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随着计算物理与计算机科学的迅速进步与发展,科学计算领域获得了越来越多、越来越精确的计算结果。基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算也被越来越多的科研工作者所采纳,并将其作为独立于实验研究与理论研究之外的研究手段。ABINIT程序包只是众多程序中的一员,它具有开源程序的优点。通过近年来的继续开发与完善,一方面它能够在计算集群中并行运行进而大幅提升计算效率;另一方面通过算法优化它能够模拟计算更多材料的物性,并能保证良好的精确性与可靠性。
在ABINIT程序中,采用平面波赝势方法来展开系统的电子波函数。真实的电子波函数在离原子核较近的区域内会存在奇点和剧烈振荡,这使得用以展开电子波函数的平面波基矢数量巨大,严重影响程序运行的效率和计算精度。本文中采用OPIUM程序生成计算所需的赝势,进一步减少平面波基矢的数量提高计算的精确性。结果显示,本文中生成的赝势能在满足计算精确性前提下,大量节约计算时间和计算资源。
La2O3作为一种典型的稀土氧化物,具有高介电常数和宽能带带隙等优点,且与Si之间有良好的热稳定性,有望成为新一代的栅介质材料。但是针对La2O3电子结构和线性反应函数等方面性质的研究却较为缺乏,所以本文采用第一性原理计算的方法对其展开研究。在优化La2O3的几何结构的基础之上采用密度泛函微扰理论计算了La2O3能带结构、电子结构、玻恩有效电荷张量、介电函数张量、弹性张量、柔度张量以及热力学、光学等方面的线性反应函数。与其它实验或计算数据相比较,本文在能带结构、电子结构和热力学性质等方面的计算结果是科学可靠的。这表明,采用基于第一性原理的平面波赝势方法计算研究稀土氧化物的物理性质是可行的。因为介电函数张量、弹性张量、柔度张量以及光学性质方面缺乏实验数据,所以本文中的结果也可作为实验和理论研究的参考。