《開放體系的含時密度泛函方法的發展與套用》是依託中國科學技術大學，由鄭曉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：開放體系的含時密度泛函方法的發展與套用
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：鄭曉
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
“固體-分子-固體”與“分子-表面”等具有複雜結構的化學體系，對納米電子學、新能源材料、非均相催化等套用領域，具有重要的基礎性意義。然而，這些複雜體系既非孤立體系，也不具有周期性結構，從而對傳統第一性原理方法（如基態與含時密度泛函方法）提出了挑戰。因此，迫切需要發展新的理論方法，以滿足理論與實驗研究的需要。本項目擬發展適用於具有開放邊界的複雜化學體系的含時密度泛函方法（TDDFT-OS），並構建準確、高效的計算程式，以實現在原子水平上，對處於複雜材料環境中的化學體系的電子性質與動力學進行第一性原理模擬。同時，將發展的TDDFT-OS方法與程式套用於研究實驗上高度關注的、具有複雜表/界面結構的化學體系，如基於石墨烯的二維材料、雙錳基金屬配位化合物分子-二氧化鈦複合體系等，以獲取關鍵電子性質、揭示電子動態演化規律，從而為新型納米電子器件、能量轉換材料的表征、最佳化、設計等提供理論依據與指導。
結題摘要
本項目的研究目標是：發展適用於開放體系的含時密度泛函方法（TDDFT-OS），構建準確、高效的數值方法與計算程式，以實現在原子水平上，對處於複雜材料環境中的化學體系的電子結構和動力學性質進行第一性原理模擬。同時，將TDDFT-OS方法與程式套用於研究實驗上高度關注的、具有複雜表/界面結構的材料體系，從而為新型納米電子器件、能量轉換材料的表征與設計提供理論依據和指導。上述目標已全面實現。在TDDFT-OS計算方法的發展方面，我們深入探究了低溫材料環境的耗散作用，提出了一系列適用於低溫環境的數值算法，大幅提升了TDDFT-OS方法對於低溫環境的計算精度與效率。我們還發展了適用於費米子環境的隨機運動方程方法，大大拓展了現有量子耗散理論的前沿。在計算程式的開發方面，我們設計並套用了一系列新的數值方案與技術，顯著降低了TDDFT-OS的計算記憶體耗費。TDDDFT-OS方法已初步在LODESTAR計算化學軟體包中全面實現。此外，通過本項目構建的多種數值算法與編程技術，也促成了HEOM-QUICK等計算程式的開發。上述理論與計算方法的發展和完善，為在第一性原理水平上模擬複雜材料環境中的真實化學體系，提供了準確、高效、實用的理論工具，突破了傳統理論方法只能處理孤立或周期性體系的局限，從而大大拓展了理論與計算化學領域的前沿。在理論方法的套用方面，我們著眼於金屬表面的吸附分子、聯結在金屬電極中的分子等表界面分子體系，在原子水平上模擬了掃描隧道顯微鏡、力學可控劈裂結等真實實驗體系中的電子動態演化、電子輸運、電子轉移等微觀動力學過程。此外，我們還將DFT方法與級聯運動方程方法（HEOM）相結合。我們套用DFT+HEOM方法，研究了金屬表面吸附的、含有過渡金屬原子的磁性分子體系的局域自旋態與強關聯電子態，並深入探討了上述量子態的形成與調控機制。 通過本項目的實施，我們發表了（包括已接收）SCI論文共27篇, 以及1篇中文進展論文。在項目資助下，本課題組培養了多位青年研究人員，包括已畢業的博士生5名、碩士生1名，博士後出站1名。
