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密度泛函理论的一些探讨终版.
固体物理小论文题目:密度泛函理论的一些探讨及应用姓名:石致富学号:联系方式:2012年6月7日目录摘要……………………………………………………2正文……………………………………………………2Hohenberg-Kohn定理……………………………… 2Kohn-Sham方程组………………………………3密度泛函理论的应用………………………………4VASP求解金刚石、石墨和硅 …………………… 5常用密度泛函理论软件……………………………7总结…………………………………………………9参考文献 ……………………………………………9摘要:处理多电子问题是量子力学一项非常重要的任务。计算能带结构的方法有原胞法、缀加(增广)平面波发、格林函数法、正交平面波法、赝矢法传统的方法是以波函数为基础,用波函数描述体系的状态,在这些模型的基础上解决问题。但实际上随着电子体系变复杂,体系的薛定谔方程越来越难以精确求解。这时有人提出从电子密度的角度来描述体系,这就是密度泛函理论。它由Walter Kohn在1964-1965年提出,以后发展为量子化学中应用最为广泛的计算方法,Walter Kohn因此获得1998年诺贝尔化学奖。 本文首先给出了密度泛函理论的基本原理、然后作为应用使用VASP软件计算了金刚石、石墨和硅的能带结构,得出一些有意义的结果,最后介绍了密度泛函理论的应用以及常用的计算软件。关键词:密度泛函理论DFT、Hohenberg-Kohn定理、VASP、局域密度近似正文:Hohenberg-Kohn定理Walter Kohn在1964-1965年提出:一个量子力学体系的能量仅由其电子密度所决定,这个量比薛定谔方程中复杂的波函数要容易处理得多,也就是说知道了分布在空间任意一点上的平均电子数就已经足够了,没有必要再去考虑每一个单电子的运动行为。这一描述总结为Hohenberg-Kohn定理:N个电子体系的基态电子密度n(r)和作用在外加势场v(r)有一一对应的关系,这里视相差一无意义常数的势场为同一势场。下面给出其证明。给定外场对应确定的基态波函数是显然的,因外外场给定,体系哈密顿量确定,理论上可以得到所有的本征能量和本征波函数,则基态密度也就确定。下面在非简并基态情形下证明给定基态密度可以唯一确定外加势场。N个电子体系的哈密顿量可以写为: 是动能,V是外加势场,是电子和电子之间的库伦相互作用。设n()是N个电子在外势场中的非简并基态的电子密度,相应的基态波函数为,能量为,总的外加势场可以写为(1) (2)假定存在另一势场,相应的非简并基态波函数,但是有相同的n(),有 (3) 由于不是的基态波函数, (4) 类似的有 (5) (4)+(5)得 得出矛盾 这说明时,不会有相同的n()。Kohn-Sham方程组从波函数出发按照变分原理,N个电子体系的基态能量为(6)是归一化尝试波函数,基态能量最低,从电子密度出发,按照Hohenberg-Kohn定理,体系的基态能量、基态电子动能、电子和电子的相互作用势均为n()的泛函, = (7)从(6)到(7),很大的进步就是维度降低:涉及对3N维尝试波函数求能量最小值转化为对3维尝试密度的计算。但泛函的具体形式不清楚,需要有合适的近似处理。Kohn和L.J.Sham建议将(7)写为+ (8)其中是和相互作用电子基态密度相同的假想非相互作用电子体系的动能,称为交换能 (9)从(8)式得: (10)加上总电子数不变的条件,有 (其中是朗格朗日乘子)得到Kohn-Sham方程组: (11)(12)(13)(14) Kohn-Sham方程是一个自洽方程组。先提供初始电子密度分布n(r) , 它一般可由原子的nat(r) 叠加而成。依次求出经典Coulomb势、交换关联势、有效势。再求解KS方程。再由KS波函数构造新的电子密度分布。比较输入与输出的电子密度分布。如已自洽,便计算总能,输出所有结果。 计算流程如下:求解、求解kohn-Sham方程组得得到由得与混合()精度控制n=原子计算计算总能输出结果:、、……YESNOYESNO 密度泛函理论在实际应用上的好坏完全依赖与对泛函,是否能够找到足够简单且足够精确的近似。目前最成功的近似是局域密度近似(LDA).LDA近似用均匀电子气来计算体系的交换能(均匀电子气的交换能是可以精确求解的),而采用对自由电子气进行拟合的方法来处理关联能3. 密度泛函理论的应用3.1在物理学中的应用 密度泛函理论在物理学中最成功的应用是其在凝聚态物理中强关联电子体系中的应用。主要处理两个方面的问题:(1)电子结构(2)声子谱问题。3.2在生命科学中的应用密度泛函理论在生命科学中也有应用,通常求解生物系统会遇到两个障碍,尺寸效应、生物环境的温度及湿度所带来的动力学效
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