《線性標度的第一性原理電子結構理論方法的發展與套用》是依託中國科學技術大學，由楊金龍擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：線性標度的第一性原理電子結構理論方法的發展與套用
- 項目類別：重點項目
- 項目負責人：楊金龍
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
基於第一性原理的電子結構理論已在化學反應過程的模擬、材料和藥物的設計等領域取得了巨大的成功，但是現有的理論方法對於處理一些實際套用中涉及的複雜體系，在精度、效率和實用性方面還存在著明顯的不足之處。因此發展新的電子結構理論方法是當前理論化學領域的迫切需要。本項目擬發展線性標度的密度泛函理論方法和相應的數值算法，以及對交換-相關泛函的具體形式進行最佳化和改進。在此基礎上，開發具有自主智慧財產權的、準確、高效、實用的第一性原理程式軟體包，用於研究含有成千上萬甚至更多原子的複雜體系的電子結構與性質，從而推動理論化學前沿的進展。同時，將發展的理論方法與程式用於在原子水平上模擬新材料、新器件等實驗研究關心的複雜體系，為理解和解決套用領域，特別是與量子電子輸運相關的一系列實際問題給予依據和指導，並對具有廣泛套用前景的下一代納米材料和電子器件的最佳化與設計提供思路和線索。
結題摘要
在傳統實驗手段之外，數值模擬形式的“計算機實驗”已成為新材料研發的重要手段。儘管基於第一性原理的理論模擬已在預測材料的物理與化學性質、理解化學動態過程和反應機理等方面取得了很大的成功，對於許多實驗前沿的複雜材料體系，現有理論方法在精度和效率方面仍存在明顯不足。在另一方面，國內理論化學界還缺乏系統的、具有廣泛影響的程式軟體包。為解決上述問題，本項目旨在（1）發展線性標度的、準確實用的電子結構和性質計算方法；（2）開發先進的第一性原理程式軟體包；（3）將新方法和新程式包套用於納米電子器件與材料的模擬、最佳化和設計。 經過五年的研究工作，我們全面完成了預定研究內容，取得的主要成果如下：(1)開發了具有自主智慧財產權的、線性標度的第一性原理計算程式包HONPAS（Hefei Order-N Packages for Ab initio Simulations），可使用禁止雜化泛函HSE06進行高效計算；(2)發展了一系列新的理論方法，包括：新的線性標度算法、準確高效的交換-相關泛函形式、可精確模擬複雜材料中的局域量子態的DFT+HEOM方法、納米結構材料設計的新方法等。上述新方法都在自主程式軟體包中得到了實現。(3)基於第一性原理模擬，對一系列新型納米電子材料和器件進行了理論表征、最佳化、設計。這包括：二維鐵磁半導體材料、二維半金屬材料、二維負泊松比材料、自旋電子材料、納米光解水材料等。此外，通過第一性原理計算，闡明了多個複雜非均相催化反應的內在機理。 本項目所開發的HONPAS軟體包，以及發展的一系列線性標度數值算法、高精度電子結構計算方法，為材料研發提供了準確、高效、實用的第一性原理理論工具，有望被廣泛套用於複雜材料的理論表征、最佳化、設計，從而為實驗前沿高度關注的新材料、新器件的研發提供重要的理論依據和全新的思路。 本項目的其它成果主要以學術論文形式發表在SCI期刊上。受資助的論文共98篇，包括Phys. Rev. Lett. 4篇、Nature Commun.2篇、Angew Chem. Int. Ed. 1篇等。在人才培養方面，有22名與本項目相關的研究生畢業，其中碩士生6名、博士生16名；已出站的博士後3名。
