第一原理计算

CASTEP 实战守则

模型选定

我们在进行材料物理模拟所需要做的第一步 (也是很重要的一步) 是模型的选定或建构。CASTEP 虽然内建了很多功能来预测晶胞参数 (边长，夹角) 与原子位置，但仍然仰赖使用者告诉它 \要进行计算的系统是什么\。在选定模型时，我们需切记如果系统内原子太多或是超晶胞体积太大，则计算量都会以平面波数的 3 次方增加到计算机难以负荷或使用者难以等待的程度，]此，我时时应考虑设计出一个足以表现出我们所想要研究的物理，而却又能使所有采用的超晶胞越少越好的模型。

如果研究上涉及到一系列原子数不同的大小系统需要做计算，最好能先计算小结构，不要一开始就送入大结构到计算机中。

如果要仿真的系统是含有杂质，则单位晶胞必须进一步放大成超晶胞以便使化学成分里的分数变成整数，因此晶胞会变得很大。

在某些特殊的情况，相互取代的元素种类是很类似的，(即在化学行为上类似)，则下一个版本的CASTEP会提供一种叫做虚拟晶体近似 (Virtural Crystal Approximation，VCA) 的方法，则模型里面的原子就可以指定成如0.3A元素加0.7B元素这种样子，因此总可以以最小晶胞来做计算的模型。但这种方法的精确度通常只适用于合金

第一性原理计算的理论方法

随着科技的发展，计算机性能也得到了飞速的提高，人们对物理理论的认识也更加的深入，利用计算机模拟对材料进行设计已经成为现代科学研究不可缺少的研究手段。这主要是因为在许多情况下计算机模拟比实验更快、更省，还得意于计算机模拟可以预测一些当前实验水平难以达到的情况。然而在众多的模拟方法中，第一性原理计算凭借其独特的精度和无需经验参数而得到众多研究人员的青睐，成为计算材料学的重要基础和核心计算。本章将介绍第一性原理计算的理论基础，研究方法和ABINIT软件包。

1.1第一性原理

第一性原理计算(简称从头计算，the abinitio calculation)，指从所要研究的材料的原子组分出发，运用量子力学及其它物理规律，通过自洽计算来确定指定材料的几何结构、电子结构、热力学性质和光学性质等材料物性的方法。基本思想是将多原子构成的实际体系理解成为只有电子和原子核组成的多粒子系统，运用量子力学等最基本的物理原理最大限度的对问题进行”非经验”处理。【1】第一性原理计算就只需要用到五个最基本的物理常量即(mo.e.h.c.kb)和元素周期表中各组分元素的电子结构，就可以合理地预测材料的许多物理性质。用第一性原理计算的晶胞大小和实验值相

第一性原理计算的理论方法

随着科技的发展，计算机性能也得到了飞速的提高，人们对物理理论的认识也更加的深入，利用计算机模拟对材料进行设计已经成为现代科学研究不可缺少的研究手段。这主要是因为在许多情况下计算机模拟比实验更快、更省，还得意于计算机模拟可以预测一些当前实验水平难以达到的情况。然而在众多的模拟方法中，第一性原理计算凭借其独特的精度和无需经验参数而得到众多研究人员的青睐，成为计算材料学的重要基础和核心计算。本章将介绍第一性原理计算的理论基础，研究方法和ABINIT软件包。

1.1第一性原理

第一性原理计算(简称从头计算，the abinitio calculation)，指从所要研究的材料的原子组分出发，运用量子力学及其它物理规律，通过自洽计算来确定指定材料的几何结构、电子结构、热力学性质和光学性质等材料物性的方法。基本思想是将多原子构成的实际体系理解成为只有电子和原子核组成的多粒子系统，运用量子力学等最基本的物理原理最大限度的对问题进行”非经验”处理。【1】第一性原理计算就只需要用到五个最基本的物理常量即(mo.e.h.c.kb)和元素周期表中各组分元素的电子结构，就可以合理地预测材料的许多物理性质。用第一性原理计算的晶胞大小和实验值相

第一性原理计算方法

引言

前面讲述的有限元和有限差分等数值计算方法中，求解的过程中需要知道一些物理参量，如温度场方程中的热传导系数和浓度场方程中的扩散系数等，这些参量随着材料的不同而改变，需要通过实验或经验来确定，所以这些方法也叫做经验或者半经验方法。而第一性原理计算方法只需要知道几个基本的物理参量如电子质量、电子的电量、原子的质量、原子的核电荷数、布朗克常数、波尔半径等，而不需要知道那些经验或半经验的参数。第一性原理计算方法的理论基础是量子力学，即对体系薛定额方程的求解。

量子力学是反映微观粒子运动规律的理论。量子力学的出现，使得人们对于物质微观结构的认识日益深入。原则上，量子力学完全可以解释原子之间是如何相互作用从而构成固体的。量子力学在物理、化学、材料、生物以及许多现代技术中得到了广泛的应用。以量子力学为基础而发展起来的固体物理学，使人们搞清了“为什么物质有半导体、导体、绝缘体的区别”等一系列基本问题，引发了通讯技术和计算机技术的重大变革。目前，结合高速发展的计算机技术建立起来的计算材料科学已经在材料设计、物性研究方面发挥着越来越重要的作用。 但是固体是具有～1023数量级粒子的多粒子系统，具体应用量子理论时会导致物理方

第一性原理计算简介

在物理学中,第一性原理计算或称从头计算是指,基于构建物理学的基础定理,不作任何假设,例如:经验模型和拟合参数,所进行的计算研究。特别地,在凝聚态物理中,指的是运用薛定愕方程在一定的近似情况下,但不包括拟合实验数据所得到的参数和模型,对物质的电子结构进行计算r从而得到所研究物质的性质的一种研究方法。近些年,随着计算机技术的飞速发展,其运算能力越来越强大,使得人们可以处理更庞大更繁杂的物质结构体系,同时也使得计算物理成为了现代物理学,尤其是在凝聚态物理领域的一个重要分支。众所周知,固体是由相对重且带正电的粒子——原子核,以及相对轻且带负电的粒子——电子聚集在一起构成的。如果有个原子,需要处理的问题是包含有N+ZN(Z为原子核所含的质子的个数)个粒子的电磁相互作用,是一个多体问题。另一方面,由于处理的是微观粒子的运动,所以需要运用量子力学来描述其基本的运动规律和相互作用。对于该系统,精确的多粒子哈密顿量可以写作:

21?R1H???i??

2iMi2i

Fuuuuuuuuj

其中位于為处的原子核的质量为M,.,位于巧处的电子的质量为m一第一项是原子核的动能算符,第二项是电子的动能算符。后三项分别是描述电子与原子核,单个电子与其它

第二章 第一性原理计算方法与软件介绍

19世纪末，科学家们发现经典力学和经典电动力学在描述物质的微观系统时存在明显不足，对实验中的许多现象不能做出真正合理的解释。鉴于此，20世纪初物理学家们在旧量子论的基础上建立了量子力学，主要研究原子、分子、凝聚态物质等内部微观粒子的结构、运动规律等性质，目前已广泛应用于物理、化学、材料等学科领域。随着量子力学理论的不断完善，并结合日趋成熟的计算机技术，量子计算模拟成为了现代科学中必不可少的研究手段之一。第一性原理计算(First-principles calculation)，亦称为从头算(Ab-initio calculation)。该计算方法可根据量子力学基本原理，基于密度泛函理论对材料微观体系的状态和性质进行理论上的预测，且计算过程中不需要使用任何经验参数，只需要一些基本物理量(电子电荷质量e、电子静止质量m0、光速c、普朗克常数h、波尔兹曼常数kB)。本工作所选用的计算程序为Materials Studio软件中的CASTEP量子力学模块，该模块是基于密度泛函理论的从头算量子力学程序。本章节将简要的介绍密度泛函理论和CASTEP计算模块。

2.1密度泛函理论概述

第一性原理主要的研究对象是多原子体

1.7解： 主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。

CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。

主存：计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。

存储单元：可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。

存储元件：存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。

存储字：一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。 存储字长：一个存储单元所存储的二进制代码的总位数。

存储容量：存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。 机器字长：指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。 指令字长：机器指令中二进制代码的总位数。 1.8解：全面的回答应分英文全称、中文名、功能三部分。

CPU：Central Processing Unit，中央处理机（器），是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和控制器组成。

PC：Program Counte

计算机网络原理

第一章课后习题：

一，什么是计算机网络？

计算机网络就是互联的，自治的计算机的集合。

二，网络协议的三要素是什么？含义各是什么？ 网络协议的三要素是语法，语义，时序。

语法就是定义实体之间交换信息的格式和结构，或者定义（比如硬件设备）之间传播信号的电平等。

语义就是定义实体之间交换信息中需要发送(或包含）哪些控制信息。这种信息的具体含义，以及针对不同含义的控制信息，接收信息端应如何响应。

时序也称同步。定义实体之间交换信息的顺序，以及如何匹配或适应彼此的速度。

三，计算机网络的功能是什么？

在不同主机之间实现快速的信息交换，通过信息交换，计算机网络可以实现资源共享这一核心功能。

四，按网络覆盖范围划分，主要有哪几类计算机网络？各自的特点？ 主要有个域网，局域网，城域网，广域网。 个域网是近几年随着穿戴设备，便携式移动设备的快速发展而提出的网络类型，是由个人设备通过无线通信技术，构成小范围的网络，实现个人设备间的数据传输，比如蓝牙。范围控制在1到10米。

局域网通常部署在办公室，办公楼，厂区等局部区域内。采用高速有线或无线链路，连接主机实现局部范围内高速数据传输范围。十米到一公里。 城域网覆盖一个城市范围内的网络，5到50

计算机网络原理

第一章课后习题：

一，什么是计算机网络？

计算机网络就是互联的，自治的计算机的集合。

二，网络协议的三要素是什么？含义各是什么？ 网络协议的三要素是语法，语义，时序。

语法就是定义实体之间交换信息的格式和结构，或者定义（比如硬件设备）之间传播信号的电平等。

语义就是定义实体之间交换信息中需要发送(或包含）哪些控制信息。这种信息的具体含义，以及针对不同含义的控制信息，接收信息端应如何响应。

时序也称同步。定义实体之间交换信息的顺序，以及如何匹配或适应彼此的速度。

三，计算机网络的功能是什么？

在不同主机之间实现快速的信息交换，通过信息交换，计算机网络可以实现资源共享这一核心功能。

四，按网络覆盖范围划分，主要有哪几类计算机网络？各自的特点？ 主要有个域网，局域网，城域网，广域网。 个域网是近几年随着穿戴设备，便携式移动设备的快速发展而提出的网络类型，是由个人设备通过无线通信技术，构成小范围的网络，实现个人设备间的数据传输，比如蓝牙。范围控制在1到10米。

局域网通常部署在办公室，办公楼，厂区等局部区域内。采用高速有线或无线链路，连接主机实现局部范围内高速数据传输范围。十米到一公里。 城域网覆盖一个城市范围内的网络，5到50

编译原教理材 《:译原理》编蒋,立等源,西编北业工大学版社出 讲：许智宏主,x zuihonhg@scse.ehub.tdeu.nc

三大学习特点 专业性(强作操统系编译,理,专原特业课色) 实用程多(课数据库软件,工程)新学年新 点起赶超本一同 的学机会好

译编原课理特程点

专业性强 知点多 识成算法多 涉及多种熟高语言级自学难掌，握真学认收习获多

课时 安 排48时讲课课3,课时实0验实时间验排安：软6-件13周周五节2;5118-周2二计节机算-13周周6五节；25-118周1节 二网6络1-周3周五1;15-18周二节1节《译原编理》评分准标期考终试 70%:

平时绩：3成%

《0编译理原验实成绩评》定立独成完结，正果确实验，报告整完当恰

教

学方法

证保重点知识构结整完精减教，内容学 重点识实例知化讲解加强课堂 练 启习发相关对新知、新识术探索技开 扩展实设验,成可视完编化器译的静测试和 动态测试态对大家的要求： 认真课听认、作真、业认实真 验 课上笔带、;动手、纸动、脑动

自心学一高级种编程言语

《编

译理原》学教容内一章第第二章 第 章 第四三章 第五章第六章 第七 章第八 章第 九章第 章 十论 绪后文无前文法和语言关词法分