劉文娣

摘 要 材料科學(xué)本身就是建立在研究微觀離子的基礎(chǔ)上的，電子理論以其特性占據(jù)這材料科學(xué)研究中的重要位置?？梢哉f，現(xiàn)在材料科學(xué)領(lǐng)域中對(duì)電子理論的應(yīng)用是必不可少的。同時(shí)，電子理論是一個(gè)龐大的體系，其中包含著多種子理論，本文就以實(shí)踐種應(yīng)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(xué)的各個(gè)領(lǐng)域中的重要作用，并闡述其部分內(nèi)在規(guī)律，以期無論是對(duì)電子理論還是材料科學(xué)都能具有發(fā)展和推動(dòng)的作用。

關(guān)鍵詞 電子理論；密度泛函理論；材料科學(xué)

中圖分類號(hào) TU5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）161-0184-02

近幾年，密度泛函理論與分子動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，在材料設(shè)計(jì)、合成、計(jì)算等諸多方面有明顯進(jìn)展，成為計(jì)算材科學(xué)的重要基礎(chǔ)和核心技術(shù)。其他量子力學(xué)多體問題往往會(huì)具有一些“硬傷”，在計(jì)算的效率上，計(jì)算結(jié)果的精確度上，甚至于計(jì)算的方法上都難以達(dá)到一定的高度，隨著密度泛函理論的出現(xiàn)，使量子力學(xué)的研究又提升到另一個(gè)層次，與其他解決量子力學(xué)多提問題的方法相比，采用密度泛函理論所進(jìn)行的研究能夠給出讓人滿意的結(jié)果，尤其使數(shù)據(jù)的精確，更能夠應(yīng)用到其他領(lǐng)域的研究中，例如化學(xué)、數(shù)學(xué)等，甚至應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)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(xué)的快速發(fā)展，人類在探索與發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)和微觀事物本質(zhì)問題上的研究成果越來越多，現(xiàn)今科學(xué)學(xué)科的分支確定更加細(xì)致化，僅就材料物理學(xué)科來說，建立了計(jì)算機(jī)材料分支學(xué)科。物理材料的基本性質(zhì)多數(shù)會(huì)受到電力結(jié)構(gòu)的影響，故而研究電子理論也必須借助于量子力學(xué)。發(fā)展電力理論為研究材料科學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也給材料科學(xué)的研究提供了有利的預(yù)測(cè)依據(jù)，能在一定程度上提高材料科學(xué)的發(fā)展速度，因此在材料物理科學(xué)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(tǒng)理論的統(tǒng)稱，但實(shí)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(chǔ)，產(chǎn)生于1960年到1970年。對(duì)于密度泛函理論來說，它與傳統(tǒng)的量子理論的不同在于對(duì)基本物理性質(zhì)的描述方法，也是一種基準(zhǔn)。前者是將粒子密度作為基本物理量，而后者則將研究重點(diǎn)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(xué)研究的愈加深入而逐步發(fā)展的。從基本理論到現(xiàn)在的非局域泛函，不斷有新的理論來擴(kuò)充這一理論所涵蓋的范圍，同時(shí)，這些理論互相彌補(bǔ)，也使得計(jì)算結(jié)果越來越精確和有效?？梢哉f，這一理論是一種活的理論，它不但在本身領(lǐng)域不斷深入發(fā)展，還與其他理論相互聯(lián)系，活躍前進(jìn)。

我們所稱的密度泛函理論具有很強(qiáng)的特點(diǎn)，主要在于需要通過計(jì)算機(jī)的運(yùn)算來進(jìn)行，運(yùn)行的計(jì)算機(jī)中需要裝載相聯(lián)系的軟件。在市面上我們可以看到許多有關(guān)軟件，上面我們說到，不同的密度泛函理論所計(jì)算出的結(jié)果也不盡相同，主要差別在于數(shù)據(jù)的精確性，中間的差別在一定程度上與所使用的軟件有關(guān)。這一理論由于它的應(yīng)用性廣泛，被用于多個(gè)領(lǐng)域的計(jì)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(duì)較成熟的理論體系，今后其發(fā)展也將會(huì)更加多樣。

2 密度泛函理論在材料科學(xué)中的應(yīng)用

如上所述，密度泛函理論在應(yīng)用中已經(jīng)得到了廣泛的實(shí)踐?！敖鼛啄陙鞤FT同分子動(dòng)力學(xué)方法相結(jié)合，在材料設(shè)計(jì)、合成、模擬計(jì)算和評(píng)價(jià)諸多方面有明顯的進(jìn)展，成為計(jì)算材料科學(xué)的重要基礎(chǔ)和核心技術(shù)”。

2.1 電性材料科學(xué)中的應(yīng)用

在電能與熱能之間的轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域上，各國的研究者都在深入進(jìn)行研究，試圖找到一種新的電子特征。有的科學(xué)家利用密度泛函理論研究出某種材料的導(dǎo)電性能與金屬相比的優(yōu)劣；有些科學(xué)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(jié)果表明，體系的性質(zhì)隨原子位上庫侖相互作用參數(shù)U的改變而顯著變化”。有的科學(xué)家運(yùn)用密度泛函理論，將增強(qiáng)的表面超導(dǎo)和圖像翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行了計(jì)算和預(yù)判。

2.2 磁性材料科學(xué)中的應(yīng)用

磁性材料科學(xué)是起源很早的一門科學(xué)，我們都知道，鐵是最早被發(fā)現(xiàn)具有磁性的物質(zhì)，千百年來，人們對(duì)磁性科學(xué)的態(tài)度從神秘到了解，現(xiàn)在已經(jīng)通過多種方法在研究。有些科學(xué)家通過密度泛函理論獲得了FeN的結(jié)構(gòu)、結(jié)合能和磁矩，并且研究出團(tuán)簇的尺寸的不同對(duì)原子的磁矩沒有必然的影響，反而原子會(huì)在某一范圍內(nèi)變化。

2.3 光學(xué)材料上的應(yīng)用

光學(xué)材料一般是指傳輸光的介質(zhì)材料，有些科學(xué)家利用密度泛函理論研究而得出：“在有機(jī)多層光電子發(fā)射二極管、光族材料和高密度光數(shù)據(jù)貯存材料上有潛在應(yīng)用?！?/p>

2.4 在納米材料上的應(yīng)用

納米材料是指物質(zhì)的3個(gè)緯度中至少有一個(gè)緯度的量級(jí)是納米。納米材料自被發(fā)現(xiàn)以來，逐步廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、生活中，我們生活中所常見的納米防爆膜、納米微針等，現(xiàn)在在信息產(chǎn)業(yè)、能源產(chǎn)業(yè)、環(huán)境產(chǎn)業(yè)等都有廣泛的應(yīng)用，同時(shí)科學(xué)界對(duì)納米的研究還在更加深入和精確。一些科學(xué)家利用密度泛函理論，研究出某些物質(zhì)能夠吸收紅外，并且這種吸收能力極強(qiáng)。

3 結(jié)論

經(jīng)典的電子理論認(rèn)為，正離子所形成的電場(chǎng)是均勻的，而自由電子由于是運(yùn)動(dòng)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(zhì)，而僅僅是作為一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)。正因?yàn)樽杂呻娮拥牟灰?guī)律運(yùn)動(dòng)，所以沒有顯性的表現(xiàn)形式，但一旦給自由電子一個(gè)外在的力，例如磁場(chǎng)，自由電子就會(huì)有規(guī)律有方向地進(jìn)行移動(dòng)，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(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化學(xué)計(jì)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(jù)和支撐，其本身也能夠?yàn)槠渌碚撗芯刻峁├碚撝С?，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(jì)算方法，做出的研究也漸漸投入到實(shí)踐中，從而真正有益于人類。

參考文獻(xiàn)

[1]Hasnip Philip J，Refson Keith，Probert Matt I J，Yates Jonathan R，Clark Stewart J，Pickard Chris J. Density functional theory in the solid state.[J]. Philosophical transactions. Series A， Mathematical， physical， and engineering sciences，2014，3722011：.

[2]Philip J. Hasnip，Keith Refson，Matt I. J. Probert，Jonathan R. Yates，Stewart J. Clark，Chris J. Pickard. Density functional theory in the solid state[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A： Mathematical， Physical and Engineering Sciences，2014，3722011：.

[3]褚冉，張國英.電子理論在材料腐蝕氧化方面研究的應(yīng)用[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（3）：347-353.