電子理論在材料科學中的應用

劉文娣

摘 要 材料科學本身就是建立在研究微觀離子的基礎上的，電子理論以其特性占據這材料科學研究中的重要位置。可以說，現在材料科學領域中對電子理論的應用是必不可少的。同時，電子理論是一個龐大的體系，其中包含著多種子理論，本文就以實踐種應用廣泛的密度泛函理論為例，簡要敘述電子理論在材料科學的各個領域中的重要作用，并闡述其部分內在規律，以期無論是對電子理論還是材料科學都能具有發展和推動的作用。

關鍵詞 電子理論；密度泛函理論；材料科學

中圖分類號 TU5 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）161-0184-02

近幾年，密度泛函理論與分子動力學相結合，在材料設計、合成、計算等諸多方面有明顯進展，成為計算材科學的重要基礎和核心技術。其他量子力學多體問題往往會具有一些“硬傷”，在計算的效率上，計算結果的精確度上，甚至于計算的方法上都難以達到一定的高度，隨著密度泛函理論的出現，使量子力學的研究又提升到另一個層次，與其他解決量子力學多提問題的方法相比，采用密度泛函理論所進行的研究能夠給出讓人滿意的結果，尤其使數據的精確，更能夠應用到其他領域的研究中，例如化學、數學等，甚至應用于工業生產和人們的生活中。

1 電子理論概述——以密度泛函理論為例

近年來隨著物理學的快速發展，人類在探索與發現量子力學和微觀事物本質問題上的研究成果越來越多，現今科學學科的分支確定更加細致化，僅就材料物理學科來說，建立了計算機材料分支學科。物理材料的基本性質多數會受到電力結構的影響，故而研究電子理論也必須借助于量子力學。發展電力理論為研究材料科學奠定了堅實基礎，同時也給材料科學的研究提供了有利的預測依據，能在一定程度上提高材料科學的發展速度，因此在材料物理科學中論述電力理論的意義和可行性是十分明顯的。

電子理論是一種傳統理論的統稱，但實際上電子理論中包含很多小的概念和理論，不同的理論也有不同的表述方式，密度泛函理論是較早的一種量子理論，他是以Thomas-Fermi的理論為基礎，產生于1960年到1970年。對于密度泛函理論來說，它與傳統的量子理論的不同在于對基本物理性質的描述方法，也是一種基準。前者是將粒子密度作為基本物理量，而后者則將研究重點放在粒子密度上，使得二者有很大的不同。

密度泛函理論并不是一成不變的，而是隨著科學研究的愈加深入而逐步發展的。從基本理論到現在的非局域泛函，不斷有新的理論來擴充這一理論所涵蓋的范圍，同時，這些理論互相彌補，也使得計算結果越來越精確和有效。可以說，這一理論是一種活的理論，它不但在本身領域不斷深入發展，還與其他理論相互聯系，活躍前進。

我們所稱的密度泛函理論具有很強的特點，主要在于需要通過計算機的運算來進行，運行的計算機中需要裝載相聯系的軟件。在市面上我們可以看到許多有關軟件，上面我們說到，不同的密度泛函理論所計算出的結果也不盡相同，主要差別在于數據的精確性，中間的差別在一定程度上與所使用的軟件有關。這一理論由于它的應用性廣泛，被用于多個領域的計算中，但也存在其本身的問題。但是，總體來說，密度泛函理論是一種相對較成熟的理論體系，今后其發展也將會更加多樣。

2 密度泛函理論在材料科學中的應用

如上所述，密度泛函理論在應用中已經得到了廣泛的實踐。“近幾年來DFT同分子動力學方法相結合，在材料設計、合成、模擬計算和評價諸多方面有明顯的進展，成為計算材料科學的重要基礎和核心技術”。

2.1 電性材料科學中的應用

在電能與熱能之間的轉換的領域上，各國的研究者都在深入進行研究，試圖找到一種新的電子特征。有的科學家利用密度泛函理論研究出某種材料的導電性能與金屬相比的優劣；有些科學家利用密度泛函理論框架中的小的理論，研究了電子、磁及其相互作用的問題，“結果表明，體系的性質隨原子位上庫侖相互作用參數U的改變而顯著變化”。有的科學家運用密度泛函理論，將增強的表面超導和圖像翻轉現象進行了計算和預判。

2.2 磁性材料科學中的應用

磁性材料科學是起源很早的一門科學，我們都知道，鐵是最早被發現具有磁性的物質，千百年來，人們對磁性科學的態度從神秘到了解，現在已經通過多種方法在研究。有些科學家通過密度泛函理論獲得了FeN的結構、結合能和磁矩，并且研究出團簇的尺寸的不同對原子的磁矩沒有必然的影響，反而原子會在某一范圍內變化。

2.3 光學材料上的應用

光學材料一般是指傳輸光的介質材料，有些科學家利用密度泛函理論研究而得出：“在有機多層光電子發射二極管、光族材料和高密度光數據貯存材料上有潛在應用。”

2.4 在納米材料上的應用

納米材料是指物質的3個緯度中至少有一個緯度的量級是納米。納米材料自被發現以來，逐步廣泛應用在生產、生活中，我們生活中所常見的納米防爆膜、納米微針等，現在在信息產業、能源產業、環境產業等都有廣泛的應用，同時科學界對納米的研究還在更加深入和精確。一些科學家利用密度泛函理論，研究出某些物質能夠吸收紅外，并且這種吸收能力極強。

3 結論

經典的電子理論認為，正離子所形成的電場是均勻的，而自由電子由于是運動的而不具有這種特性，自由電子和正離子相互碰撞不能形成新的物質，而僅僅是作為一種機械運動。正因為自由電子的不規律運動，所以沒有顯性的表現形式，但一旦給自由電子一個外在的力，例如磁場，自由電子就會有規律有方向地進行移動，從而形成電流。本文所討論的密度泛函理論，是在電子理論中具有重要地位的一種理論，盡管它現在已經廣泛應用于化學計算中，但是電子理論是包含多種其他理論，因此密度泛函理論更需要其他理論作為依據和支撐，其本身也能夠為其他理論研究提供理論支持，因此，無論是主要利用該理論或者是借鑒密度泛函理論的原理或計算方法，做出的研究也漸漸投入到實踐中，從而真正有益于人類。

參考文獻

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