第一性原理計算方法即從頭算。它的基本思想是將多個原子構(gòu)成的體系看成是由多個電子和原子核組成的系統(tǒng)，并根據(jù)量子力學的基本原理對問題進行最大限度的“非經(jīng)驗性”處理。它只需要幾個基本常數(shù)就可以計算出體系的能量和電子結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)。第一性原理計算可以確定已知材料的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)性質(zhì)，并實現(xiàn)原子級別的精準控制，是現(xiàn)階段解決實驗理論問題和預測新材料結(jié)構(gòu)性能的有力工具。不過，第一性原理計算效率低下，常需引入一些經(jīng)驗參數(shù)，來提升計算速度和擴大計算規(guī)模，但會不可避免地犧牲一定的計算精度。

第一性原理計算不需要開展真實的實驗，極大地節(jié)省了實驗成本，現(xiàn)已被廣泛應用在化學、物理、生命科學和材料學等領(lǐng)域。

第一性原理計算常用軟件

01 USPEX

一種專門用于結(jié)構(gòu)預測的進化算法，結(jié)合外部電子結(jié)構(gòu)計算程序（VASP，SIESTA和GULP等）來尋找從頭算全局自由能最小值。采用遺傳操作、原子置換、晶格突變等算子來得到嘗試子結(jié)構(gòu)，并對子結(jié)構(gòu)進行篩選，只保留其中若干比例“優(yōu)質(zhì)”的結(jié)構(gòu)參與下一代的遺傳進化過程，從而快速地收斂到穩(wěn)定相。

優(yōu)點

①成功地實現(xiàn)了對于任意給定溫度、壓強條件下，僅從材料化學成分組成進行晶體結(jié)構(gòu)預測

②無需實驗數(shù)據(jù)，僅從材料的化學成分出發(fā)預測晶體結(jié)構(gòu)，特別適用于高溫、高壓等極限條件下的結(jié)構(gòu)預測。

③支持各種晶胞結(jié)構(gòu)的搜索。可以由實驗得到的晶胞結(jié)構(gòu)開始搜索，如晶胞參數(shù)、晶胞形狀、晶胞體積等；也可以由已知和假設(shè)結(jié)構(gòu)開始搜索。

④通過幾片結(jié)構(gòu)的空間粘連，部分保留并考慮了原子的局域排布信息。反映了晶體中強的短程相互作用和當前一代的信息。對于處理較大的體系具有明顯優(yōu)勢。

⑤置換算法提供了用戶自定義哪種原子相互交換的功能，別適用于具有長程化學和似的不同種原子構(gòu)成的體系。

02 Materials Studio

Materials Studio是專門為材料科學領(lǐng)域研究者開發(fā)的一款可運行在PC上的模擬軟件。

MS包含多種模塊，其核心模塊是visualizer，可運行于客戶端PC，支持windows和Linux等系統(tǒng)。

MS包含有許多重要的功能模塊，例如進行第一性原理計算的CASTEP模塊，進行分子動力學計算的DMo13模塊，進行幾何機構(gòu)優(yōu)化與預測的GULP模塊等等。

03 VASP

只能計算。建模和結(jié)果分析要依靠其他程序。

VASP是維也納大學Hafner小組開發(fā)的進行電子結(jié)構(gòu)計算和量子力學-分子動力學模擬軟件包。

VASP通過近似求解Schrodinger方程得到體系的電子態(tài)和能量，既可以在密度泛函理論（DFT）框架內(nèi)求解Kohn-Sham方程（已實現(xiàn)了混合泛函計算），也可以在Hartree-Fock（HF）的近似下求解Roothaan方程。

VASP采用周期性邊界條件（或超原胞模型）處理原子、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的問題。

04 Gaussian

Gaussian是一個功能強大的量子化學綜合軟件包。主要功能有對分子結(jié)構(gòu)和能量、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)化學鍵和反應能量、分子軌道、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜等的計算。

研究周期性體系：Gaussian擴展了化學體系的研究范圍，它可以用周期性邊界條件的方法（PBC）模擬周期性體系。

預測光譜：Gaussian可以計算各種光譜和光譜特性。包括：IR和Raman；預共振Raman；紫外-可見等等。

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