基于密度泛函理论的第一性原理赝势法

第一性原理计算方法有着半经验方法不可比拟的优势,基于密度泛函理论第一性原理赝势法已经成为现代材料计算和设计的重要基础和核心技术。本文对基于局域密度泛函理论的第一性原理赝势法进行了扼要分析。

碳在α-Fe-Cr(110)表面及内部扩散行为的第一性原理研究

内容导读碳钢-奥氏体不锈钢异种钢焊接接头界面区域的碳偏聚现象,严重降低了焊接件的性能和使用寿命,本文基于第一性原理赝势平面波方法从原子层次探讨了C(碳)原子在α-Fe(110)和α-Fe-Cr(110)表面结构体系中占位及偏聚行为。赝势平面波方法是基于密度泛函理论即第一性原理计算不同体系的基态属性,平面波具有标准正交化和能量单一性的特点,引入赝势可以保证计算中用较少的平面波数就可以获得较为可靠的结果。计算结果表明,C原子固溶于α-Fe(110)、α-Fe-Cr(110)表面结构体系中,均形成稳定的结构;α-Fe-Cr-C(110)体系中随着Cr含量的增加有利于减缓C在表界面的偏聚;C原子更易偏聚于α-Fe(110)表界面,这一特点促使C更多的偏聚于碳钢-奥氏体钢界面的碳钢一侧。α-Fe-Cr(110)结构表面的稳定性逐渐增强,形成能力逐渐增大。

赝势对金刚石声子结构影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了赝势对金刚石晶体声子谱的影响。研究结果表明:采用不同的赝势,晶格常数、声子谱频率均有差别,且频率越高,差别越大。表明计算材料的与声子谱相关的硬度以及热导等性质时,要选择合适的赝势。

Ultra-Mat:基于平面波的第一原理异构计算软件

基于平面波的第一原理计算方法是目前材料科学中最常用的方法,但传统的CPU并行计算遇到可扩展性瓶颈,无法改善其求解的绝对速度。系统地介绍了利用图形处理器(graphic processing unit,GPU)加速技术开发的大规模第一原理材料计算软件:Ultra-Mat。该软件对第一原理平面波算法进行了系统的算法设计和软件实现:(1)通过采用并行方案,实现了快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)的GPU局部操作;(2)设计了基于数据压缩的混合精度算法,显著减少了电子结构计算部分的MPI(message passing interface)通信;(3)完成了逾90%代码的GPU实现,目的是最大限度地减少中间流程,以避免CPU-GPU切换引发的数据传输,这是GPU应用中公认的性能瓶颈。测试结果显示Ultra-Mat具有很好的计算性能,对于512原子的GaAs系统,在电子结构计算部分,使用256 GPU卡相比4096 CPU核心有18倍的加速。

ZnO第一性原理计算中两种赝势方法之比较

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,应用两种赝势(US-PP和PAW)对纤锌矿结构ZnO晶体结构参数进行研究,计算发现两种赝势的计算结果对不同的领域各有其特点。本文解释了不同赝势导致的结果差异的原因,并给出了第一性原理计算的若干结果。

GPU集群下第一原理非局部映射势能计算

平面波赝势密度泛函(PWP-DFT)计算是材料计算中应用最广泛的方法,其中映射计算是PWP-DFT方法求解自洽迭代中重要的一部分。针对映射势能计算成为软件加速的瓶颈,提出了针对该部分的图形处理器(GPU)加速算法,其中考虑GPU的特点:1)使用了新的并行机制求解非局部映射势能;2)重新设计了数据分布结构;3)减少内存的使用;4)提出了一种解决算法中数据相关问题的方法。最终获得了18～57倍加速,使每步分子动力学模拟最终降为12 s。详细分析了该模块在GPU平台上的测试时间,同时对该算法在GPU集群上的计算瓶颈进行了讨论。

hcp-,fcc-和bcc-Sc晶格稳定性的第一原理研究

分别采用第一原理总能赝势平面波的局域密度近似LDA(Localdensityapproximation)和广义梯度近似GGA(Generalizedgradientapproximation)两种近似方法计算hcp-,fcc-和bcc-Sc的晶格常数、总能和态密度,并将实验值与以上两种方法以及CALPHAD方法的计算结果进行对比研究,发现采用LDA和GGA的计算结果均为ΔGbcc-hcp>ΔGfcc-hcp>0,与CALPHAD方法外推的结果ΔGfcc-hcp>ΔGbcc-hcp>0不一致。用LDA方法计算的hcp-,fcc-和bcc-Sc的晶格常数和原子体积较GGA方法的计算结果小,但总能绝对值偏大。LDA方法与GGA方法的态密度曲线形状基本一致,但LDA得到的s和p态电子占据数比GGA方法的偏小。

B2-RuAl点缺陷结构的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算了B2-RuAl金属间化合物的基本物性及其点缺陷结构的几何、能态与电子结构,通过对不同点缺陷结构形成热与形成能的计算与比较,分析和预测了RuAl金属间化合物中点缺陷结构的种类与存在形式。结果表明:RuAl金属间化合物的点缺陷主要是Ru空位和Al反位,在富Ru合金中主要为Ru反位,在富Al合金中则主要是Al反位。这些点缺陷主要以Ru-Ru双空位和Al-Al双反位的组态结构形式出现,并且双空位以Ru-Ru为第一近邻时其点缺陷结构最稳定,而双反位则是以Al-Al为第三近邻时稳定性最高。进一步通过对NiAl和RuAl不同点缺陷结构Cauchy压力的比较,发现点缺陷对RuAl塑性的降低程度比NiAl低,因而含有点缺陷的实际合金的室温塑性RuAl比NiAl好。

N掺杂p-型ZnO的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了纤锌矿ZnO和N掺杂p-型ZnO晶体的电子结构,分析了N掺杂p-型ZnO晶体的能带结构、电子态密度、差分电荷分布以及H原子和N2分子对p-型掺杂ZnO的影响.

第一原理方法在材料科学中的应用

为了从理论上阐明材料结构与其特性的关系,应用第一原理方法计算材料的电子状态,可以获得材料的特征参数,从而能够表征、预测甚至设计材料的结构与性能.选择密度泛函理论和基于第一原理的赝势方法,计算得到了Al、Si、BN等的晶格常数、体弹性模量、电子密度分布和能带结构,并介绍了这些基态物理性质在材料科学中成功应用的典型事例.

Ag表面性质的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算了Fcc-Ag晶体及其Ag(111)、Ag(110)与Ag(100)自由表面的能量、几何与电子结构。根据表面能的计算,预测了Ag表面的结构稳定性,结果表明密排Ag(111)面结构稳定性最好,低指数奇异面Ag(100)面次之,Ag(110)面的结构稳定性最差。通过对不同表面几何与电子结构的比较,初步分析了其结构稳定性差异的产生原因。表面原子驰豫不仅引起表面几何结构的变化,而且使表面层的电子结构与键合特性发生改变。驰豫后表面层原子的部分价电子跑到了表面层以上的真空区,使表面层原子的电子态密度峰形发生变化,还新形成了表面态,这是表面能产生的主要原因,而Ag(110)表面相对于Ag(111)与Ag(110)表面具有高表面活性的主要原因则源于其表面层原子显著的结构驰豫。

晶体Si能带的密度泛函及第一性原理计算

针对晶体Si在二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路中的应用与其能带结构密切相关的问题,采用密度泛函理论及第一性原理的赝势平面波方法,从理论上计算了晶体Si的电子能带.计算结果表明:Si的晶格常数为0.540 nm,与实验参考值相吻合;其价带宽度为11.80 eV,导带宽度为9.58 eV,该结果与其他学者用OPW方法所计算的结果相符合;价带与导带之间的禁带宽度为0.80 eV,进一步说明了Si是良好的半导体材料.

基于第一性原理计算的Zr微合金化对NiAl力学性能的影响研究

采用第一性原理赝势平面波方法,并基于虚拟晶体势函数近似(VCA),计算分析了合金元素Zr浓度变化对NiAl合金力学性能的影响,以确定Zr可改善NiAl合金低温塑性的最佳含量。对弹性模量的计算分析结果表明,Zr微合金化B2-NiAl晶体在x(Zr)=0.01%附近的硬度最大,延性最差;在x(Zr)=0.02%附近硬度最小,而在x(Zr)=0.05%附近的延性最好;与纯净的NiAl晶体相比,在x(Zr)=0.3%～0.45%区间,Zr微合金化晶体的硬度得到了明显提高,而在x(Zr)=0.03%～0.05%和x(Zr)=0.1%～0.45%区间延性得到了有效的改善。

B32-LiAl点缺陷结构的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算B32-LiAl金属间化合物的基本物性及其点缺陷结构的几何、能态与电子结构.通过对不同点缺陷结构形成热与形成能的计算与比较,分析和预测了B32-LiAl金属间化合物中点缺陷结构的种类与存在形式.结果表明:B32-LiAl金属间化合物的点缺陷主要是在Li子晶格上出现空位缺陷与在Al子晶格上出现反位缺陷.基于晶体总电子态密度与电荷密度分布等电子结构信息,对上述计算结果进行了初步分析.

金属Zr热力学性质的第一原理研究

应用基于密度泛函与密度泛函微扰理论的平面波赝势方法计算了一组不同晶格常数下hcp结构金属Zr的声子谱及相应的静态总能,由此得到不同晶格常数下的自由能,由准谐近似及自由能极小判据得到自由能与温度的关系,进而计算了金属Zr热膨胀系数、体弹性模量、定容及定压摩尔热容与温度的关系,计算结果在较宽的温度范围内与实验相符．对热膨胀系数,同时应用Debye-Gr(?)neisen模型进行了计算,并与第一原理方法的结果进行了比较．对摩尔热容的计算考虑了电子的贡献,表明在高温区电子热容的贡献不能忽略．

基于第一原理的Li嵌入路径的计算机模拟

为了研究锂离子电池负极材料InSb的L i嵌入过程,使用基于密度泛函理论的第一原理赝势法,计算了L i离子电池非碳类负极材料InSb在L i嵌入时的125相不同情况下的总能、平衡体积和各相间转换的L i嵌入形成能及相对体积变化等,进而参考电压轮廓实验曲线,筛选出了中间经历两相的最可能的反应路径为L i+In4Sb4→L i1In4Sb4,2L i+L i1In4Sb4→L i3In4Sb4,9L i+L i3In4Sb4→L i12Sb4+4 In;中间经历三相的最可能的反应路径为L i+In4Sb4→L i1In4Sb4,2L i+L i1In4Sb4→L i3In4Sb4,4L i+L i3In4Sb4→L i7In3Sb4+In,5L i+L i7In3Sb4→L i12Sb4+3 In。计算了L i3Sb的晶格常数、总能等,讨论了其能带结构和电子态密度等性质。结果表明:随着L i嵌入到InSb中并生成L i3Sb,其体积略有膨胀,材料发生了由半导体性到金属性又到半导体性的转变。

Al单晶的结合能和晶格常数的第一性原理计算研究

基于密度泛函理论框架下平面波赝势法的VASP软件包可以根据任意给定的一个晶胞棱边长度在原胞内求解Kohn-Sham方程,并算出相应的结合能,当结合能为最小值时,整个原胞的结构最为稳定,此时原胞的长度即为晶格常数。我们采用此方法计算了Al单晶的结合能和晶格常数,计算的结果与实验吻合得很好。

4d过渡金属在L1_0-TiAl中占位的第一原理研究

采用第一原理赝势平面波方法研究了TiAl-X(X为4d过渡金属)超胞合金体系的几何、能量与电子结构。通过对Ti7Al8X与Ti8Al7X超胞的合金形成能的计算、比较与分析发现:合金化元素的外层电子数,特别是外层的d电子数对其在L10-TiAl合金中的占位有非常明显的影响,d电子数较少的前过渡金属Y,Zr,Nb和Mo主要优先占据Ti原子位,而d电子数较多甚至是满d壳层的Rh,Pd,Ag和Cd则主要优先占据Al原子位。而介于这两种情况中间的Tc和Ru合金化元素,表现出微弱的趋势,分别偏重占据Ti原子位和Al原子位。通过合金化元素价电子态密度图的变化,较好地解释了4d过渡金属在L10-TiAl合金中的占位规律。

3d过渡金属在L1_0-TiAl中占位的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法研究TiAl-X(X为3d过渡金属)超胞合金体系的几何、能量与电子结构。通过计算、比较、分析Ti7Al8X与Ti8Al7X超胞的合金形成能,得出3d过渡金属在L10-TiAl合金中的占位情况:合金化元素的外层电子数,特别是外层的d电子数对其在L10-TiAl合金中的占位有非常明显的影响,d电子数较少的前过渡金属Sc、V和Cr主要优先占据Ti原子位,而d电子数较多甚至是满d壳层的Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn则主要优先占据Al原子位。与相关理论研究比较,对Cr元素在L10-TiAl合金中占据情况得出不同结论。对于合金化元素在L10-TiAl合金中占据不同亚点阵的情况,还从电子分波态密度角度,很好地解释了其产生的电子机制。

过渡金属氮化物的结合能第一原理计算

本文采用第一原理平面波赝势法计算出过渡金属氮化物的晶格常数,在此基础上计算该类物质晶格原胞的总能量,以及分别计算各单原子能量,进而利用结合能公式计算出该类晶体结合能。计算结果与试验值符合的很好,从而验证了通过第一原理计算可以准确的获得材料的很多特征参数。