第一性原理
關注創建者：中學僧 創建時間：2018-10-09
第一性原理的實例教程
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 【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。
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）
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“第一性原理計算方法及應用”
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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
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【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
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VASP 第一性原理計算方法與應用
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在智能化成為汽車核心競爭力的今天，車載屏幕已從簡單的信息顯示終端，演變為集娛樂、導航、控制與交互于一體的智能座艙核心樞紐。其穩定性與可靠性直接關乎行車安全、用戶體驗與品牌口碑。因此，一套系統、嚴謹的基礎可靠性功能測試，是確保每一塊車載屏幕在復雜嚴苛的車規環境中穩定運行的“第一道防線”。
一、 核心測試模塊總覽
車載屏幕的可靠性測試是一個多維度、跨學科的驗證體系，主要可歸納為以下幾個核心模塊
它要求我們從物理第一性原理出發，深刻理解每一個環節的誤差來源，并為之設計可量化的驗證指標和標準化的閉環驗證流程。
本文提出的“三大挑戰”與“三大技術路徑”框架，旨在將抽象的“置信度”概念，分解為一系列具體的、可執行的工程任務。通過對傳感器、靜態場景和動態場景進行分層驗證與模型對齊，我們可以逐步縮小仿真與現實之間的差距，最終構建一個物理可信、數據可依、工程可用的高置信度仿真驗證體系。
趨勢：宏觀設備仿真+微觀材料第一性原理計算的結合，這種多尺度耦合建模在能源行業（特別是氫能）越來越重要了？
【一點感想】
看完這些議題，感覺現在仿真技術的要求越來越綜合了：
1.多物理場、多尺度耦合是標配。
2.AI與仿真的結合（比如用AI加速計算、代理模型）正在成為解決復雜大系統問題的關鍵。
武文杰：我想分享三點：
首先，結構仿真遵循第一性原理，能幫助工程師深入理解產品運行的根本機理，是進行故障改善和產品創新的基礎。
第二，熟練掌握Ansys等主流仿真工具，能使工程師在行業中具備強大的核心競爭力和廣闊的發展前景。
第三，Ansys提供了許多行業交流機會。年輕工程師應多參與這些活動，與業內同仁進行思維碰撞，這將極大地有助于個人能力的提升和視野的開拓。
1.基于HFSS/Q3D精確建模BCI認證測試環境，模擬實際場景，實現仿真替代測試，加速研發進度；2.根據第一性原理，通過仿測一體化定位EMC問題根因，在研發流程中通過特征化仿真，落地正向設計方案。
講師：
倪勝 | Ansys主任應用工程師
畢業于華中師范大學微電子專業，碩士學位。
利用第一性原理計算可以深入分析材料的版單體的物理性質，下面以典型的二維材料MoS2為例介紹材料的計算以及分析過程。
圖1 單層MoS2的晶體結構示意圖
投影能帶的計算：
通過計算可以詳細分析能帶結構，可以區分出不同自旋方向的能帶結構，以便于更加深入的分析電子的運動。
傳統實驗手段難以直接觀測原子尺度電荷分布與軌道相互作用，而基于密度泛函理論（Density Functional Theory，DFT）的第一性原理計算成為破局關鍵。
這個錯誤讓我久久不能釋懷，錯的讓我有些后怕，那一次在與研發工程師交流產品定義中，談笑風生，句句切中要害，搬出第一性原理，套用以往的邏輯思維，整個感覺完美，甚至絕美。
?第一性原理（First Principles）是一種從最基本的、不可再簡化的原理出發，逐步推導出復雜現象和結論的思維方法?。
研發過程漫長，包括使用第一性原理模擬來發現新的電化學設計的實驗設計（DoE），這些設計在實驗室中通過物理試錯的方式進行測試。電池制造過程中的許多步驟不僅會影響廢品率，還會影響電池的性能。
本文主要使用SIESTA(第一性原理計算引擎)，介紹了在全固態電池的固體電解質中插入鋰離子到陰極/陽極以及鋰離子擴散所引起的物理性質變化的實例。
1．用作陽極的石墨和非晶硅吸收和解吸鋰離子而引起的體積膨脹與收縮、彈性模量和電子態密度的變化。
2．評估用作陰極的LiCoO2的體積模量。
3．評估鋰離子在固體電解質 LiZr2(PO4)3 (LZP) 中的擴散系數。
