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化学进展 2005, Vol. 17 Issue (02): 192-202 前一篇   后一篇

• 综述与评论 •

密度泛函理论及其数值方法新进展*

李震宇　贺　伟　杨金龙**   

  1. (中国科学技术大学选键化学重点实验室　合肥230026)
  • 收稿日期:2004-05-01 修回日期:2004-09-01 出版日期:2005-03-24 发布日期:2005-03-24
  • 通讯作者: 杨金龙 E-mail:jlyang@ustc. edu. cn
  • 基金资助:

    国家重点基础研究发展计划；国家杰出青年基金；国家自然科学基金

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Recent Progress in Density Functional Theory and Its Numerical Methods

Li Zhenyu 　He Wei 　Yang Jinlong**   

  1. (Lab of Bond Selective Chemistry , University of Science and Technology of China , Hefei 230026 , China)
  • Received:2004-05-01 Revised:2004-09-01 Online:2005-03-24 Published:2005-03-24
  • Contact: Yang Jinlong E-mail:jlyang@ustc. edu. cn

综述了密度泛函理论及其数值方法的最新进展。密度泛函理论的发展以寻找合适的交换相关近似为主线,从最初的局域密度近似、广义梯度近似到现在的非局域泛函、自相互作用修正,多种泛函形式的相继出现使得密度泛函理论可以提供越来越精确的计算结果。除了交换相关近似的发展,近年来密度泛函理论向含时理论、相对论等方面的扩展也很活跃。另外,在密度泛函理论体系发展的同时,相应的数值计算方法的发展也非常迅速。从古老的有限差分、有限元到新兴的小波分析都被用来实现密度泛函理论的数值计算。与此同时,线性标度的密度泛函理论算法日趋成熟,使得通过密度泛函理论研究诸如生物大分子之类的体系成为可能。随着密度泛函理论本身及其数值方法的发展,它的应用也越来越广泛,一些新的应用领域和研究方向不断涌现。

关键词： 密度泛函理论, 第一性原理, 含时密度泛函, 小波基组, 线性标度算法, 弱作用系统, 激发态

Recent progress in density functional theory (DFT) and its numerical methods is briefly reviewed. Find2 ing good approximation for exchange2correlation function is one of the main targets in DFT. With the development of mod2 ern functionals , DFT leads to more and more accurate results. In addition , extensions of DFT to the time dependent case and relativistic limit are also active topics. Along with the progress in DFT itself , the development of corresponding nu2 merical methods is also rapid. From the traditional finite difference (FD) , finite element (FE) to novel wavelet bases , many techniques are used to pursue efficient and accurate DFT calculations. Meanwhile , the linear scaling algorithms of DFT are getting mature , which makes the application of DFT to large systems such as biological macro molecules become possible. All the progress leads DFT applicable to a broad range of problems. This trend is illustrated by some examples at the end of this article.

Key words: density functional theory (DFT), first principles, time2dependent DFT (TDDFT), wavelet, linear scaling algorithms, weak bound system, excited state

中图分类号: 

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[ 1] Waldrop M M. Complexity : the Emerging Science at the Edge of Order and Chaos. New York : Simon &Schuster , 1992. 1 —50
[ 2] Gallagher R , Appenzeller T. Science , 1999 , 284 : 87 —109
[ 3] Chai L H. 1st Cross-Strait Conference on Statistical Physics ,2003. 133 —135
[ 4] Weinan E , Ming P B. J . of Computational Mathematics , 2004 ,22 : 210 —219
[ 5] Weinan E , Engquist B , Huang Z Y. Phys. Rev. B , 2003 , 67 :No. 092101
[ 6] 胥建龙(Xu J L) , 唐志平(Tang Z P) . 计算物理(Computational Physics) , 2003 , 20 : 477 —482
[ 7] 马坚伟(Ma J W) , 朱亚平(Zhu Y P) , 杨慧珠(Yang H Z) 等.计算力学学报(Chinese Journal of Computational Mechanics) ,2002 , 19 : 379 —383
[ 8] 张勇(Zhang Y) , Fogg G E. 中国科学E 辑(Science in China E) , 2003 : 783 —795
[ 9] 张洪武(Zhang H W) , 王鲲鹏(Wang K P) . 复合材料学报(Acta Materiae Compositae Sinica) , 2003 , 20 : 60 —66
[10] Glimm J , Sharp D H. 力学进展(Advances in Mechanics) ,1998 , 28 : 545 —551
[11] Oden J T , Vemaganti K, Moes N. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering , 1999 , 172 : 3 —25
[12] Onate E. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering , 2003 , 192 : 3043 —3059
[13] Guo Z X, Pettifor D , Kubin L , et al . Materials Science and Engineering A2Structural Materials Properties Microstructure and Processing , 2004 , 365 : 1 —1
[14] Ghoniem N M, Busso E P , et al . Philosophical Magazine , 2003 ,83 : 3475 —3528
[15] 曹礼群(Cao L Q) . 世界科技研究与发展(World Sci-Tech R &D) , 2002 , 24(6) : 23 —30
[16] 马坚伟(Ma J W) , 杨慧珠(Yang H Z) , 朱亚平(Zhu Y P) . 物理学报(Acta Physica Sinica) , 2001 , 50 : 1415 —1420
[17] 郭雅芳(Guo Y F) , 王崇愚(Wang C Y) . 材料导报(Materials Review) , 2001 , 15 : 9 —11
[18] 佘振苏(She Z S) . 中国科学基金(Science Foundation in China) , 2000 , 14 : 354 —355
[19] 罗剑兰(Luo J L) , 曹礼群(Cao L Q) . 工程热物理学报(Journal of Engineering Thermophysics) , 2002 , 23 : 617 —619
[20] 高智( Kao Z) . 自然科学进展( Progress in Natural Science) ,2003 , 13 : 1147 —1153
[21] Biferale L. Annual Review of Fluid Mechanics , 2003 , 35 : 441 —468
[22] Jendrejack R M, de Pablo J J , Graham M D. Journal of Non2Newtonian Fluid Mechanics , 2002 , 108 : 123 —142
[23] 王夔(Wang K) . 自然科学进展( Progress in Natural Science) ,2000 , 10 : 693 —697
[24] 柴立和(Chai L H) , 彭晓峰(Peng X F) . 化学进展(Progress in Chemistry) , 2003 , 16 : 169 —173
[25] Li J , Kwauk M. Chemical Engineering Science , 2003 , 58 : 521 —535
[26] Li J H , Kwauk M. Industrial & Engineering Chemistry Research ,2001 , 40 : 4227 —4237
[27] 郭慕孙( Kwauk M S) , 李静海(Li J H) . 自然科学进展(Progress in Natural Science) , 2000 , 10 : 1078 —1082
[28] 李静海(Li J H) , 郭慕孙( Kwauk M S) . 自然科学进展(Progress in Natural Science) , 1999 , 9 : 1073 —1078
[29] 李静海(Li J H) . 中国科学B 辑(Science in China B) , 1992 ,00B : 1127 —1136
[30] 李静海(Li J H) , 郭慕孙( Kwauk M S) . 化学工程(Chemical Engineering) , 1992 , 20 : 26 —29
[31] 孙宏伟(Sun H W) . 化工进展(Chemical Industry and Engineering Progress) , 2003 , 22 : 224 —227
[32] Raimondeau S , Vlachos D G. Chemical Engineering Journal ,2002 , 90 : 3 —23
[33] 韩志超(Han Z C) , 严大东( Yan D D) , 董建华(Dong J H) .中国基础科学(China Basic Science) , 2003 , 6 : 25 —29
[34] Kremer K, Muller-Plathe F. Molecular Simulation , 2002 , 28 (8/9) : 729 —750
[35] Muller-Plathe F. ChemPhysChem, 2002 , 3 : 754 —769
[36] Dollet A. Surface &Coatings Technology , 2004 , 177 : 245 —251
[37] 胡英(Hu Y) , 刘洪来(Liu H L) , 叶汝强( Ye R Q) . 大学化学(University Chemistry) , 2002 , 17 : 12 —20
[38] 王夔(Wang K) . 中国科学基金(Science Foundation in China) ,2002 , 16 : 219 —222
[39] 王夔(Wang K) . 大学化学(University Chemistry) , 2001 , 16 :7 —12
[40] 梁文平(Liang W P) , 王夔(Wang K) . 中国基础科学(China Basic Science) , 2000 , 5 : 34 —41
[41] Russell C T. Advances in Space Research , 30 : 2647 —2656
[42] DeRosa M L , Gilman P A , Toomre J . Astrophysical Journal ,2002 , 581 : 1356 —1374
[43] Grossi L , Zurlini G, Rossi O. Environmental and Ecological Statistics , 2001 , 8 : 253 —267
[44] 王艳慧(Wang Y H) , 陈军(Chen J ) , 蒋捷(Jiang J ) . 中国矿业大学学报(J . China Univ. Mining & Tech. ) , 2003 , 32 :376 —382
[45] 岳天祥(Yue T X) , 刘纪远(Liu J Y) . 第四纪研究(Quaternary Sci . ) , 2003 , 23 : 256 —261
[46] 柴立和(Chai L H) , 郎铁柱(Lang T Z) . 自然杂志(Natural Journal) , 2004 , 26 : 98 —102
[47] 吕一河(Lu Y H) , 傅伯杰(Fu B J ) . 生态学报(Acta Ecological Sinica) , 2001 , 21 : 2096 —2105
[48] Brown J H , Gupta V K, Li B L , et al . Phil . Trans. R. Soc.Lond. B , 2002 , 357 (1421) : 619 —626
[49] Kessler M A , Werner B T. Science , 2003 , 299 : 380 —383
[50] Lankas F , Sponer J , Cheatham T E , et al . Biophysical Journal ,2003 , 84(2) : 143A —143A pt . 2 suppl .
[51] Demongeot J , Bezy-Wendling J , Mattes J , et al . Proceedings of the IEEE , 2003 , 91 : 1723 —1737
[52] Bessey K M. Ecosystems , 2002 , 5(4) : 360 —375
[53] Toroczkai Z , Bassler K E. Nature , 2004 , 428 : 716 —716
[54] Ahl V , Allen T F H. Hierarchy Theory. New York : Columbia University Press , 1996
[55] Toda M, Kubo R , Saito N. Statistical Physics I. Berlin : Spring er , 1992
[56] Meakin P. Fractals , Scaling , and Growth Far from Equilibrium.Cambridge : Cambridge University Press , 2000
[57] 柴立和(Chai L H) , 马德刚(Ma D G) . 天津大学学报(Journal of Tianjin University) , 2004 , 16 : 169 —173
[58] Skar J , Coveney P V. Phil . Trans. R. Soc. Lond. A , 2003 ,361 : 1047 —1313
[59] Martys N S , Hagedorn J G. Materials and Structures , 2002 , 35 :650 —658
[60] Filippova O , Succi S , Mazzocco F , et al . Journal of Computation al Physics , 2001 , 170 : 812 —829
[61] Kang Q H , Zhang D X, Chen S Y. Phys. Rev. E , 2002 , 66 :No. 056307
[62] Succi S , Filippova O , Smith G, et al . Computing in Science &Engineering , 2001 , 3 : 26 —37
[63] De Fabritiis G D , Coveney P V , Flekkoy E G. Phil . Trans. R.Soc. Lond. A , 2002 , 360 : 317 —331
[64] Israeli N , Goldenfeld N. Phys. Rev. Lett . , 2004 , 92 : No.074105
[65] Chen L Y, Goldenfeld N , Oono Y. Phys. Rev. E , 1996 , 54 :376 —394
[66] 高木隆司(Tagagi R) . 形の数理(Science of Form) . Tokyo : To kyo Publishing House , 1992
[67] Chai L H , Shoji M. ASME J . Heat Transfer , 2002 , 124 : 507 —515
[68] Haken H. Information and Self2Organization. Berlin : Springer ,2000
[1] 张晓菲, 李燊昊, 汪震, 闫健, 刘家琴, 吴玉程. 第一性原理计算应用于锂硫电池研究的评述[J]. 化学进展, 2023, 35(3): 375-389.
[2] 张业文, 杨青青, 周策峰, 李平, 陈润锋. 热激活延迟荧光材料的光物理行为及性能预测[J]. 化学进展, 2022, 34(10): 2146-2158.
[3] 孔龙娟, 李晖*. 衬底调制下的硼墨烯、硅烯、锗烯等单元素二维材料的原子与电子结构[J]. 化学进展, 2017, 29(4): 337-347.
[4] 郄佳, 李明, 刘利, 梁英华, 崔文权*. g-C3N4光催化材料的第一性原理研究[J]. 化学进展, 2016, 28(10): 1569-1577.
[5] 田志美, 刘汪丹, 程龙玖. 硫醇保护金团簇的实验和理论研究现状[J]. 化学进展, 2015, 27(12): 1743-1753.
[6] 刘少名, 于波, 张文强, 朱建新, 翟玉春, 陈靖. 原子尺度研究固体氧化物池氧电极中氧迁移规律[J]. 化学进展, 2014, 26(09): 1570-1585.
[7] 张颖, 徐昕*. 新一代密度泛函方法XYG3[J]. 化学进展, 2012, 24(06): 1023-1037.
[8] 蒋鸿*. 带隙问题:第一性原理电子能带理论研究现状[J]. 化学进展, 2012, 24(06): 910-927.
[9] 花伟杰, 高斌, 罗毅*. 软X射线光谱的第一性原理模拟[J]. 化学进展, 2012, 24(06): 964-980.
[10] 刘亚军*. 计算光化学[J]. 化学进展, 2012, 24(06): 950-956.
[11] 马玉臣*, 刘成卜. 研究激发态的多体格林函数理论[J]. 化学进展, 2012, 24(06): 981-1000.
[12] 苏静, 李隽. 锕系化合物荧光光谱理论研究进展[J]. 化学进展, 2011, 23(7): 1329-1337.
[13] 王东琪, Wilfred F. van Gunsteren. 锕系计算化学进展[J]. 化学进展, 2011, 23(7): 1566-1581.
[14] 朱崇强 杨春晖 孙亮. 非线性光学晶体CdGeAs2点缺陷的研究*[J]. 化学进展, 2010, 22(0203): 315-321.
[15] 徐宇虹,尹鸽平,左朋建. 锂离子电池正极材料的第一性原理研究进展[J]. 化学进展, 2008, 20(11): 1827-1833.