1.1 单电子近似与Kohn-Sham方程#

dft-ks-equation 配图 image2.jpg

基于平均场近似,多电子体系问题简化为单电子问题,每个电子的状态的波函数满足一个Kohn-Sham方程(单电子的方程)。以电荷密度为基础,体系能量、原子受力力等物理量可以写成电荷密度的泛函。电荷密度是所有电子的波函数模方的代数和。

dft-ks-equation 配图 image3.png

对这个方程我们主要关心三个部分,一是该方程中的波函数φi;二是描述电子-离子相互作用以及电子之间库伦相互作用的Veff;三是描述量子效应的交换-关联项μXC。

基组选取:对于波函数项φi,我们可以用原子轨道基函数展开(比如ABACUS),也可以用平面波基(Planar Waves ,PW,大部分DFT软件,VASP、QE、ABINIT、 PWmat……)

电子离子处理:对于Veff的处理,有全电子法、赝势方法(pseudopotential,PP)和投影缀加波方法(Projected augmented wave,PAW)有时候为了方便表述也会把PAW归入到赝势方法中,但实际上是不一样的。在本文后面内容里,对于VASP的赝势,默认指代PAW方法。关于PAW方法的介绍可以参阅:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/575479762

泛函处理:对于μXC的处理,应用最多的主要是两大类:LDA(局域密度近似,Local Density Approximate)和GGA(广义梯度近似Generalized Gradient Approximation, GGA)。当然还有其它的处理方式,比如meta-GGA和杂化泛函,见Jacob’s Ladder,后面我们会涉及到这些高级泛函的计算,这里不做赘述。

dft-ks-equation 配图 image4.png

计算结果依赖于泛函和赝势类型的选取,对于VASP来说,采用平面波PW基组;赝势方面,目前几乎都是采用PAW方法,很少用超软赝势USPP。泛函方面,绝大部分体系采用GGA下的PBE泛函,PBE是三个人名字缩写。后面我们会遇到一些特殊的泛函选取。VASP中更多的泛函类型见:

https://www.vasp.at/wiki/index.php/GGA