±K«×ªx¨ç²z½×ªº¤èªk»PÀ³¥Î¡X CASTEP ­pºâ
 
 
 
 
 
 
 
 

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²H¦¿¤j¾Çª«²z¨t
 
 
 
 
 
 

¡]¥¼¸g§@ªÌ¦P·N¤£±oÂà¸ü¡^
 
 
 
 
 
 
 
 

¨Ï¥Î¹q¸£¼ÒÀÀ¨Ó¶i¦æ§÷®Æ³]­p





ÀuÂI¡G¡]¤@¡^¤£¨ü¹êÅç±ø¥óªº­­¨î¡B¡]¤G¡^²¤Æ¬ã¨sªºÅܦ]

¯ÊÂI¡G¥²¶·¨Ï¥Î¨¬°÷ºë½Tªºª«²z©w«ß
 
 

¦]¦¹¡A¥Ø«e¹q¸£¼ÒÀÀªº§÷®Æ³]­p¨«¦V¨â­ÓÁͶաG

¡]¤@¡^±Ä¨ú·LÆ[¤Ø«×¡]¦]¬°ª«½è¥Ñ­ì¤lºc¦¨¡^¡B

¡]¤G¡^¨Ï¥Î¶q¤l¤O¾Ç¡]¤~¯à¥¿½T´y­z¹q¤l¦æ¬°¥H¤Î¥Ñ¨ä©Ò¨M©wªº¾÷±ñ¡B¶Ç¿é¡B¥ú¾Ç¡BºÏ¾Çµ¥©Ê½è¡^
 
 
 

¤]´N¬O»¡¡A­ì¤l¤§¶¡ªº§@¥Î¤O¥H¤Î§÷®Æ©Òªí²{ªºª«©Ê¡A§Ú­Ì³£§Æ±æ¯à¡]¤£­É§U¹êÅçµ²ªG¡^³z¹L²Ä¤@­ì²z¤èªk¨Ó¹F¨ì¡C
 
 



±K«×ªx¨ç²z½× »P ³æ¤@²É¤lÁ§¤B®æ¤èµ{¦¡




¤@­Óí©wºA¡]»P®É¶¡µLÃö¡^ªº³æ¤@²É¤lÁ§¤B®æ¤èµ{¦¡¥iªí¥Ü¬°¤@­Ó¥»¼x­È°ÝÃD¡]¼È²¤°Ê¯à¶µªº h/2m¡^¡A
 
 

H Y(r) = E Y(r)

[-¡¾2 + V] Y(r) = E Y(r)





¦hÅé¶q¤l¨t²Î ¡]¦pÂù¹q¤lªºÁ§¤B®æ¤èµ{¦¡¡^¡G

¡e-¡¾12  - ¡¾22 + V(r1, r2)¡fY(r1, r2) = E Y(r1, r2)

¦b´¶¹Mªºª¬ªp¤U¡AV(r1, r2) ùتº r1, r2 ¬OµLªk¤ÀÂ÷Åܼƪº¡A¦]¦¹¡A§Y«K²³æ¦pÂù¹q¤lªºÁ§¤B®æ¤èµ{¦¡´N¤v¸g¨S¦³¸ÑªR¸Ñ¤F¡C¦Ó¥ô¦óªº­pºâ§÷®Æªº¶q¤l¤O¾Ç°ÝÃD¡A³£»Ý­n³B²z¤j¶q¼Æ¥Øªº¹q¤l¡C
 
 







±K«×ªx¨ç²z½×¡]Density Functional Theory¡GDFT¡^



¶q¤l¤O¾Ç§i¶D§Ú­Ì¥u­nª¾¹DÁ`ªi¨ç¼Æ«K¥i¥H¨M©w¨t²ÎªºÁ`¯à¶q

E[Y(r1, r2, r3, ..., rN)]

¦Ó Hohenberg ¤Î Kohn «hÃÒ©ú¤F¦hÅé¨t²Î°òºAªº¨â­Ó­«­n©Ê½è¡Aºc¦¨©Ò¿×ªº Hohenberg-Kohn ©w²z¡C¥¦¦³¨â­Ó¥D­n³¯­z¡A¦p¤U¡G

­º¥ý¡]³¯­z¤@¡^¡A°òºAªºÁ`¯à¥i¥H¼g¦¨¬O¹q²ü±K«×ªºªx¨ç¡A¤]´N¬O»¡¡A¦s¦b

EG.S.[Y(r1, r2, r3, ..., rN)] ¡÷ EG.S.[r(r)]

³o¼Ëªº¹ïÀ³Ãö«Y¡C¦p¦¹·íµM¤j¤j¦a²¤Æ¤F¨D°òºAÁ`¯à°ÝÃDªº¦Û¥Ñ«×¡C

¨ä¦¸¡]³¯­z¤G¡^¡A­Y±N¤£¬O°òºAªº¹q²ü±K«× r(r) ¥N¤J¡A¤@©w·|¾É­P EG.S.[r(r)] ¡Ù  EG.S.[rG.S.(r)] ¡A¤]´N¬O»¡¡A¸ÓÁ`¯àªº¹q²ü±K«×ªx¨ç EG.S.[r(r)] º¡¨¬ÅܤÀ¾Ç­ì²z¡C

§Q¥Î¤W­z©Ê½è¡A§Ú­Ì·|·Q§Q¥Î¦UºØ¤èªk²q´ú r(r)¨Ã¥N¤J EG.S.[r(r)] ¨D­È¡A¥u­n¤@ª½¸Õ¨ì²£¥Í³Ì§Cªº¯à¶q¡A«h¸Ó¯à¶q«OÃÒ¬O°òºAªºÁ`¯à¡A¥B¸Ó¹q²ü¤À§G«OÃÒ¬O°òºAªº¹q²ü±K«×¤À§G¡C

¦b¦¹­n´£¿ô¤j®a¡A§Y¨Ï¥u¬OÀò±o°òºA¡A³£¤w¸g¨¬¥H¹w´ú«Ü¦h©Ê½è¤F¡C¨Ò¦p¡A¤À¤lªºÁäªø¡A®¶°ÊÀW²v¡A©TÅ骺´¹­MÃäªø¡B¼u©Ê«Y¼Æ±i¶q¡A¬Æ¦Ü¬O¤Æ¾ÇÁ䪺Â_µõ©Î¬O¥Í¦¨¡A¹ï¹q¤l¦Ó¨¥³£¬O°òºAªº©Ê½è¡C¦]¦¹¡A¯à¹w´ú¨t²Îªº°òºA¬O«D±`¦³¥Îªº¡C

¤Ñ¤U¨S¦³¥Õ¦Yªº¤ÈÀ\¡A±K«×ªx¨ç²z½×¡]©Î»¡ H-K ²z½×¡^¥uÃÒ©ú¤F EG.S.[r(r)] ¦s¦b¡A«o¨Ã¥¼µ¹¥X©ú½Tªº§Î¦¡©Î¤½¦¡¡C§Ú­Ì¦]¦¹¥u¯à¼g¤U EG.S.[r(r)] ªºªñ¦ü¡A¦b±N¤§¤À¶}¦¨°Ê¯à»P¦ì¯à¨â­Ó³¡¤À EG.S.[r(r)] = TG.S.[r(r)] + UG.S.[r(r)] ªº±¡ªp¤U¡A¨ä¤¤¥ÑÁ`¹q²ü±K«× r(r) ­n±o¨ì¦ì¯à UG.S.[r(r)] ¤ñ¸û®e©ö¡A®w­Û©w«ß§i³\§Ú­Ì¤@­Ó¹q²ü¤À§G¦bªÅ¶¡¤¤·|«Ø¥ß«ç»ò¼ËªºÀR¹q¦ì¶Õ¡FµM¦Ó¦P¼Ëµ¹©w¹q²ü¤À§G¦bªÅ¶¡¶¡ªº¨ç¼Æ¡A«o¨S¦³¤°»òª«²z©w«ß¯àºë½T§i³\§Ú­Ì°òºAªºÁ`°Ê¯à TG.S.[r(r)] ¡C¨ä¹ê¡Aª«²z¾Ç®a¦b§ó¦­´N¤w¸g¸Õ¹Ïªñ¦ü³o¤@¶µ¡A¹³´öº¿¤h¡X¶O¦Ì¼Ò«¬¡A¨ä°Ê¯àªx¨ç T[r] ¨Ï¥Î¦Û¥Ñ¹q¤l®ðªº kF = (2/3) r(1/3) ¡A¦A³z¹L kF2¨ÓÀò±o¤@­Ó²ÊÁWªº°Ê¯à­È¡C¦p¦¹¡AÁ`ºâ¬O¦³¤@­Ó©ú½Tªºªx¨ç¥i¥H§â r(r) ¥N¶i¥h¨D­È¡CµM¦Ó¡A¥¦¹ï§÷®Æª«©Êªº¹w´ú¤W¨Ã¤£²z·Q¡C
 
 

Kohn-Sham ¤èªk

¡]I¡G°Ê¯àªx¨ç»P Kohn-Sham ­y°ì¡^

¤@­Ó¦h¹q¤l¨t²Îªº°òºAÁ`¯àªx¨ç¡A­ì¥i¥H¬Ý¦¨¥Ñ¥H¤U¤T¶µªx¨ç©Òºc¦¨¡G

E[r] = Tm[r] + Eee[r] + Eext[r]

¨ä¤¤ Tm[r] ¬O°Ê¯à¡A¬Û·í©ó ¡qY(r1,r2,...) | 1/2 Si ¡¾i2 | Y(r1,r2,...)¡r ¨ä±K«×ªx¨çªº§Î¦¡¬O¥¼ª¾¡FEee[r] ¬O¹q¤l¹ï¹q¤l¥æ¤¬§@¥Î¯à¡A¬Û·í©ó ¡qY(r1,r2,...) | Sij 1 / |ri-rj| | Y(r1,r2,...)¡r ¬G¨ä±K«×ªx¨çªº§Î¦¡¤]¬O¥¼ª¾¡F¦Ü©ó¦Ó Eext[r] «h¬O¥~¬É¬I¥[¤§¦ì¶Õ¦¹²É¤l±K«×¤À§G©ÒÀò±o¤§¯à¶q¡A¬Û·í©ó ¡ìVext(r) r(r) d3r¡A¨ä¤¤ Vext(r) ¨Ì­Ó§O°ÝÃD¦Óµ¹©w¡A¬G¦¹¶µªx¨ç¤§§Î¦¡¬°¤vª¾¡C

Kohn »P Sham °w¹ï Tm[r] »P Eee[r] ùØ¡Aª«²z¾Ç®a¤v¸gª¾¹D¦³¤½¦¡¥i´y­zªº®ÄÀ³³¡¤À¡A©âÂ÷¥X¤F¦U²É¤l¦b¿W¦Û¹B°Ê®ÉªºÁ`°Ê¯à Ts[r] ¡A¥H¤Î¥j¨åÀR¹q¤À§Gªº®w­Û¦ì¯à EH[r] ¡A¦Ü©ó Tm[r] »P Eee[r] ³Ñ¤Uªº³¡¤À¡A«h¦X¨Ö¦b¤@°_ºÙ¬°¥æ´«¬Û¤z¯à Exc[r] ¡C

E[r] = Ts[r] + Exc[r] + EH[r] + Eext[r]

¦p¦¹¤@¨Ó¡A°£¤F Exc[r] ¤§¥~¡A¦Uªx¨ç¶µ´N³£¦³©ú½Tªº¤½¦¡¥i¥Î¤F¡A¨ä¤¤ Ts[r] ªº³¡¤À¬O

Ts[r] = 1/2 Si¡ìYi*(r) ¡¾2 Yi(r) d3r

¨ä¤¤

r(r) = Si |Yi(r)|2

¨Ã¥²¶·º¡¨¬Âk¤@¤Æ±ø¥ó

N = ¡ìr(r) dr = Si¡ìYi*(r) Yi(r) d3r

ª`·N³oùØ©Ò¼g¥Xªº Yi(r) ¬O³æ¿W²É¤lªºªi¨ç¼Æ¡A¤£¬O¥ý«e©Ò©w¸qªº¨t²ÎÁ`ªi¨ç¼Æ Y(r1, r2, r3, ..., rN)¡A³o¨Ç Yi(r) ¤S³QºÙ§@¬O Kohn-Sham ­y°ì¡CH-K ©w²z©ñ±ó¨Ï¥ÎÁ`ªi¨ç¼Æ§@¦ÛÅܼƨӨÏÁ`¯àªx¨ç²¤Æ¡A¦ý K-S ¤èªk¬°¤F¨D±o¸ûºë½Tªº°Ê¯à¤S¤Þ¤J³æ²É¤lªi¨ç¼Æ©ó°Ê¯àªx¨ç¤¤¡]²¦³º¥Î¶O¦Ì°Ê¶q¨Óªñ¦ü°Ê¯à»~®t¤Ó¤j¤F¡^¡A¥i»¡¬O¤@ºØ¥H°h¬°¶iªºµ¦²¤¡C
 
 

¡]II¡G¥æ´«¬Û¤z¯àªº§½°ì±K«×ªñ¦ü¡^

¥t¥~¡A¥j¨åÀR¹q¦ì¯à EH[r] ªº³¡¤À«h¬O¡G

EH[r] = ¡ìr(r') r(r) / |r' - r| d3r' d3r = ¡ìVH(r) r(r) d3r

¨ä¤¤ VH(r) = ¡ìr(r') / |r' - r| d3r' ¡AºÙ§@ Hatree energy¡A¬O§Ú­Ì¼ô±xªºÀR¹q®w­Û¦ì¶Õ¡C³Ì²³æªº«h¬O¥~¥[¦ì¶Õ¼vÅT¤Uªº¦ì¯à¡A¨ä¹q²ü±K«×ªºªx¨ç¥i¼g¬°

Eext[r] = ¡ìVext(r) r(r) d3r

³Ì«á¡A§Y«K¤£ª¾¹D¤½¦¡ªº±¡ªp¤U¡A§Ú­Ì¤@¼Ë¥i¥H©w¸qÃþ¦ü¦ì¶Õªº exc[r(r)]¡]exchange-correlation energy per particle¡^¡A¦p¤U¡G

Exc[r] ¡Ý ¡ìexc[r(r)] r(r) d3r

¦b¦¹ exc[r(r)] ¤´¬O¥¼ª¾ªº¡AKohn-Sham ¤èªkùتº²Ä¤G¤j­«ÂI¡A´N¬O°w¹ï¥æ´«¬Û¤z®ÄÀ³¥[¥Hªñ¦ü¡A

exc[ r(r) ]  ¡q¥¼ª¾¡r ¡ã  excLDA( r(r) ) ¡qªñ¦ü¡r

±qªx¨ç¡]¨ç¼Æªº¨ç¼Æ¡^ªñ¦ü¦¨´¶³qªº¨ç¼Æ

³o¬Û·í©ó¦bÁ¿¡A­ì¥»»Ý­nª¾¹D¾ã­Ó r(r) ¨ç¼Æ¤À§G¤~ª¾¹DªÅ¶¡¤¤¦UÂIªº exc ¤j¤p¡A²{¦bªñ¦ü¦¨¥u­nµ¹©w¦ì¸m r0¡A¥N¤J r(r) ±o¨ì¸Ó¦ì¸mªº r0¡A´N¥i¥H±o¨ì¸Ó¦ì¸mªº excLDA ­È¡C¤]´N¬O»¡¡A exc ¤j¤p¥u¸ò¨º­Ó¦ì¸mªº¹q²ü±K«×¤j¤p¦³Ãö¡A¦]¦¹³Q¥s§@¬O§½°ì±K«×ªñ¦ü¡]Local Density Approximation¡^¡A²ºÙ LDA¡C

¤j®a¥i¯à·|·Q¨ì¡A¬JµM exc[ r(r) ]  ¬O¥¼ª¾¡A¨º excLDA( r(r) ) ¤@¼Ë¤]¬O¥¼ª¾¡A¦¹¤@°ÝÃDªº¸Ñ¨M¡A¬O³z¹L¡]¥H¶q¤l»X¦a¥dù¤èªk¡^­pºâ¦UºØ¤£¦P±K«× r ¤§¤Uªº§¡¤Ã¹q¤l®ðÅ骺°òºAÁ`¯à¡A§Y«e­z¤§ E[r(r)] ¡]§¡¤Ã¹q¤l®ðÅ骺°òºA¹q²ü¤À§G¤]¬O§¡¤Ãªº¡A¬G r ¬O±`¼Æ¨ç¼Æ¡^¡C±o E[r] ¤§«á¡A´î¥h¥i¥Ñ±K«×¨D±o¤§Ts[r] ¡BEH[r] ¡B¤Î Eext[r] ¡A³Ñ¤Uªº§Y¬O Exc[r]¡C¦p¦¹¡A¤£¦P±`¼Æ r ­È©Ò¹ïÀ³¤§ Exc[r] ©ó¬O«Ø¥ß¡A¦n¹³¬O¬dªíªº°Ê§@¡A¹ê¥Î¤W«h¬OÀÀ¦X¦¨¤@­Ó°Ñ¼Æ¦¡¡C³o¼Ë¤@¨Ó¡AÁ`¯àªx¨çªº¨C¤@¶µ´N³£¦³©ú½Tªº¤½¦¡¡A§Ú­Ì¤]´N¥i¥H°w¹ï¤£¦P Vext(r) ¨Ó²q r(r) ¨D·¥¤p¡]°òºA¡^¤F¡C
 
 


¡]III¡Gªx¨ç·L¤À¨D®Ú¤Î Kohn-Sham ¤èµ{¦¡¡^

²{¦b¡A§Ú­Ì­n°Ý¤°»ò¼Ëªº r(r)¡]¤]´N¬O»¡ {Yi(r), i=1,2,...,N}¡^·|¨Ï E[r(r)] ³Ì¤p¡]«h r(r) ´N¬O°òºAªº¹q²ü¤À§G¡A¥B E[r(r)] ´N·|¬O°òºA¯à¶q¡^¡CÀH«K¶Ã²q¤£¨£±o¯à±o¨ì³Ì¤p¡A¦a´à¦¡·j¯Á¤]Ãø«O¨S¦³¿ò¯]¤§¾Ñ¡C¦^·Q¦b¼Æ¾Ç¤W·Qª¾¹D¤°»ò¼Ëªº x ­È·|Åý¨ç¼Æ f(x) ³Ì¤p®É¡A³Ì¤è«Kªº¤èªk´N¬OÅé»{¨ì¨ç¼Æ¦b¨ä·¥­È®É¨ä±×²v¬°¹s¡]·íµM§Ú­Ì½Íªº¥²¶·¬O¥­·Æ¨ç¼Æ¡^¡C§Ú­Ì·|±N¨ä¤@¶¥¾É¼Æ f'(x) ¥O¬°¹s¨Ó¨D¸Ñ x¡C

¦b¦¹§Ú­Ì­n°w¹ïÁ`¯àªx¨ç§ä·¥¤p¡A¥Îªº¤]¬O¥O±×²v¬°¹s¨D¸Ñªºµ¦²¤¡A¥u¤£¹Lªx¨ç¨D¾É¼Æ¤ñ¤@¯ë¨ç¼Æ¨D¾É¼Æµy·L½ÆÂø¤@ÂI¡A¨ä¹ê°ò¥»ªº­ì²z¬O¤@¼Ëªº¡Cªx¨ç·L¤Àªº¤½¦¡¤ÎÃÒ©ú¥i¨£©ó¤@¯ëªx¨ç·L¿n¤À©Î¬Oª«²z¼Æ¾Ç¤¤ªºÅܤÀ¾Ç³¹¸`¡A¦b¦¹§Ú­Ì·|¥Î¨ìªº§Î¦¡«ê¦n¬O³Ì²³æªº§Î¦¡¡A¥i¦P¡§¥h±¼¿n¤À¡A¨ç¼Æ¤Ö¤@­Ó¡¨¤f³Z¨Ó®M¥Î¡C

°w¹ï E[r(r)] ¤¤ªº¦U¶µ¡A¹ï Yi*(r) ÅܤÀªºµ²ªG¡A¦p¤U¡G¡] Yi(r) ¬O½Æ¼Æ­È¨ç¼Æ¡A¬Û·í©ó a(r) + b(r) i ¡A¦³¨â­Ó¦Û¥Ñ«×¡A¦]¦¹¤]¥i¥H¤è«K¦a§â Yi*(r) »P Yi(r) ¬Ý¦¨¬O¨â­Ó¿W¥ß¨ç¼Æ¡^

d Ts[r] / d Yi*(r) = 1/2 ¡¾2 Yi(r)

d EH[r] / d Yi*(r) = VH(r) Yi(r)

d Eext[r] / d Yi*(r) = Vext(r) Yi(r)

d Exc[r] / d Yi*(r) = {d Exc[r] / d r } {dr / d Yi*(r)}
¡Ý Vxc(r) Yi(r)

¨ä¹ê¡AÁ`¯à§ä·¥¤pªº°ÝÃD¬Û·í©ó¬O¦b¦³¬ù¨î±ø¥ó¡]constraint¡^¤Uªº·¥¤p¤Æ°ÝÃD¡A¦]¦¹¥²¶·°O±o§â¬ù¨î±ø¥óªº³¡¤À¥H Lagrange Multiplier ªº¤è¦¡¤Þ¤J¡]¦^¾Ð°µ¤O¾Ç²ßÃD®É¡A¦Û¥Ñ¸¨Åé»Pªu±×­±¤U·Æ¤§ª«Åé¨âºØª¬ªp¨ä¨D§@¥Î¶q¤§³Ì¤p®Éªº§@ªk¤£¦P¡^¡C¦b¦¹°ÝÃD¤¤¬ù¨î±ø¥ó¬O¤°»ò©O¡H´N¬Oªi¨ç¼ÆªºÂk¤@¤Æ±ø¥ó N = ¡ìr(r) dr = Si¡ìYi*(r) Yi(r) d3r¡C¦]¦¹¡A¦b¥Î¤W¤F Lagrange Multiplier l ªº±¡ªp¤U¡G

d lN / d Yi*(r) = l Yi(r)

ºî¦X¤W¦¡¦U¶µ¡A¥O±×²vµ¥©ó¹s¡A¨Ã±N l = - Ei¡A«h±o

[H - Ei] Yi = [1/2¡¾2 +  VH + Vext + Vxc - Ei] Yi
= [1/2 ¡¾2 + ¡ìr(r') / |r' - r| d3r' + Vext + Vxc - Ei] Y : = 0

³o¬O¤@­Ó·L¤À¤èµ{¦¡«¬ªº¥»¼x­È°ÝÃD¡A¥i¨D¸Ñ¦U­Ó Ei ¤Î Yi ¡C³q±`¦b¼Æ­È¨D¸Ñ¶q¤l¤O¾Ç°ÝÃDªº³õ¦X¡A¬O¥Î¦³­­­Ó¥¿¥æ°ò©³¨ç¼Æ®i¶}ªi¨ç¼Æ Yi¡]®i¶}¤§«Y¼Æ¦V¶q¬° yi¡^¡A§â­ì¦¡¤Æ¬°¤@­Ó¯x°}¤èµ{¦¡°ÝÃD¡A§Y

[H] yi = Ei yi

 
 

§O§Ñ¤F¦b [H] ¤§¤¤¦³¦n´XºØ¦ì¶Õ³£¬O r ªº¨ç¼Æ¡A¦b¤@¶}©l©|¥¼ª¾¹D¦U Yi ®É¡A¥¿½Tªº r ¤]¬OµL±q±oª¾¡A¥²¶·¥ý²q¤@²Õ Yi(1) ¨ÓÀò±o r(1)¡A¸Ñ¥X Yi(2) «á¦A¦AÀò±o r(2)¡A¤@ª½°µ¨ì r(n) = r(n+1) ¬°¤î¡A³o¥s§@¦Û¬¢³õ¡]Self Consistant Feild : SCF¡^­pºâ¡C¥¿¦]¬°¤@¶}©l r¡]¤]´N¬O»¡ [H]¡^¤£¤@©w¬O¹ïªº¡A¦]¦¹³Ì¦nÁקK¦b³oºØ±¡ªp¤U¶i¦æ¹Bºâ¥N»ù¸û°ªªº¯x°}¹ï¨¤¤Æ¡A¦Ó¬O¨Ï¥Î­¡¥N·¥¤p¤Æ¡]Iterative Minimisation¡^ ¸û¦³®Ä²v¡C
 
 

 


§Q¥Î±è«×§ä·¥¤p

¦]¬°¬O°òºA¡A§Ú­Ì©Ò­n¨D¸Ñªº³o¤@²Õ Kohn-Sham ªi¨ç¼Æ¡A±N¨ÏªºÁ`¯àªº´Á±æ­È¹F¨ì³Ì¤p¡C«e­±½Í¨ì­n¥ý²q´ú¤@²Õªì©lªº Kohn-Sham ªi¨ç¼Æ¦A¶}©l¸Ñ¦ÛËϳõªº°ÝÃD¡A·íµM¬O·¥µL¥i¯à¤@¶}©l«K²q¤¤¨ä¸Ñ¡A©Ò©¯¡A§Y¨Ï¨S¦³²q¨ì¡AKohn-Sham ¤èµ{ªº Hamiltonian ¤]·|Åý§Ú­Ì±o¨ì¥Hªi¨ç¼Æ¬°¦ÛÅܼƱ¡ªp¤U¤§Á`¯àªx¨çªº±×²v¡A³o¤D¬O¦]¬° d E[r] / d Yi*(r) ¨ã¦³±×²vªº·N¸q¡C¦]¦¹¡A¤@ºØ«Ü¦³®Äªº¤èªk¬O§â H Yi ¬Ý¦¨¬O±è«×¡A«ü¤Þ¥X¦bªi¨ç¼Æªº²ÕºAªÅ¶¡¤¤ Yi ­n¦p¦ó§ïÅÜ¡A¤~¯àÁͦV¨ÏÁ`¯à¶q³Ì¤pªºªi¨ç¼Æ¡C¦b¦¹¨S¦³¬Ý¨ì¨Ó¦Û¬ù¨î±ø¥óªº E Yi¡A³o¬O¦]¬°¦b¼Æ­È¹Bºâªº¹Lµ{¤¤¡A§Ú­Ì¥i¥H³z¹L¤£Â_¦a¶i¦æÂk¤@¤Æ¡A©ú½T¦a½á¤©ªi¨ç¼Æº¡¨¬Âk¤@©Ê«OÃÒ¡A¬G Lagrange ¥¼©w­¼¤l¡]§Y E¡^¤£¥²¥X²{¦b³o­Ó§ä·¥¤pªº¼Æ­È°ÝÃD¤¤¡C

±o¨ì±è«×¤è¦V«á¡Aªu¸Ó¤è¦V¸Õ§@¤£¦P¨B´Tªº Yi ­×¥¿¥B¤ñ¸û¯à¶q¡A¿ï©w¨Ï¯à¶q¯à­°¨ì³Ì§Cªº¨B´T¤§«á¡A§âªi¨ç¼Æ§ó·s¨ì³o­Ó·sªº­È¡A¦A§ä·sªº±è«×¡A¦p¦¹©P¦Ó½Æ©l¡A¦p¤U¹Ï Steepest Decent ©Ò¥Ü¡Aµ{¦¡¥i¥H¤@¨B¤@¨B§ä¨ì¯à¶q·¥¤p³Bªº {Yi}¡C
 
 

³Ì§Ö¤U­°ªk »P ¦@³m±è«×ªk

¥u¾a±è«×ªº³Ì³t¤U­°ªk·í¦b¹J¨ì¯Uªøªº¯à¶q¦a§Î®É¡A®e©ö³y¦¨·j´M¤è¦¡¦b¤s¾À¨âÃä¨Ó¦^®¶Àú¡A¦p¤W¹Ï©Ò¥Ü¡C§Ú­Ì¤]¥i¥H¬Ý¥X¨â¦¸ªº±è«×¤è¦V¤§¶¡¥²©w§Î¦¨ª½¨¤¡A·|¶O¤@ÂIµê¥\¡Aµø°ÝÃDªº¥»½è¦Ó©w¡]­Y¯à¶q¦a§Î¬°¦P¤ß¶ê¡A«h§Y¨Ï±è«×¤è¦V¤]¯à¤@¦¸©R¤¤¡^¡C¦@³m±è«×·|°Ñ¦Ò«e¤@¨Bªº¤è¦V¦ÓÁקK¨«ª½¨¤¡A¨ãÅé¦Ó¨¥¡A¦@³m¹ï©ó¤@­Ó²z·Qªº N ºû©ßª«­±¡A¥u­n N ¦¸·j´M«K¥i¥H©R¤¤¥Ø¼Ð¡]¨£¤W¹Ï¨Ò¡A¤Gºû©ßª«­±¥u»Ý­n¨â¦¸¡C¸Ô¨£ Numerical Recipes¡^¡C¦]¦¹¦b¤v¸g§Ö±µªñ³Ì§CÂIªº®É­Ô¡A¨ºùتº¯à¶q¦a§Î·|¦]¶V±µªñ©ßª«­±¦Ó¦¬ÀĮĪG¶V¦n¡C
 
 
 
 

¹w¥ý½Õ¸`¡]Preconditioning¡^

ºâ²Å H ·|§@¥Î¦b¤£¦Pªº Kohn-Sham ªi¨ç¼Æ Yi ¦Ó±o¨ì¸Óªi¨ç¼Æ©ÒÀ³¹ïÀ³¨ìªº±è«×¤è¦V¡CµM¦Ó¡AH ¨ã¦³¯à¶qªºª«²z·N¸q¡A¦]¦¹¡]¯à±a¡^«ü¼Ð i ¸û°ªªººA¨ä±è«×·|³Q¤£¤½¥­¦a©ñ¤j¡A¦¹°ÝÃD¥i³z¹L¹w¥ý½Õ¸`ªº§Þ¥©¾¨¥i¯à½Õ¾ã¦¨§¡¤Ã¡C¤U¹Ï dY ¤Uª½±Æ½bÀYªí¥Ü¦U¯à±a i ¤§ªi¨ç¼Æ»P°òºAªi¨ç¼Æ¡]°²³]ª¾¹D¡^¤§»~®t¡A¦U­y°ì³Q H §@¥Î«á±o z¡A¦b½Õ¸`¹L«á¡A¬° h¡A¥i¨£­Y¥H h ¥h­×¥¿ Y¡A´N·|Åý¤U¤@´`Àôªº dY «Ü¤p¡C¦p¦¹±N´£ª@§ä·¥¤pªº®Ä¯à¡C


 
 
 
 
 
 

®Ä¯à¤ñ¸û
 

 

¾î¶b¬O­¡¥N¦¸¼Æ¡AÁa¶b¬O¦b¨º­Ó­¡¥N¦¸¼Æ©ÒÀò±oªºÁ`¯à»P³Ì²×¦¬ÀÄÁ`¯à­È¤§¶¡ªº®t¡Cª`·NÁa¶b¬O¹ï¼Æ®y¼Ð¡A­°¤@®æ¥Nªí±µªñ¤§ºë½Tµ{«×¦A¤U¤p¼ÆÂI¤@­Ó¦ì¼Æ¡C¥H¥ª¹Ï¬°¨Ò¡A±q²Ä 5 ¦¸­¡¥N¨ì²Ä 10 ¦¸­¡¥N¡A¦¬ÀĦì¼Æ¤À§O¬° 1 ¦ì¡B3 ¦ì¡B4 ¦ì¡A¥i¨£¸ûºë½oªººtºâªk©Ò¯à±a¨Óªº®Ä¯à´£ª@¬O«D±`¥iÆ[ªº¡C
 
 


 
 
 
 
 

Pseudopotential ¡]Ŭ¶Õ¡^¤Î¥­­±ªi°ò©³

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¬JµM¬O­n¼Ò¥é¯u¥¿ªº­ì¤l®Ö»P¤º¼h¹q¤l©Ò§Î¦¨ªº¦ì¶Õ¡A¨ä¤¤ªº¨â­Ó¤¤¤ß°ÝÃD¡A¦b©ó¬O§_¯à¥¿½TÀò±o¡G

¡]¤@¡^¶q¤lºAªº¯à¶¥¡A
¡]¤G¡^¹q¤l¶³ªº¤À§G¡C

¶q¤lºAªº¯à¶¥¨M©w¤F¹q¤lªº¥h³B¡]¹q²üÂಾ¡^¡A¦Ó¹q¤l¶³ªº¤À§Gªí²{¤F¤Æ¾ÇÁ䪺Ãþ«¬»P±j«×¡C³o¤]´N¬O¬°¤°»ò¥u­n¹F¨ì³o¨âÂI¡A°²ªºÂ÷¤l´N¥i¥H¼Ò¥é¯uªºÂ÷¤l¡C


 

Ŭ¶Õªº²£¥Í
 
 

¦p¹Ï¥Ü¡A¹ê½u¤À§O¬O¯u¹ê¦ì¶Õ Z/r »P All-electron »ù¹q¤lªi¨ç¼Æ Yv ¡A§Ú­Ì­n¨ú¶Z­ì¤l¤¤¤ß rc ³B¬°¹º¤ÀÂI¡Arc ¥H¤Wªi¨ç¼Æ§¹¥þ¤@¼Ë«O¯d¡A¦Ó rc ¥H¤º«h¹ïªi¨ç¼Æ¥[¥H§ï³y¡C¥D­n¬O­n§â®¶Àú¼@¯Pªºªi¨ç¼Æ§ï³y¥H¤@Ð×ÅܤƽwºCªºªi¨ç¼Æ¡A¦Ó¥¦¶·­n¬O¨S¦³¸`ÂIªº¡A¦pµê½uªº Ypseudo ©Ò¥Ü¡C¤Ö¤F¼@¯P®¶Àú¤£¦ý¤¹³\¥u¥H¬Û¹ï«Ü¤Öªº¥­­±ªi¨Ó®i¶}ªi¨ç¼Æ¡A¨S¦³¸`ÂIªº¡]®|¦V¡^ªi¨ç¼Æ¤]·N¨ýµÛ¨S¦³¤ñ¥¦¥»¼x­È§ó§Cªº¶q¤lºA¨Ó»P¥¦¥¿¥æ¡C¨D¸Ñ¤º¼h¹q¤lªº»Ý­n´N¦Û°Ê®ø¥¢¤F¡C§Ú­Ì°Ý¤°»ò¼Ëªº¤@­Ó°²ªº¦ì¶Õ¯à°÷¦b¦P¼Ëªº¥»¼x­Èªº±¡ªp¤Uµ¹¥X Ypseudo (Yps) ³o¼Ëªº»ù¹q¤lªñ¦ü¸Ñ¡A§Ú­Ì§â¥¦¥s°µ¬OŬ¶Õ Vpseudo (Vps)¡C¡]¥Ñ©ó Yv = Yps for r > rc¡A¬G V = Z/r for r > rc¡^


 
 

¤½¦¡

·í­ì¤l¦ì¶Õ¨ã¦³²y¹ïºÙ©Ê¡]§Y V(r) ¡Ý V(r,q,f) = V(r)¡^¡AÁ§¤B®æ¤èµ{¦¡¥i³Q¤ÀÂ÷ÅܼơA­ì¤l­y°ì«h¥i¼g¦¨®|¦Vªi¨ç¼Æ Rl(r) »P²y¿Ó¨ç¼Æ Ylm(q,f) ªº­¼¿n¡A¨ä¤¤®|¦Vªi¨ç¼Æ Fl(r) = rR(r) ¤Î­ì¤l­y°ìªº¥»¼x­È El ¥i±q¤U¦¡¡]¥»¼x­È°ÝÃD¡^¸Ñ±o¡G

¸Ñ±o El ¤Î Fl(r) «á¡A¿ï¨ú rc¡B§ï³y Fl(r) ¬° Fl,ps(r)¡A ¨Ã°Ý¦b¤°»ò¼ËªºÅ¬¶Õ Vl,ps(r) ¤§¤U¡A­ì¦¡¯à­«²{¥»¼x­È El ¤Î Fl,ps(r)¡A¤]´N¬O»¡ Vl,ps(r) º¡¨¬¤U¦¡¡G

ª`·N¤W¦¡¤£¦A¬O¸Ñ¤À¤èµ{ªº°ÝÃD¡A¥¼ª¾¨ç¼Æ¨Ã¥¼±a¦³¾É¼Æ²Å¸¹¡A¥u»Ý­n²¾¶µ´N¥i¥H±o¨ì Vl,ps(r) ¡C¡]²¾¶µªº¹Lµ{¤¤¦³°£¥H Fl,ps(r)¡A¦ý¥¦¨S¦³¸`ÂI©Ò¥H³B³B¤£¬°¹s¡A¼g¦b¤À¥À¨S¦³°ÝÃD¡C¡^
 
 

¦A²¤¬°¾ã²z¤@¤U¡A±o¤U¦¡¡]ª`·Nµ¥¸¹¥kÃ䪺¶q¥þ³¡³£¤vª¾¡A¦]¦¹Å¬¶Õ§¹¥þ¥i¥H©w¥X¡^¡G


 
 
 
 
 

¶g´Á©ÊÃä¬É±ø¥ó

 

Bloch ©w²z

»P®É¶¡µLÃöªºÁ§¤B®æ¤èµ{¦¡¥i¼g¦¨

HY = [T + V] Y = E Y

·í¦ì¶Õ¨ã¦³¶g´Á©Ê®É¡A¦p¨C¥­²¾¦V¶q R ®É¦ì¶Õ¤£ÅÜ

V(r+R) = V(r)

«h Bloch ©w²z§i³\§Ú­Ì¡A­ìÁ§¤B®æ¤èµ{¦¡ªº¸Ñ¤@©wº¡¨¬¥H¤Uªº¸û³æ§Î¦¡

Y(r) = u(r) eik¡Er

³o­Ó¬O·s¥X²{ªº°Ñ¼Æ¡A¤£¦P k ´N¾É­P¤£¦Pªº¸Ñ¡A¦]¦¹À³§¹¾ã©w¸q¦¨

Yk(r) = uk(r) eik¡Er

¨ä¤¤ uk(r) ¬O¶g´Á¨ç¼Æ

uk(r+R) = uk(r)
 
 

¦b³oùتº­«­nµ²ªG¬O¡A¥u»Ý­n­pºâ¤@­Ó´¹­M¡]´¹­M¦V¶q R¡^½d³ò¤§¤ºªº­ì¤l»P¹q¤l§Y¥i¡C


 
 

Super-cell ´X¦ó

¹ï©ó´¹Åé©Îªí­±µ¥¥»¨­«K¨ã¶g´Á©Êªº¨t²Î¡A¦ÛµM«D±`¤è«K¡A¦Ü©ó¹ï«D¶g´Á©Êªº¨t²Î¡A«h¶·±Ä°÷¤jªº super cell ¨Ï¤§¤À¶}¡]¦Ó³o­Ó super-cell ©Ò¨ãªº´¹­M¦V¶q´N¬O¤W¤@¤p¸`©ÒÁ¿ªº¥­²¾¶g´Á R¡^¡C¦p¹Ï¡G

 


 
 


 
 

¨ú super-cell ¤j¤pªº°ò¥»­n¥ó¬O¡A³Q¼ÒÀÀªº¿W¥ßª«¥ó­n¯à»P¨ä¥L super-cell ¤ºªº¶g´Á©Ê¼v¹³¹j±o°÷¶}¡A¦Ó¤£­P©ó¬Û¤¬¼vÅT¦Ó¦³«Dª«²zªºµ²ªG§Y¥i¡C

¦p¦¹¡A§Ú­Ì¥u¶·­n¸Ñ super-cell ªi¨ç¼Æ Yk(r) = uk(r) eik¡Er ¤¤ªº uk(r) ³¡¤À§Y¥i¡C¥Ñ©ó uk(r) ¬O¶g´Á©Ê¨ç¼Æ¡A¥i¥H«Ü¤è«K¦a¥H´I§Q¸­¯Å¼Æ®i¶}¡G

uk(r) = SG ck,G eiG¡Er

¥u»Ý­n¤Ö¼Æªº´X­Ó°ò©³¨ç¼Æ¡A´N¯à§â­ì¨ç¼Æªº¯S¼x­«²{±o¤£¿ù¡]­Y¬O­nºë½T¤@ÂI¡A«h¥i¥H¼W¥[®i¶}¨Ï¥Îªº°ò©³¨ç¼Æ¼Æ¥Ø¡^¡C¡q¤W¦¡ªº eiG¡Er ´N¬O¥­­±ªi°ò©³¨ç¼Æ¡r¤@¯ë¦Ó¨¥¡A¥­­±ªi°ò©³¼Æ¥Øªº»Ý¨DºÝµø¼ÒÀÀ¹ï¶HùØ­ÌŬ¶Õ¨Ó¨M©w¡A¦¹¤D¦]¤£¦PŬ¶Õ»ù¹q¤lªi¨ç¼Æ¨ä¥­·Æªºµ{«×¤£¦P¡A¬G©Ò»Ý¤§°ò©³¼Æ¤]¦³²§¡C  
 

 

 


 

ª½±µ­pºâ­ì¤lªº¨ü¤O

¬Y½èÂI¦b¬Y¤è¦V¨ü¤O¡A¥i±o¦Û¸Ó½èÂIªu¸Ó¤è¦V²¾°Êªº¡]Á`¡^¦ì¯àÅܤƲv¡A³o¥»¬O¤Oªº°ò¥»©w¸q¡C
 
 

fi = - d E(R1, R2 , ...) / d Ri

µM¦Ó¡A®Ú¾Ú¦¹¤@¤½¦¡¡A·Q¨D¥X L ­Ó­ì¤l¤§ 3L ­Ó¤è¦Vªº¨ü¤O«h¦Ü¤Ö»Ý­n¨D 3L+1 ¦¸ªºÁ`¯à´Á±æ­È E¡A³o¬O¬Û·í©ù¶Qªº¶q¤l°ÝÃD­pºâ¡C§Ú­Ì¨Ã¤£±Ä³o¼Ëªº¤èªk¶i¦æ¯à¶q´Á±æ­Èªº°¾·L¤À¡A¦Ó¬O¥h¨D¯à¶qºâ²Å¤§°¾·L¤À¡]§Y¨ü¤O¡^ªº´Á±æ­È¡C¥u­nªi¨ç¼Æªº¦¬ÀÄ«~½è°÷ºë½T¡A

Hellman-Feynman ©w²z§i¶D§Ú­Ì

fi = - < Y | dH(R1, R2, ...) / d Ri | Y >

¨Ï¥Î¸Ó©w²zªº¦n³B¬O¡A¥u»Ý­n¶i¦æ¤@¦¸¦¬ÀĪi¨ç¼Æªº¶q¤l¤O¾Ç­pºâ±o¨ì Y ´N¥i§Ö³tÀò±o¦UÁû­ì¤l¦b¦U¤è¦Vªº¨ü¤O¡C
 
 



Evaluation of the Gradient Operator ¡]±è«×ºâ²Åªº¨D­È¡^

¨Ï¥Î°ò©³®i¶}ªi¨ç¼Æ¤§«á¡A«e­±ªº Kohn-Sham ¤èµ{´N±q·L¤À¤èµ{¦¡ªº«¬ºAÂà´«¦¨¯x°}µ{¦¡ªº«¬ºA¡C

¦Ó§êºt±è«×ºâ²Å¨¤¦âªº Hamiltonian ¦b³oºØªí¶H¤§¤U´N¥H¯x°}«¬¦¡¥X²{¡CµM¦Ó°Ê¯à¯x°}¦b­ËªÅ¶¡¬O¹ï¨¤¤Æ¡A¦Ü©ó¦ì¯à¯x°}«h¦b¹êªÅ¶¡¬O¹ï¨¤¤Æ¡A

[H] = [T] + [V]

¤£½×¬Oªí¥Ü¦b¹êªÅ¶¡©Î­ËªÅ¶¡¡AÁ`¬OµLªk§â¾ã­Ó Hamiltonian ¯x°}¹ï¨¤¤Æ¡A

[HG] = Tii + [VG]

[Hr] = [Tr] + Vr

§Q¥Î FFT ¡]§Ö³t´I§Q¸­Âà´«¡^¡A­nºâ°Ê¯à®É¡A§âªi¨ç¼Æ Y Âà¨ì­ËªÅ¶¡¡]G-space¡^¡F­nºâ¦ì¯à®É¡A«h§âªi¨ç¼Æ Y Âà¨ì¹êªÅ¶¡¡]r-space¡^¡C¦p¦¹¡A¶i¦æ FFT ¡A¦ñÀHÂà´««á¹ï¨¤¤¸¯À­¼¥H¦V¶q©Òªáªº¥N»ù¬O¥¿¤ñ©ó N¡ë N + N¡A¨ä¤¤ N ¬O¥­­±ªi°ò©³¼Æ¡A³o²¦³º¤ñª½±µ¯x°}­¼¦V¶qªº N2 ­n¦³®Ä²v¦h¤F¡C

µ²¦X¤F FFT¡B¥­­±ªi°ò©³®i¶}¡B¡]¤À¤l°Ê¤O¾Çªkªº¡^­¡¥N·¥¤p¤Æ³o¤TºØÃöÁä§Þ³N¡A¦b¤K¹s¦~¥N¥Ñ Car »P Parrinello ´£¥X [PRL 55, 2471 (1985)]¡A¦¨´N¤F°ª®Ä²v»Pºë½T«×¡A¥H±K«×ªx¨ç²z½×¬°°ò¦ªº¶q¤l¤O¾Ç§÷®Æ­pºâªº®É¥N©ó¬O®i¶}¡CKohn ¤]Àò¹{ 1998 ¦~¿Õ¨©º¸¤Æ¾Ç¼ú¡]Kohn ¥»¤H¬O²z½×ª«²z¾Ç®a¡^¡C