師)
手機： 13311241619
展開 關于第一性原理在材料理論計算方面的作用
第一原理計算軟件開展的工作，分析結果主要是從以下三個方面進行定性/定量的討論： 1、電荷密度圖（charge density）； 2、能帶結構（Energy Band Structure）； 3、態密度（Density of States，簡稱DOS）。
電荷密度圖是以圖的形式出現在文章中，非常直觀，因此對于一般的入門級研究人員來講不會有任何的疑問。唯一需要注意的就是這種分析的種種衍生形式，比如差分電荷密圖（def-ormation charge density）和二次差分圖（difference charge density）等等，加自旋極化的工作還可能有自旋極化電荷密度圖（spin-polarized charge density）。
所謂“差分”是指原子組成體系（團簇）之后電荷的重新分布，“二次”是指同一個體系化學成分或者幾何構型改變之后電荷的重新分布，因此通過這種差分圖可以很直觀地看出體系中個原子的成鍵情況。通過電荷聚集（accumulation）/損失（depletion）的具體空間分布，看成鍵的極性強弱；通過某格點附近的電荷分布形狀判斷成鍵的軌道（這個主要是對d軌道的分析）。
分析總電荷密度圖的方法類似，不過相對而言，這種圖所攜帶的信息量較小。能帶結構分析現在在各個領域的第一原理計算工作中用得非常普遍了。但是因為能帶這個概念本身的抽象性，對于能帶的分析是讓初學者最感頭痛的地方。關于能帶理論本身，我在這篇文章中不想涉及（有興趣的讀者可以參考黃昆先生的固體物理），這里只考慮已得到的能帶，如何能從里面看出有用的信息。首先當然可以看出這個體系是金屬、半導體還是絕緣體。判斷的標準是看費米能級和導帶（也即在高對稱點附近近似成開口向上的拋物線形狀的能帶）是否相交，若相交，則為金屬，否則為半導體或者絕緣體。
展開 第一性原理、量子化學、材料模擬。軟件實戰
第一性原理、量子化學、材料模擬。軟件實戰
基于Material Studio軟件使用第一性原理預測AlAs的晶格參數
在AlAs結構中，由對稱性引起的力為0，但是應力依賴于晶格參數。這樣，CASTEP會嘗試使系統的總能量和應力最小化。因此，為確保計算完全結束，檢查應力已經收斂是非常重要的。
在Project Explorer中，點擊AlAs.castep使其處于激活狀態。從菜單欄選擇Edit | Find...，在文本框中輸入“completed successfully”，點擊Find Next按鈕。向上滾動幾行。
將會看到一個包含兩行的表格，在每一行的最后一列都顯示為Yes，這表明計算已經成功地結束了。
4. 把結構與實驗數據比較
在最初創建晶胞時，我們就知道晶格長度應該為5.6622 ?。所以，可以把最小化后的晶格長度與初始實驗長度相比較。實驗晶格長度是基于常規晶胞，而不是原胞，因此需要轉換晶胞。
雙擊AlAs.xsd 使其處于激活狀態。從菜單欄選擇Build | Symmetry | Conventional Cell。
顯示常規晶胞。有幾種查看晶格長度的方法，最簡單的一種是打開Lattice Parameters 對話框。
在3D視圖上右擊，從快捷菜單中選擇Lattice Parameters。
點陣矢量大約為5.727?，誤差大約是1%。這在1-2%的典型誤差之內，該誤差是贗勢平面波方法與實驗結果相比較所期望的誤差。晶格參數的過高估計是GGA泛函的特性，使用LDA泛函會產生低估的結果。
在繼續進行之前，需要保存項目，并關閉所有窗口。
從菜單欄選擇File | Save Project，然后選擇Window | Close All。
5. 可視化電荷密度
電荷密度可以從CASTEP Analysis工具獲取
從菜單欄里選擇CASTEP，然后選擇Analysis，或者從菜單欄選擇Modules | CASTEP | Analysis。
展開 人工智能方法用于二元合金彈性常數的預測
中國科學院計算機網絡信息中心材料基因實驗室，圍繞預測材料的物理化學性質，提出采用機器學習方法預測第一性原理計算結果誤差，并在此基礎上，推薦出適合所計算體系的誤差最低的最優化計算參數，并對第一性原理計算結果進行糾正。近期，實驗室在該方向上的研究已經有2 篇論文在Computational Material Science 期刊上發表[1]，[2]。
該研究以二元合金彈性常數計算為例，借助高通量材料自動流程計算和數據管理平臺MatCloud（http://matcloud.cnic.cn），可以便捷地產生大量計算數據，并結合收集的部分實驗數據，采用神經網絡方法建立二元合金彈性常數第一性原理計算誤差估計模型，神經網絡參數的學習利用了BP算法和粒子群優化的混合學習方法進行訓練。經實驗驗證，證明了機器學習方法可有效實現對二元合金彈性常第一性原理計算誤差的估計，同時相比較于支持向量回歸算法和單純用BP算法訓練神經網絡，提出的基于混合學習的神經網絡方法能夠更有效地實現誤差預測，預測的彈性常數第一性原理計算誤差準確率達到88%左右。同時，基于以上研究，采用機器學習方法建立了二元合金彈性常數預測模型，經過驗證，該模型對彈性常數的糾正力度在10GPa左右，直接預測出的彈性常數的誤差約為15GPa。見圖1 。
圖 1 采用機器學習方法對二元合金彈性常數第一性原理計算結果誤差的預測
這表明，高通量計算和機器學習相結合的方法在材料性質預測領域具有重要的應用前景。采用更全面、更完善的材料數據庫，運用更深入的人工智能算法/機器學習方法能夠為科研人員提供更精準的信息，進一步加速新材料的研發。高通量自動流程計算可以幫助產生大量數據，從而使模型訓練更為精準。該項研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金重點項目的支持。
展開 
不只有石墨烯碳納米管 梳理新型碳納米材料及其輔助機理研究方法
在研究過程中，借助強大的計算能力，通過第一性原理計算，可以研究可能的碳納米線原子分子結構，同時也能輔助進行實驗結果的解讀，對實驗結果進行深入的細致分析。碳納米線，以及諸多其他有趣的碳納米結構的新性質，還等待更多的理論計算與實驗驗證來探索。
來源：材料人
使用J-OCTA軟件探索鋰離子電池新材料
[圖 2]弛豫計算后石墨（左）LiC6（右）的電子態密度
鋰電池容量和電極材料息息相關，尤其是負極材料。改善負極材料可以大大提高鋰電池容量，減小電池體積，所以目前正積極的研究和探索新的負極材料，甚至考慮到了除碳系材料以外能夠大量吸收鋰的材料。由Si組成的陽極的理論容量是傳統碳基材料的10倍。但是，當Si在吸收鋰離子時，體積會膨脹到400%之大。由于體積變化造成的陽極崩壞暫無辦法解決。
在參考文獻 [1] 中，第一性原理計算引擎SIESTA得出報告了在由非晶硅組成的陽極上鋰的吸收和解吸過程中發生的應力和應變之間的關系，以及硅陽極原子的鋰化（金屬化）。通過控制鋰的濃度作為外部化學勢，模擬了Si對鋰離子吸收和解吸的過程。分析表明，在坐標系中Si隨著水平軸的鋰濃度變化應力歷史出現滯后現象，這表明Si在吸收和解吸鋰的過程中發生了不可逆的變化。在機械性能方面，觀察到了由于鋰進入Si陽極引起的陽極原子鋰化，造成了彈性模量等有所下降[2]。Si陽極吸收鋰后，不僅造成了膨脹變形，還導致了Si-Si鍵斷裂和Si-Li的形成。在電子學上，通過費米能級的態密度的變化，證實了硅陽極從半導體態轉變為金屬態 [1].
二、 陰極分析
陰極活性物質在吸收和解吸鋰離子時，彈性模量也會發生變化。例如，在模擬實驗中，我們通過第一性原理計算解得到了Li1-xCoO2 的彈性模量和體積模量等力學性能[3][4]。結果顯示，鋰離子完全脫附的 CoO2 (x=1) 的體積模量約為 LiCoO2 (x=0) 的一半。在模擬中，通過組合 Li1-xCoO2 的幾個晶胞來定義和分析超級晶胞，因此1-X值應當是最簡整數比。
體積模量可以使用第一性原理計算引擎SIESTA Modeler 中包含的EOS (equation of state)函數計算[圖3]。
展開 新金屬材料國家重點實驗室的計算利器—UltraLAB工作站配置推薦
§ 發現多種具有優異性能的新型結構金屬間化合物
§ 發展多種新型非晶合金和亞穩金屬材料制備方法
§ 研發多種具有高強度、高韌性、高導電性等優異性能的新一代基礎金屬材料
§ 設計、合成了多種具有新型功能的新金屬功能材料
§ 發展多種高效、綠色、可控的材料制備新技術
§ 建立多種合金設計與模擬理論與方法
§ 研發多種先進高溫合金
在這個領域的研究中，可能會用到一些材料模擬和計算工具，包括：
1) 第一性原理計算軟件：例如 VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）、Quantum ESPRESSO 等，用于從頭算得到材料的電子結構和性質。
2) 分子動力學模擬軟件：例如 LAMMPS、GROMACS 等，用于模擬材料的原子尺度動力學行為。
3) 晶體結構建模軟件：例如 Materials Studio、VESTA 等，用于建立和分析晶體結構。
4) 有限元分析軟件：例如 Abaqus、ANSYS，用于分析材料的力學性能。
5) 金屬材料相圖軟件：例如 Thermo-Calc，用于預測合金的相平衡和相圖。
在計算性能需求方面，第一性原理計算通常對計算資源有較高的要求，因為這些計算是基于從頭算的量子力學計算，可以受益于多核 CPU 和高性能計算集群。一些分子動力學模擬軟件和有限元分析軟件也可以進行多核并行計算。
對于結構金屬間化合物、非晶合金及亞穩金屬材料、新一代基礎金屬材料、新金屬功能材料基礎研究等領域的研究，通常使用有限元分析、數值模擬等算法，這些算法通常基于CPU多核。
對于材料制備新技術與新工藝基礎研究、合金設計與模擬等領域的研究，通常使用機器學習、數據挖掘等算法，這些算法通?；贑PU多核或GPU。
展開 《自然·材料》重磅：中美合作制備出石墨烯兄弟——單層錫烯！
實驗中觀測到純平錫烯的化學惰性以及缺陷結構，也證實了其與碳基石墨烯具有諸多相似性，有望為平面蜂窩結構的材料提供新的研究平臺。更為重要的是，由于襯底的外延作用，這一純平錫烯的晶格常數高達0.51納米，故存在因晶格拉伸導致的s-p軌道拓撲能帶反轉，即具有拓撲特性。超高真空掃描隧道顯微學以及角分辨光電子能譜學結果與第一性原理計算的能態結構一致，充分證實了其由于自旋-軌道耦合和拓撲能帶反轉所導致的拓撲能隙以及拓撲邊界電子態。其中，角分辨光電子能譜結果表明，錫烯由于自旋軌道耦合打開的拓撲能隙約0.3電子伏特，遠超室溫熱漲落能量，使其具備應用于近室溫的拓撲量子器件的潛質。進一步的理論計算還預言了在純平蜂窩結構的鍺烯和鉛烯中也存在類似的拓撲特性，從而構成了一類新型的二維拓撲量子材料家族。
具有拓撲能帶反轉和大拓撲能隙的純平錫烯的實驗實現，為類石墨烯的拓撲物性研究開辟了一條新的研究路線，將對二維量子材料的研究和應用開發起到重要推動作用。后續擬開展的研究工作將通過優化襯底和增加柵極以隔絕襯底電子相互作用并實現拓撲能隙的調控，為最終制備可實用的室溫拓撲器件提供研究基礎。
中國科大博士生鄧家良、清華大學博士生夏炳煜以及中國科大博士生馬曉川為論文的共同第一作者。此項研究得到科技部、教育部、中組部、國家自然科學基金委、中國科大、清華大學等機構的大力支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-018-0203-5
來源：高分子科學前沿
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