密度泛函理论与应用

课程编码：180081070205P3014H 英文名称：Density Functional Theory and Applications 课时：40 学分：2.00 课程属性：专业课 主讲教师：杜世萱等

本课程为凝聚态物理及其相关专业研究生的专业普及课。重点讲述密度泛函理论及应用。为将要从事物理、化学，材料和生物方面的研究生提供基本和实用的计算凝聚态物理知识。通过本课程的学习，使学生能掌握相关的基本理论和方法并能应用到实际的研究工作中去。带*号为选讲或自学内容。

量子力学，固体物理

第一章 导论 3学时 杜世萱
第1节 确定材料特性的主要因素。
第2节 计算、理论、实验之间的关系。
第3节 各种计算方法涉及的时间与空间尺度。
第4节 软件是黑箱吗？
第二章 密度泛函理论 9学时 潘金波
第1节 原子单位
第2节 多粒子体系，绝热近似
第3节 哈特里近似，哈特里-福克近似
第4节 托马斯-费米理论
第5节 Hohenberg和Kohn的定理
第6节 Kohn-Sham方程
第7节 交换关联能与LDA近似
第8节 Kohn-Sham方程的自洽求解
第9节 密度泛函理论的优缺点
第10节 密度泛函理论的各种推广简介
第三章 总能量赝势方法I 9学时 潘金波
第1节 原子赝势
第2节 动量空间的Kohn-Sham方程与总能量
第3节 EWALD求和
第4节 发散项的抵消问题
第5节 动能截断与收敛性
第6节 K空间抽样
第7节 超级原胞
第8节 力的计算
第9节 直接对角化，最陡下降法，CAR-PARRINELLO方法
第10节 VASP程序简介*，Quantum Espresso简介*，应用*
第四章 总能量赝势方法II 6学时 潘金波
第1节 原子轨道
第2节 矩阵元的计算
第3节 总能量的计算
第4节 力的计算
第5节 SIESTA/ABACUS程序简介*, 应用*
第五章 全电子方法 6学时 潘金波
第1节 基本概念
第2节 缀加平面波(APW)方法
第3节 线性缀加平面波(LAPW)方法
第4节 KKR方法
第5节 LMTO方法
第6节 WIEN2k程序简介*，LMTART程序简介*
第六章 紧束缚方法 2学时 杜世萱
第1节 紧束缚方法: 与DFT理论的关系，Slater-Koster方法，例
第2节 O(N)方法*：密度矩阵局域性*，费米算符展开方法*，分而治之方法*，无轨道方法*
第3节 化学中的半经验方法*：ZDO等*，应用*
第七章 经验势方法 3学时 杜世萱
第1节 经验势函数：与DFT理论的关系，分子动力学
第2节 分子动力学的应用*，分子力学*，MD与MM的比较*
第3节 分子团簇*: 水分子团簇*，生物分子*
第八章 并行计算 2学时 杜世萱
第1节 并行计算，并行算法*，MPI语言*
第2节 并行第一性原理方法*，并行分子动力学方法*，并行紧束缚方法*

杜世萱,1992年北京大学化学系本科毕业，2002年获北京师范大学化学系固体物理与化学专业博士学位。2002年加入中科院物理所纳米物理与器件实验室工作，其间（2003年至2004年），曾赴美国橡树岭国家实验室访问研究。现任中科院物理所研究员，博士生导师。要工作及获得的成果:1、功能纳米结构在金属表面选择性组装机制及物性。 2、Rotaxane类分子的结构与电导转变机制及其在超高密度信息存储中的应用。 3、具有固定偏心轴的单分子马达转动机制的研究。 4、基于第一性原理计算，成功解释了单分子自旋态量子调控的机制。 5、通过第一性原理计算研究金属表面Graphene单层膜结构与物性，以及graphene/金属表面分子自组装机制。 6、与合作者共同提出了一种研究复杂分子表面动态系统的新方法：第一性原理静态计算与时间分辨的隧穿电流谱（I-t）相结合，获取表面动态过程中复杂分子的准确构型和能态分布，该研究结果对表面动态系统的研究提出了一种新的研究思路。发表SCI学术论文300余篇，包括Science 4篇，Phys. Rev. Lett. 9篇, Nature子刊 16篇,Nano Lett. 19篇，在Adv. Mater.19篇。

潘金波，2016年获得中科院物理所博士学位，先后在Vanderbilt University h和Temple University访问和从事博士后研究工作。主要研究方向为利用基于密度泛函理论的高通量计算和机器学习相结合，探索具有优异电子学、磁学、拓扑、和光学性质的新型低维功能材料，研究低维材料中的新奇物性与结构的内在关联。近年来在Nat. Mater.、PNAS、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、Nano Lett.等杂志发表论文40余篇，被引用2400余次。 代表性研究成果包括：首次提出通过构筑磁性半导体异质结，以实现量子反常霍尔效应的方法；提出一个理论模型结合材料数据库挖掘的负泊松比二维材料的反向设计方案；提出一个具有高迁移率和高吸光度并且实验易合成的二维材料高效筛选方案，等。