第一性原理計(jì)算方法即從頭算。它的基本思想是將多個(gè)原子構(gòu)成的體系看成是由多個(gè)電子和原子核組成的系統(tǒng)，并根據(jù)量子力學(xué)的基本原理對(duì)問(wèn)題進(jìn)行最大限度的“非經(jīng)驗(yàn)性”處理。它只需要幾個(gè)基本常數(shù)就可以計(jì)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(jì)算可以確定已知材料的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)性質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別的精準(zhǔn)控制，是現(xiàn)階段解決實(shí)驗(yàn)理論問(wèn)題和預(yù)測(cè)新材料結(jié)構(gòu)性能的有力工具。不過(guò)，第一性原理計(jì)算效率低下，常需引入一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，來(lái)提升計(jì)算速度和擴(kuò)大計(jì)算規(guī)模，但會(huì)不可避免地犧牲一定的計(jì)算精度。

第一性原理計(jì)算不需要開(kāi)展真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，極大地節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在化學(xué)、物理、生命科學(xué)和材料學(xué)等領(lǐng)域。

第一性原理計(jì)算常用軟件

01 USPEX

一種專門(mén)用于結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的進(jìn)化算法，結(jié)合外部電子結(jié)構(gòu)計(jì)算程序（VASP，SIESTA和GULP等）來(lái)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(lái)得到嘗試子結(jié)構(gòu)，并對(duì)子結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)化過(guò)程，從而快速地收斂到穩(wěn)定相。

優(yōu)點(diǎn)

①成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)于任意給定溫度、壓強(qiáng)條件下，僅從材料化學(xué)成分組成進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

②無(wú)需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅從材料的化學(xué)成分出發(fā)預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)。

③支持各種晶胞結(jié)構(gòu)的搜索?？梢杂蓪?shí)驗(yàn)得到的晶胞結(jié)構(gòu)開(kāi)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(kāi)始搜索。

④通過(guò)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(qiáng)的短程相互作用和當(dāng)前一代的信息。對(duì)于處理較大的體系具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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(zhǎng)程化學(xué)和似的不同種原子構(gòu)成的體系。

02 Materials Studio

Materials Studio是專門(mén)為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開(kāi)發(fā)的一款可運(yùn)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(yùn)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(jìn)行第一性原理計(jì)算的CASTEP模塊，進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的DMo13模塊，進(jìn)行幾何機(jī)構(gòu)優(yōu)化與預(yù)測(cè)的GULP模塊等等。

03 VASP

只能計(jì)算。建模和結(jié)果分析要依靠其他程序。

VASP是維也納大學(xué)Hafner小組開(kāi)發(fā)的進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和量子力學(xué)-分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件包。

VASP通過(guò)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(shí)現(xiàn)了混合泛函計(jì)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(tuán)簇、納米線（或管）、薄膜、晶體、準(zhǔn)晶和無(wú)定性材料，以及表面體系和固體的問(wèn)題。

04 Gaussian

Gaussian是一個(gè)功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包。主要功能有對(duì)分子結(jié)構(gòu)和能量、過(guò)渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵和反應(yīng)能量、分子軌道、原子電荷和電勢(shì)、紅外和拉曼光譜等的計(jì)算。

研究周期性體系：Gaussian擴(kuò)展了化學(xué)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(yù)測(cè)光譜：Gaussian可以計(jì)算各種光譜和光譜特性。包括：IR和Raman；預(yù)共振Raman；紫外-可見(jiàn)等等。

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