密度泛函理论的应用

发布网友发布时间：2022-04-20 01:40

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热心网友时间：2023-05-07 01:26

自1970年以来，密度泛函理论在固体物理学的计算中得到广泛的应用。在多数情况下，与其他解决量子力学多体问题的方法相比，采用局域密度近似的密度泛函理论给出了非常令人满意的结果，同时固态计算相比实验的费用要少。尽管如此，人们普遍认为量子化学计算不能给出足够精确的结果，直到二十世纪九十年代，理论中所采用的近似被重新提炼成更好的交换相关作用模型。密度泛函理论是目前多种领域中电子结构计算的领先方法。尽管密度泛函理论得到了改进，但是用它来恰当的描述分子间相互作用，特别是范德瓦尔斯力，或者计算半导体的能隙还是有一定困难的。
对于范德瓦尔斯力（又译范德华力），可以采用半经验的色散矫正方法（DFT-D）实现，也可以通过近来新开发的一些非局域混合交换关联泛函（Hybrid exchange-correlation functional）来近似实现（vdW-DF）。而对于半导体体能隙，则一般采用考虑了多体作用（Many-body）的GW方法进行计算。其中G表示格林方程（Green Function），而W表示屏蔽参数。下图是使用不同方法计算金刚石结构的单质半导体硅的禁带宽度（Band Gap），可以看到，对比实验结果，GW方法提供了非常好的近似。在凝聚态领域，根据基矢和近似方法的不同，现在比较常用的方法都有：FP-LCAO（Full Potential-Linear Combination of Atomic Oribtals，全势-线型原子轨道组合方法），FP-LMTO（Full Potential-Linear Muffin-tin Orbitals，全势-线性Muffin-tin轨道方法），FP-LAPW（Full Potential-Linearized Augmented Plane-wave，全势-线性化缀加平面波方法），Pseudopotential Plane-wave（PP-PW，赝势-平面波方法）。同时，比较流行的软件有如下几种（排名不分先后，欢迎随时补充）：
Nanodcal
VASP（PP-PW，商业软件）
CASTEP （PP-PW，商业软件）
Abinit （PP-PW，开源软件）
Crystal （FP-LCAO，商业软件）
Quantum-ESPRESSO（PP-PW，原PWscf，开源软件）
Wien2k （FP-LAPW，商业软件）
Siesta （Order-N方法，又称Siesta方法，基于LCAO，开源软件）
ELK （FP-LAPW，开源软件）
Exciting （PF-LAPW，开源软件）
Fleur （FP-LAPW，开源软件）
Octopus （TDDFT，用于光学性质计算，开源软件）
ATK （Siesta方法，商业软件）
USPEX（晶体结构预测，开源软件）
Calypso（预测晶体结构，开源软件）