第一性原理计算在新材料研究中的应用

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1、第一性原理报告主要内容软件介绍计算实例USPEXMSVASPGaussianPd基Heusler合金Pd2CrGa晶体结构预测贵金属纳米粒子团簇结构预测FeZn13弹性常数的第一原理计算USPEX一种专门用于结构预测的进化算法，结合外部电子结构计算程序（VASP，SIESTA和GULP等）来寻找从头算全局自由能最小值。采用遗传操作、原子置换、晶格突变等算子来得到尝试子结构，并对子结构进行筛选，只保留其中若干比例“优质”的结构参与下一代的遗传进化过程，从而快速地收敛到稳定相。USPEX优点成功地实现了对于任意给定温度、压强条件下，

2、仅从材料化学成分组成进行晶体结构预测无需实验数据，仅从材料的化学成分出发预测晶体结构，特别适用于高温、高压等极限条件下的结构预测。支持各种晶胞结构的搜索。可以由实验得到的晶胞结构开始搜索，如晶胞参数、晶胞形状、晶胞体积等；也可以由已知和假设结构开始搜索。通过几片结构的空间粘连，部分保留并考虑了原子的局域排布信息。反映了晶体中强的短程相互作用和当前一代的信息。对于处理较大的体系具有明显优势。置换算法提供了用户自定义哪种原子相互交换的功能，特别适用于具有长程化学相似的不同种原子构成的体系。MaterialsStudioMateria

3、lsStudio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件.MS包含多种模块，其核心模块是visualizer，可运行于客户端PC，支持windows和Linux等系统。MS包含有许多重要的功能模块，例如进行第一性原理计算的CASTEP模块，进行分子动力学计算的DMol3模块，进行几何机构优化与预测的GULP模块等等。MaterialsStudio文件窗口图形窗口属性窗口计算状态窗口菜单窗口Castep模块MaterialsStudioMaterialsStudioMaterialsStudio能带结构态密度V

4、ASPVASP是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。VASP通过近似求解Schrodinger方程得到体系的电子态和能量，既可以在密度泛函理论（DFT）框架内求解Kohn-Sham方程（已实现了混合泛函计算），也可以在Hartree-Fock（HF）的近似下求解Roothaan方程。VASP采用周期性边界条件(或超原胞模型)处理原子、分子、团簇、纳米线（或管）、薄膜、晶体、准晶和无定性材料，以及表面体系和固体的问题。只能计算。建模和结果分析要依靠其他程序。纯计算软件，只有Linux版

5、本终端窗口VASPVASPINCAR：控制计算的参数POSCAR：材料的描述(晶胞的尺寸，原子的位置）KPOINTS：布里渊区积分设置POTCAR：每个元素的赝势DOSCAR:包含了态密度的信息EIGENVAL:包含了能带的信息VASPVASP优点缺点Castep图形界面，操作方便建模和结果分析容易在Windows下执行速度较慢。可选的计算方法较少，结果不够精确Vasp代码稳定，执行速度快可以使用更高级的计算方法，使结果更精确命令行操作，且Linux系统入门较难。建模和结果分析依赖其他软件。GaussianGaussian是一个

6、功能强大的量子化学综合软件包。主要功能有对分子结构和能量、过渡态的能量和结构、化学键和反应能量、分子轨道、原子电荷和电势、红外和拉曼光谱等的计算。研究周期性体系：Gaussian扩展了化学体系的研究范围，它可以用周期性边界条件的方法（PBC）模拟周期性体系预测光谱：Gaussian可以计算各种光谱和光谱特性。包括：IR和Raman；预共振Raman；紫外-可见等等.第一性原理应用实例一团簇是指由有限数目（几个至上千个）的原子、分子或离子通过一定的键合方式（包括物理和化学结合方式）构成的相对稳定的微观和亚微观聚集体，其空间尺度在1

7、0-10-10-8m之间。由于团簇特殊的空间尺度，其物理和化学性质随其包含原子数目的不同有很大的差异，产生许多奇异的特性。因此，团簇可视为是介于原子、分子与宏观固体之间物质结构的新层次或新凝聚态——即介观层次，代表了凝聚态物质的初始形态，常被称为“物质第五态”.贵金属纳米粒子团簇结构预测贵金属纳米粒子团簇结构预测碳原子碳60团簇金刚石晶体贵金属纳米粒子团簇结构预测类型典型代表键合方式平均结合能范德瓦尔斯团簇Arn、(N2)n弱静电作用0.3eV分子团簇In、(C6H6)n弱静电作用0.3-1eV氢键团簇(HF)n、(H2O)n电

8、荷转移特征0.3-0.5eV离子键团簇(NaCl)n、(MgO)n静电作用2-4eV共价键团簇Cn、Sin、Gen共价键结合1-4eV金属键团簇Agn、Nan、Cun电子结合0.5-3eV由于团簇特殊的空间尺度，其物理和化学性质随其包含原子数目的不同有很大的差异