第一性原理，MadeA，二維材料
關注創建者：Bright_men 創建時間：2021-04-11
第一性原理，MadeA，二維材料的實例教程
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-福克（Hartree-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
4.2 納米尺寸效應
轉換電極中納米尺寸效應的第一原理研究受到幾個主要障礙的阻礙：（1）有限的計算能力，一個2 nm的Pt顆粒含有250個原子，這已經是一種高度密集的計算，首次放電后會出現1-5 nm的金屬顆粒；（2）必須建立一種方法用于模擬具有極端化學異質性的復雜氧化物/氧化物/氟氧化物納米復合材料；（3）轉化反應中的傳輸性能和相變機理目前在實驗或計算上都還不太清楚。
圖17 使用計算了九個方向的表面能的Wulff形狀的LiFePO4，右側的色標欄給出了表面的能量標度，單位是J m-2
4.3 界面效應
在M/Liz/yX（M=過渡金屬，X=O或F）納米復合材料發生的相關界面效應可以通過轉化反應獲得。在低壓下，鋰離子被儲存在氧化物的界面側，而電子位于金屬側，這樣可導致電荷分離（具有高倍率性能的偽電容行為），而這種新型附加鋰儲存的界面機理依賴于所存在的納米顆粒。對于理解納米復合電極中的界面效應用于開發新型儲能材料至關重要，并且從頭算（ab initio）將會在此發揮關鍵作用。
【小結】
本文介紹了第一性原理計算如何加速搜尋可用于鋰電池的儲能電極材料。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。
展開 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：
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第一性原理，MadeA，二維材料的最新內容
目的：介紹CASTEP中的幾何優化和等位面顯示的體積可視化工具。
模塊：Materials Visualizer、CASTEP
時間：
先決條件：
背景：
最近，密度泛函理論方法(DFT)應用于大周期系統研究方面的進展在解決材料設計和加工中的問題上變得非常重要。該理論允許對實驗數據進行解釋，測定材料的潛在性質，從未知晶體的結構屬性到結合能和表面分子的活性等等。這些工具可以被用來指導和引導新材料的設計
第一性原理、量子化學、材料模擬。軟件實戰
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
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
關于舉辦“LAMMPS分子動力學技術與應用”線上+線下實戰培訓的通知
各有關單位:
分子動力學模擬是一種研究分子體系結構與性質的重要方法，已被廣泛用于化學化工、生物醫藥、材料科學與工程、物理等學科領域。傳統實驗需要大量的人力物力而且耗時，而計算機模擬的方法省時省力，可以用來求解解析理論無法求解的問題，模擬實驗做起來困難或不可能做的條件，得到更貼近實際體系的結果。LAMMPS分子動力學程序是一款開源而免費的軟件
“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
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
參考文獻：[1]石志飛, 程志寶, 向宏軍. 周期結構理論及其在隔振減振中的應用[M]. 科學出版社, 2017.
這里列出了求解各種晶格排列形式的聲子晶體帶隙時，元胞的第一布里淵區、不可約布里淵區及其對稱點。方便在掃描波矢k時使用。
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
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
