第一性原理的案例
第一性原理在材料科學上的應(yīng)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(shù)語：每個系統(tǒng)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(lǐng)域中，第一性原理是指根據(jù)原子核和電子相互作用的原理及其基本運動規(guī)律，運用量子力學，從具體要求出發(fā)，經(jīng)過一系列近似處理后直接求解Schrodinger波動方程得到電子結(jié)構(gòu)，從而精確地獲得體系的物理和化學性質(zhì)，預(yù)測微觀體系的狀態(tài)和性質(zhì)。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(tǒng)，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(zhuǎn)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(chǔ)上，通過自洽計算來求解描述微觀粒子的運動規(guī)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(guān)聯(lián)勢表示為密度泛函的形式，從而使得材料的性質(zhì)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(yīng)用[3,4]。
展開 Sci.經(jīng)典綜述：第一性原理計算材料設(shè)計用于鋰離子電池中的儲能材料
【小結(jié)】
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(fā)具有高能量、高功率、良好安全性和更長的循環(huán)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(yīng)用。盡管第一性原理計算已經(jīng)成為了設(shè)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(guān)于第一性原理計算的挑戰(zhàn)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(shù)與應(yīng)用”
2019年03月14日-17日 北京
“第一性原理計算方法及應(yīng)用”
2019年03月14日-17日 北京
“單晶結(jié)構(gòu)解析及可視化分析與應(yīng)用”
2019年03月28日-31日 北京
此通知長期有效，最新信息可關(guān)注官方網(wǎng)站srit.ac.cn或者www.hdpaii.com
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(zhàn)班
2，（8月21日-8月24日）第一性原理與vasp實戰(zhàn)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(zhàn)課程安排
【主講內(nèi)容】
一、Lammps基礎(chǔ)與原理
二，Lammps大量實例練習賞析（已發(fā)表文章）
三、LAMMPS高級研修及案例操作
一、密度泛函理論基礎(chǔ) 二、催化基礎(chǔ)
三、MS構(gòu)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(tài)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(chǔ)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(yīng)用
【咨詢電話】報名聯(lián)系方式：
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展開 
北京軟研國際信息技術(shù)研究院推出“LAMMPS分子動力學技術(shù)與應(yīng)用”和“VASP第一性原理計算方法及應(yīng)
北京軟研國際信息技術(shù)研究院推出“LAMMPS分子動力學技術(shù)與應(yīng)用”和“VASP第一性原理計算方法及應(yīng)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(yù)測指導(dǎo)；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(nèi)容請聯(lián)系：招生辦公室 電話：15510057995 QQ：85329991
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VASP 第一性原理計算方法與應(yīng)用
展開 【11月29日-12月2日 北京】 關(guān)于“第一性原理計算方法及應(yīng)用”專題培訓(xùn)班
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關(guān)于“第一性原理計算方法及應(yīng)用”專題培訓(xùn)班
培訓(xùn)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(zhì)世界微觀機理，預(yù)測新材料和新性能，模擬極端環(huán)境下材料性能等方面發(fā)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(xiàn)象，洞悉材料微觀作用原理的利器。VASP是目前研究催化反應(yīng)機理和計算材料電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)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(zhuǎn)化、催化反應(yīng)機理、電子功能器件和極端物理等應(yīng)用領(lǐng)域。
培訓(xùn)目標
1、采用理論和上機演示相結(jié)合的教學形式，內(nèi)容分為四個專題：一是VASP基本原理及計算準備；二是參數(shù)相關(guān)設(shè)置技巧及參數(shù)收斂性測試；三是關(guān)于材料電子結(jié)構(gòu)計算方面的計算培訓(xùn)專題；四是關(guān)于催化反應(yīng)微觀機理的培訓(xùn)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(yù)測、先進材料應(yīng)用以及工業(yè)化生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)。
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(jié)約您的寶貴時間，提高科研效率。參加一次培訓(xùn)，后期可以免費再參加一次。
展開 關(guān)于舉辦“LAMMPS分子動力學技術(shù)與應(yīng)用與第一性原理計算方法及應(yīng)用”線上+線下實戰(zhàn)培訓(xùn)的通知
七、聯(lián)系方式：
咨詢電話：18618288284 聯(lián) 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(wù)組統(tǒng)一通知；開課前一天會將直播鏈接及上機賬號發(fā)至您郵箱或微信。如未收到請及時電話咨詢！
關(guān)于舉辦“第一性原理計算方法及應(yīng)用”線上+線下實戰(zhàn)培訓(xùn)的通知
各有關(guān)單位：
材料基因工程是近年來國際材料領(lǐng)域興起的顛覆性前沿技術(shù)，隨著國內(nèi)計算機技術(shù)的快速發(fā)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(yù)測或可描述的模型，以幫助研究材料的內(nèi)在機理并減少新材料開發(fā)的時間和成本。VASP是目前材料微觀反應(yīng)機理和計算材料電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)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(dǎo)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(tǒng)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(jù)中央有關(guān)精神以及教育部《關(guān)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(wǎng)絡(luò)教學，確保“停課不停教、不停學”。應(yīng)廣大技術(shù)工作者要求，北京軟研國際信息技術(shù)研究院特舉辦“第一性原理計算方法及應(yīng)用”線上+線下實戰(zhàn)培訓(xùn)班，本次培訓(xùn)由互動派（北京）教育科技有限公司具體承辦，具體相關(guān)事宜通知如下：
一、培訓(xùn)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(xùn)；內(nèi)容從基礎(chǔ)到實戰(zhàn)共分為四個模塊：一是VASP基本原理及計算準備；二是參數(shù)相關(guān)設(shè)置技巧及參數(shù)收斂性測試；三是材料計算實戰(zhàn)應(yīng)用專題；四是關(guān)于催化反應(yīng)計算實戰(zhàn)應(yīng)用專題。
展開 關(guān)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(jié)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(jié)構(gòu)（Energy Band Structure）； 3、態(tài)密度（Density of States，簡稱DOS）。
電荷密度圖是以圖的形式出現(xiàn)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(gòu)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(jié)構(gòu)分析現(xiàn)在在各個領(lǐng)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(guān)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(dǎo)體還是絕緣體。判斷的標準是看費米能級和導(dǎo)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(dǎo)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(zhàn)
第一性原理、量子化學、材料模擬。軟件實戰(zhàn)
基于Material Studio軟件使用第一性原理預(yù)測AlAs的晶格參數(shù)
第一步是建立晶格。
在Project Explorer中，右擊根目錄并選擇New | 3D Atomistic Document。在Project Explorer中右擊該文件，將文件重新命名為AlAs.xsd。
從菜單欄上選擇Build | Crystals | Build Crystal。
顯示Build Crystal 對話框，如圖5－1。
點擊Enter group輸入216，按下TAB鍵。
Space group information欄被F-43m空間群的信息所更新。
選擇Lattice Parameters選項卡，將a的值從10.00 改變5.6622。按TAB鍵，然后點擊Build按鈕。
圖5－1 Build Crystal對話框
在3D視圖中顯示一個空白的晶格，現(xiàn)在可以添加原子。
從快捷菜單欄選擇Build | Add Atoms。
顯示Add Atoms對話框。
圖5－2 Add Atoms對話框
使用該對話框，可以在指定位置添加原子。
在Add Atoms對話框上，選擇Options選項卡。確保Coordinate system設(shè)置為Fractional。選擇Atoms選項卡。在Element 文本框中，輸入Al，然后點擊Add按鈕。
Al原子被添加到結(jié)構(gòu)中。
在Element 文本框中，輸入As。在a、b 和c 文本框分別輸入0.25。點擊Add按鈕。關(guān)閉對話框。
原子被加入到晶體結(jié)構(gòu)中，對稱性運算符被用于建立晶體結(jié)構(gòu)中剩余的原子。原子也顯示在相鄰的晶胞中，用以說明AlAs 結(jié)構(gòu)化學鍵的拓撲結(jié)構(gòu)，可以通過重建晶胞將這些原子移除。
從菜單中選擇Build | Crystals | Rebuild Crystal...。點擊ReBuild按鈕。
外部原子被移除，晶體結(jié)構(gòu)顯示出來。
展開 人工智能方法用于二元合金彈性常數(shù)的預(yù)測
中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心材料基因?qū)嶒炇?，圍繞預(yù)測材料的物理化學性質(zhì)，提出采用機器學習方法預(yù)測第一性原理計算結(jié)果誤差，并在此基礎(chǔ)上，推薦出適合所計算體系的誤差最低的最優(yōu)化計算參數(shù)，并對第一性原理計算結(jié)果進行糾正。近期，實驗室在該方向上的研究已經(jīng)有2 篇論文在Computational Material Science 期刊上發(fā)表[1]，[2]。
該研究以二元合金彈性常數(shù)計算為例，借助高通量材料自動流程計算和數(shù)據(jù)管理平臺MatCloud（http://matcloud.cnic.cn），可以便捷地產(chǎn)生大量計算數(shù)據(jù)，并結(jié)合收集的部分實驗數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立二元合金彈性常數(shù)第一性原理計算誤差估計模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的學習利用了BP算法和粒子群優(yōu)化的混合學習方法進行訓(xùn)練。經(jīng)實驗驗證，證明了機器學習方法可有效實現(xiàn)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(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出的基于混合學習的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法能夠更有效地實現(xiàn)誤差預(yù)測，預(yù)測的彈性常數(shù)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(shù)預(yù)測模型，經(jīng)過驗證，該模型對彈性常數(shù)的糾正力度在10GPa左右，直接預(yù)測出的彈性常數(shù)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(shù)第一性原理計算結(jié)果誤差的預(yù)測
這表明，高通量計算和機器學習相結(jié)合的方法在材料性質(zhì)預(yù)測領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。采用更全面、更完善的材料數(shù)據(jù)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(fā)。高通量自動流程計算可以幫助產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，從而使模型訓(xùn)練更為精準。該項研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金重點項目的支持。
展開 
Lumerical | 超透鏡設(shè)計：Lumerical 與 Zemax 的互通性第一部分
第1步：定義目標相位分布
第一步是定義超透鏡的目標相位分布。對于最常見的透鏡類型，例如球面或柱面元件，我們可以使用已知的解析解獲取相位分布。然而，對于更復(fù)雜的系統(tǒng)，解析解將不存在或難以計算，我們可以使用光線追跡和優(yōu)化功能在OpticStudio中設(shè)計理想的相位掩模。
第2步：單位單元仿真-高度和半徑掃描
在這一步中，我們掃描納米棒的高度和半徑，并獲得其透射、相位和近場信息，從而選擇出對應(yīng)所需傳輸和相位特性的納米棒高度情況，然后保存相位與光場相對于半徑的結(jié)果以供后續(xù)步驟使用。RCWA求解算法將作為單元原子模擬的推薦/補充工具引入，并與FDTD進行比較以進行驗證。
第3步：整體透鏡設(shè)計
一旦從第2步構(gòu)建了相位/光場相對于半徑的庫，就有兩種方法可用于設(shè)計和分析超透鏡整體：
直接仿真：根據(jù)上一步的目標相位分布以及其相對于半徑的數(shù)據(jù)情況，在FDTD中構(gòu)建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接，但它可能會在內(nèi)存和仿真時間方面帶來挑戰(zhàn)，尤其是對于較大的超透鏡而言。仿真得到的近場光束可用于遠場分析并導(dǎo)出為.ZBF 文件，以便在Ansys OpticStudio中進一步傳播。
全場重建：全超透鏡的近場/遠場可以使用步驟2中的近場庫通過腳本進行重建。此方法避免了全透鏡建模的耗時模擬，因此比直接模擬方法效率更高。這些方法的詳細描述將在“運行和結(jié)果”部分的相應(yīng)步驟中提供。
我們將使用一個小半徑的球面超透鏡來驗證“間接”方法的準確性。然后，該方法將應(yīng)用于OpticStudio中優(yōu)化目標相位的更大的超透鏡。
展開 機械動圖第147期：搞懂各種傳感器工作原理（一）
布料張力測量及控制原理
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直滑式電位器控制氣缸活塞行程
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壓阻式傳感器測量液位的工作原理
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MQN型氣敏電阻結(jié)構(gòu)及測量電路
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氣泡式水平儀的工作原理
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擴散硅式壓力傳感器
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應(yīng)變加速度感應(yīng)器
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稱重式料位計
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來源：機械時代
晶體塑性每日文章推薦（八）
文章名稱：《Multi-scale simulation of nanoindentation on cast Inconel 718 and NbC precipitate for mechanical properties prediction》
doi：10.1016/j.msea.2016.03.081
推薦理由：作者使用宏觀拉伸實驗和RVE方法確定了in718基體的晶體塑性參數(shù)，使用第一性原理確定了NbC的彈性屬性和屈服應(yīng)力，并根據(jù)對應(yīng)的參數(shù)分別模擬了基體和NbC夾雜的納米壓痕結(jié)果，其中關(guān)于納米壓痕的實驗和仿真介紹十分詳細，提出的多尺度分析思路對于夾雜物力學性能的確定很有啟發(fā)意義。
理論部分
硬化方程（位錯密度模型）：
流動方程（唯象冪律流動）：
in718材料參數(shù)確定（代表性體積元方法）
NbC力學性能確定基于第一性原理
確定其彈性參數(shù)為：
并基于Voigt-Reuss-Hill (VRH) 均勻化方案確定體積模量剪切模量以及楊氏模量，泊松比
Voigt 和 Reuss bounds：
由此確定楊氏模量和泊松比：
NbC對應(yīng)的力學性能為：
根據(jù)得到NbC的硬度以及硬度和屈服應(yīng)力的關(guān)系，得到NbC的屈服強度，在后續(xù)分析時認為NbC為理想彈塑性材料，根據(jù)標定的本構(gòu)參數(shù)分別模擬了基體和NbC對應(yīng)的納米壓痕結(jié)果：
其研究結(jié)果表明
基于第一性原理計算得到的彈性性能與納米壓痕實驗具有良好的一致性
晶體取向?qū)奢d-位移曲線的影響有限，但對堆積形態(tài)的影響較大。峰值負荷只有1.2%的變化
另外該作者提出的CPFE模擬與第一性原理研究相結(jié)合的解決方案顯示出研究多晶材料和沉淀物力學性能的巨大潛力。
展開 車載屏幕基礎(chǔ)可靠性功能測試：守護智能座艙的“第一道防線”
其穩(wěn)定性與可靠性直接關(guān)乎行車安全、用戶體驗與品牌口碑。因此，一套系統(tǒng)、嚴謹?shù)幕A(chǔ)可靠性功能測試，是確保每一塊車載屏幕在復(fù)雜嚴苛的車規(guī)環(huán)境中穩(wěn)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：
顯示性能測試
觸控性能測試
交互邏輯與系統(tǒng)功能測試
環(huán)境適應(yīng)性與耐久性測試
安全與法規(guī)符合性測試
二、 模塊詳解
1. 顯示性能測試：視覺品質(zhì)的基石
此模塊確保屏幕在各種條件下都能提供清晰、準確、舒適的視覺信息。
基礎(chǔ)顯示：檢查是否有壞點、亮點、暗點、線缺陷，以及整體亮度均勻性。
色彩與對比度：驗證色彩還原準確性（如使用標準色卡），對比度是否達標，色域覆蓋范圍（如sRGB, NTSC）。
亮度與可視性：測試不同環(huán)境光（尤其是強日光）下的屏幕可視性，包括最大亮度、最小亮度、自動亮度調(diào)節(jié)功能的響應(yīng)與平滑度。
響應(yīng)時間與拖影：特別是對于視頻播放和動態(tài)地圖，需測試像素響應(yīng)時間，確?？焖龠\動的圖像無嚴重拖影或模糊。
光學性能：測試不同視角下的色偏、亮度衰減，以及屏幕表面的防眩光、防指紋處理效果。
2. 觸控性能測試：交互流暢的關(guān)鍵
作為主要輸入方式，觸控的精準與流暢至關(guān)重要。
基礎(chǔ)觸控：測試觸控功能的完整性，無失效區(qū)域。進行劃線、點觸測試，檢查斷線、跳點現(xiàn)象。
精度與線性度：驗證觸控坐標與實際點擊位置的偏差是否在允許范圍內(nèi)（通常要求<1.5mm）。
多指觸控與手勢：測試主流的多點觸控手勢（如縮放、旋轉(zhuǎn)、滑動）的識別率、響應(yīng)速度和流暢度。
響應(yīng)速度：測量從觸控發(fā)生到系統(tǒng)給出視覺/觸覺反饋的時間（要求通常低于100ms）。
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