第一性原理计算方法及应用

第一性原理计算材料物性零基础录播课程

模拟研究体系

教学目标：了解计算模拟前沿，确立自己研究体系是否可行。确定计算模拟难度

1、二维气敏材料

2、光催化材料

3、单原子催化

4、SERS基底材料

5、二维异质结材料

6、钙钛矿材料

7、电池（电极）材料

8、含能材料

拓扑材料（自旋轨道耦合SOC）

软件编译安装、加速

教学目标：掌握VASP软件安装及VASP加速策略

1、硬件选择及编译安装

2、提交作业脚本编写

3、前处理和后处理辅助程序安装

熟悉VASP加速方案，节约计算时间

密度泛函理论

教学目标：熟悉理论背景及软件，工作更高效

1、从薛定谔方程到密度泛函理论

2、平面波赝势方法

3、量化软件及辅助软件

能带结构理论

Linux操作系统基础

教学目标：熟悉Linux常用命令及批处理脚本，工作更高效

1、Xshell远程登陆服务器的操作技术

2、Linux常用命令(包含bash编程基础)

3、Linux下常用编译器安装方法

Linux常用命令(文本查找，批量提交任务，grep/sed/awk等)

输入、输出文件

教学目标：能够独立提交VASP计算任务

1、软件输入文件介绍(INCAR，KPOINTS，POSCAR，POTCAR，计算脚本等)

2、软件输出文件介绍（OUTCAR等）

3、前处理和后处理辅助软件介绍

提交一个计算任务

构建材料结构模型

教学目标：构建符合自己研究体系的计算模型

1、利用数据库构建三维结构、二维结构

2、材料的掺杂、空位、缺陷

3、官能团修饰调控方法

应力应变调控方法

构建纳米管、异质结等复杂模型

教学目标：进一步掌握复杂材料模型构建

1、纳米管搭建技巧

2、异质结模型搭建技巧：晶格匹配

3、二维材料万能构建方法

4、TOC图的绘制

结构预测方法

教学目标：了解通过结构搜索或化学知识，构建新材料结构

1、知识驱动型新材料结构构建

2、结构搜索软件（数据驱动）新材料构建新结构

准确设置计算参数

教学目标：熟悉科学设置各项参数

1、收敛性测试的目的和意义

2、ENCUT收敛性测试

3、K点收敛性测试

其他收敛性测试（sigma等）

设置磁性、LDA+U、HSE06、范德华力、偶极矫正等参数

教学目标：熟悉设置各项参数

1、INCAR参数的设置（ENCUT, ISIF, EDIFF, EDIFFG等）

2、LDA+U设置方法

3、两种范德华力设置方法

4、HSE06设置方法

5、K点的设置方案 (Mesh, Line-Mode以及Rec直接标注权重)

6、MAGMOM磁性参数设置

7、偶极矫正参数设置

8、赝势的选择及快速生成方法

准确优化结构

教学目标：掌握结构优化策略

1、结构优化的核心与要义

2、晶体结构的优化设置：通过实例金刚石来了解参数设置

3、二维材料g-C3N4晶体结构优化

4、异质结材料模型结构优化

一维材料优化

能量计算分析

教学目标：掌握VASP输出能量的本质

1、赝势方法

2、形成能

3、内聚能

4、剥离能

5、位错能

吸附能

化学键分析

教学目标：理解吸附本质，掌握电荷计算相关方法

1、键长、键角的启示

2、ELF计算与结果处理

3、COHP计算与结果处理

4、共价键、离子键的分析

电荷分析

教学目标：掌握电荷分析方法

1、电荷差分：电荷转移分析

2、Bader电荷：探讨元素化合价

3、自旋电荷密度

能带结构计算分析

教学目标：熟悉电子结构计算

1、 能带结构有什么用？

2、 倒格矢与倒空间

3、 能带计算与分析

4、 前线轨道计算与分析

5、 投影能带计算与分析

6、 电子有效质量计算与分析

7、 实例1：钙钛矿能带结构

实例2：黑磷稀能带结构

态密度计算分析

教学目标：掌握态密度计算和分析方法

1、为什么要计算态密度？态密度与能带的关系

2、态密度计算与分析

3、投影态密度PDOS计算与分析

4、深能级与能级对齐

5、实例1：钙钛矿的态密度

6、实例2：黑磷稀的态密度

电子结构计算分析

教学目标：更深入了解电子结构计算及分析

1、HSE06矫正电子结构

2、功函数计算

3、带边能级：异质结能带对齐

4、局域态密度LDOS

实例3：二维材料之三维能带—绘制石墨烯狄拉克锥

光谱类计算

教学目标：熟悉吸收光谱、反射光谱计算，了解拉曼、红外光谱等计算方法与数据处理

1、分子动力学参数设置

2、吸收光谱

3、反射光谱

4、拉曼光谱

红外光谱

分子动力学模拟

教学目标：掌握分子动力学与声子谱模拟方法

1、认识系综

2、基于能量波动的结构稳定性评估

3、径向分布函数

扩散系数

声子谱模拟

教学目标：掌握声子谱模拟及分析方法

1、声子谱计算参数设置

2、声学支与光学支

3、虚频产生机制及消除方法

力学性能计算

教学目标：掌握材料拉伸应变强度，杨氏模量、硬度等计算方法

1、计算参数设置

2、拉伸强度

3、弹性模量、杨氏模量计算

4、泊松比

5、三维和二维材料的实例演练

载流子迁移率

教学目标：掌握材料的电子和空穴的载流子迁移率

1、形变势理论

2、形变势常数计算

3、载流子迁移率计算

4、实例1：黑磷烯载流子迁移率的计算