电子理论在材料科学中的应用

刘文娣

摘 要 材料科学本身就是建立在研究微观离子的基础上的，电子理论以其特性占据这材料科学研究中的重要位置。可以说，现在材料科学领域中对电子理论的应用是必不可少的。同时，电子理论是一个庞大的体系，其中包含着多种子理论，本文就以实践种应用广泛的密度泛函理论为例，简要叙述电子理论在材料科学的各个领域中的重要作用，并阐述其部分内在规律，以期无论是对电子理论还是材料科学都能具有发展和推动的作用。

关键词 电子理论；密度泛函理论；材料科学

中图分类号 TU5 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）161-0184-02

近几年，密度泛函理论与分子动力学相结合，在材料设计、合成、计算等诸多方面有明显进展，成为计算材科学的重要基础和核心技术。其他量子力学多体问题往往会具有一些“硬伤”，在计算的效率上，计算结果的精确度上，甚至于计算的方法上都难以达到一定的高度，随着密度泛函理论的出现，使量子力学的研究又提升到另一个层次，与其他解决量子力学多提问题的方法相比，采用密度泛函理论所进行的研究能够给出让人满意的结果，尤其使数据的精确，更能够应用到其他领域的研究中，例如化学、数学等，甚至应用于工业生产和人们的生活中。

1 电子理论概述——以密度泛函理论为例

近年来随着物理学的快速发展，人类在探索与发现量子力学和微观事物本质问题上的研究成果越来越多，现今科学学科的分支确定更加细致化，仅就材料物理学科来说，建立了计算机材料分支学科。物理材料的基本性质多数会受到电力结构的影响，故而研究电子理论也必须借助于量子力学。发展电力理论为研究材料科学奠定了坚实基础，同时也给材料科学的研究提供了有利的预测依据，能在一定程度上提高材料科学的发展速度，因此在材料物理科学中论述电力理论的意义和可行性是十分明显的。

电子理论是一种传统理论的统称，但实际上电子理论中包含很多小的概念和理论，不同的理论也有不同的表述方式，密度泛函理论是较早的一种量子理论，他是以Thomas-Fermi的理论为基础，产生于1960年到1970年。对于密度泛函理论来说，它与传统的量子理论的不同在于对基本物理性质的描述方法，也是一种基准。前者是将粒子密度作为基本物理量，而后者则将研究重点放在粒子密度上，使得二者有很大的不同。

密度泛函理论并不是一成不变的，而是随着科学研究的愈加深入而逐步发展的。从基本理论到现在的非局域泛函，不断有新的理论来扩充这一理论所涵盖的范围，同时，这些理论互相弥补，也使得计算结果越来越精确和有效。可以说，这一理论是一种活的理论，它不但在本身领域不断深入发展，还与其他理论相互联系，活跃前进。

我们所称的密度泛函理论具有很强的特点，主要在于需要通过计算机的运算来进行，运行的计算机中需要装载相联系的软件。在市面上我们可以看到许多有关软件，上面我们说到，不同的密度泛函理论所计算出的结果也不尽相同，主要差别在于数据的精确性，中间的差别在一定程度上与所使用的软件有关。这一理论由于它的应用性广泛，被用于多个领域的计算中，但也存在其本身的问题。但是，总体来说，密度泛函理论是一种相对较成熟的理论体系，今后其发展也将会更加多样。

2 密度泛函理论在材料科学中的应用

如上所述，密度泛函理论在应用中已经得到了广泛的实践。“近几年来DFT同分子动力学方法相结合，在材料设计、合成、模拟计算和评价诸多方面有明显的进展，成为计算材料科学的重要基础和核心技术”。

2.1 电性材料科学中的应用

在电能与热能之间的转换的领域上，各国的研究者都在深入进行研究，试图找到一种新的电子特征。有的科学家利用密度泛函理论研究出某种材料的导电性能与金属相比的优劣；有些科学家利用密度泛函理论框架中的小的理论，研究了电子、磁及其相互作用的问题，“结果表明，体系的性质随原子位上库仑相互作用参数U的改变而显著变化”。有的科学家运用密度泛函理论，将增强的表面超导和图像翻转现象进行了计算和预判。

2.2 磁性材料科学中的应用

磁性材料科学是起源很早的一门科学，我们都知道，铁是最早被发现具有磁性的物质，千百年来，人们对磁性科学的态度从神秘到了解，现在已经通过多种方法在研究。有些科学家通过密度泛函理论获得了FeN的结构、结合能和磁矩，并且研究出团簇的尺寸的不同对原子的磁矩没有必然的影响，反而原子会在某一范围内变化。

2.3 光学材料上的应用

光学材料一般是指传输光的介质材料，有些科学家利用密度泛函理论研究而得出：“在有机多层光电子发射二极管、光族材料和高密度光数据贮存材料上有潜在应用。”

2.4 在纳米材料上的应用

纳米材料是指物质的3个纬度中至少有一个纬度的量级是纳米。纳米材料自被发现以来，逐步广泛应用在生产、生活中，我们生活中所常见的纳米防爆膜、纳米微针等，现在在信息产业、能源产业、环境产业等都有广泛的应用，同时科学界对纳米的研究还在更加深入和精确。一些科学家利用密度泛函理论，研究出某些物质能够吸收红外，并且这种吸收能力极强。

3 结论

经典的电子理论认为，正离子所形成的电场是均匀的，而自由电子由于是运动的而不具有这种特性，自由电子和正离子相互碰撞不能形成新的物质，而仅仅是作为一种机械运动。正因为自由电子的不规律运动，所以没有显性的表现形式，但一旦给自由电子一个外在的力，例如磁场，自由电子就会有规律有方向地进行移动，从而形成电流。本文所讨论的密度泛函理论，是在电子理论中具有重要地位的一种理论，尽管它现在已经广泛应用于化学计算中，但是电子理论是包含多种其他理论，因此密度泛函理论更需要其他理论作为依据和支撑，其本身也能够为其他理论研究提供理论支持，因此，无论是主要利用该理论或者是借鉴密度泛函理论的原理或计算方法，做出的研究也渐渐投入到实践中，从而真正有益于人类。

参考文献

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