Structure and energetics of solvated ferrous and ferric ions: Car-Parrinello molecular dynamics in the DFT+U formalism
我们实现了一个旋转不变的哈伯德U扩展的密度泛函理论的Car-Parrinello分子动力学框架，使DFT+U方法的精度有限温度模拟的目标，特别是对于液体或固体含有过渡金属离子。首先，我们研究了Hubbard U对六水合亚铁离子和三价铁离子的静力平衡结构的影响，以及六水合亚铁离子和三价铁离子之间电子转移反应的内球重组能。结果表明，六水合亚铁离子的铁氧键间距增加，使铁氧键的重组能增加。其次，我们进行了第一性原理分子动力学研究的两个水溶液的亚铁和三价铁离子的溶剂化结构。Hubbard项被发现改变Fe-O径向分布函数的亚铁离子，而具有一个可以忽略不计的影响，在水溶液中的铁离子。此外，Fe和氧原子之间的第一溶剂化壳层的振动频率被证明是不受哈伯德修正的亚铁和三价铁离子。
2007-01-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
First-principles energetics of water: a many-body analysis
标准形式的密度泛函理论（DFT）对许多材料具有良好的预测能力，但对水的固体、液体和团簇形式还不能完全令人满意。我们使用多体分离的总能量到它的1-体，2-体（2B）和超越2-体（B2B）的组件来分析两个流行的DFT近似的不足之处。我们展示了机器学习方法如何使这种分析成为可能的冰结构以及水集群。我们发现，紧凑和扩展的几何形状之间的关键能量平衡可以被扭曲的2B和B2B的错误，这两种类型的第一性原理的错误是重要的。
2013-03-04 cond-mat.mtrl-sci
Predicting the Energetic Stabilization of Janus-MoSSe/AlN Heterostructures: A DFT Study
University of Brasília（巴西利亚大学）
本研究通过DFT计算探究Janus-MoSSe与AlN薄片的堆积机制，用ILJ势得到不同界面下-35.5至-17.5 meV的堆积能，发现MoS面接触的SeMoS/AlN异质结能量最稳定，且带隙适合光伏应用。
2020-08-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Defect energetics of cubic hafnia from quantum Monte Carlo simulations
立方氧化物（HfO $_2$）由于其高介电常数而在电子学中的许多应用中引起极大兴趣。然而，这些应用中的常见缺陷会降低hafina的性能。采用基于密度泛函理论（DFT）和多体扩散蒙特卡罗（DMC）方法的第一性原理计算研究了立方HfO $_2$中氧空位和氮取代的电子性质.我们研究了氧空位的五种不同电荷缺陷态，以及可导致局部磁矩的替位N缺陷。DMC和DFT计算表明，氧空位诱导周围的缺陷强的晶格弛豫。最后，我们比较缺陷形成能，电荷和自旋密度从DMC与使用DFT得到的结果。虽然从DMC得到的形成能比从GGA+U得到的形成能大0.6~ 1.5~eV，但在贫氧条件下，对于最重要的缺陷，中性和带正电的氧空位，以及氮替代缺陷，两者的一致性相当好。我们的工作证实，氮可以起到钝化立方氧化物的作用，用于电子产品。
2019-04-12 cond-mat.mtrl-sci
Adsorption structures and energetics of molecules on metal surfaces: Bridging experiment and theory
有机分子在表面上的吸附几何构型和稳定性是决定无机/有机杂化体系（HIOSs）可观测性质和功能的关键参数。尽管最近在精确的实验表征和第一原理电子结构方法的改进方面取得了许多进展，但大吸附分子的结构和能量的可靠数据库在很大程度上是错误的。在这篇综述中，我们提出了这样一个数据库的一系列分子吸附在金属单晶表面。我们分析的系统包括稀有气体原子，共轭芳香分子，碳纳米结构和吸附在五种不同金属表面上的杂芳族化合物。总体目标是建立一个多样化的基准数据集，以评估当前和未来的电子结构方法，并激励进一步的实验研究，提供更可靠的数据。具体来说，基准结构和能量从实验中比较最近开发的范德瓦尔斯（vdW）包容密度泛函理论（DFT）方法，DFT + vdW $^{\mathrm{surf}}$。与实验得到的23个吸附高度和17个吸附能进行比较，平均偏差分别为0.06eV和0.16eV。这证实了DFT + vdW $^{\mathrm{surf}}$方法是处理HIOS的准确和有效的方法。详细的讨论确定了剩余的挑战，以解决在未来的发展中的电子结构的方法，这里提出的基准数据库可以作为一个重要的参考。
2016-05-18 cond-mat.mtrl-sci
Quantum Monte Carlo study of the energetics of the rutile, anatase, brookite, and columbite TiO$_2$ polymorphs
采用扩散量子蒙特卡罗（DMC）方法和密度泛函理论（DFT）计算了TiO $_2$的低压金红石、金红石、板钛矿和高压铌铁矿的相对能量随温度的变化.振动能被发现是重要的规模上的利益和显着的四阶非谐性被发现在金红石相。静态晶格DFT计算预测，金红石的能量低于金红石，与实验不符。DMC计算提供的电子相关性的准确描述和非谐振动效应的列入有助于稳定金红石相对于金红石。我们的计算预测了在$630 \pm 210$ K下从金红石型到金红石型的$_2$的相变。
2016-10-27 cond-mat.mtrl-sci
Toward Accurate Adsorption Energetics on Clay Surfaces
粘土矿物在自然界中无处不在，它们与周围环境相互作用的方式具有重要的工业和环境影响。因此，从分子水平上了解分子在粘土表面的吸附是至关重要的。在这方面，计算机模拟发挥了重要作用，但广泛使用的经验力场（FF）和密度泛函理论（DFT）交换相关泛函的准确性往往是不清楚的吸附系统占主导地位的弱相互作用。在这里，我们提出的结果，从量子蒙特卡罗（QMC）的水和甲醇吸附的原型粘土高岭石。据我们所知，这是第一次QMC已被用于调查吸附在一个复杂的，天然的表面，如粘土。除了本身有价值外，获得的QMC基准提供了参考数据，可以测试更便宜的DFT方法的性能。实际上，使用各种DFT交换相关泛函产生非常宽范围的吸附能，并且先验地不清楚哪种评估更好。QMC表明，在这里考虑的系统中，它是必不可少的占范德华力（VDW）的分散力，因为这改变了水和甲醇的绝对和相对吸附能。我们表明，通过FF模拟，不正确的相对能量可以导致显着的变化，在高岭石界面的水和甲醇溶液的界面密度。尽管vdw校正和vdw包含泛函提供了明显的改进，但绝对吸附能往往被高估，这表明在DFT中vdW力的处理还没有解决的问题。
2016-11-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Where Does the Density Localize? Convergent Behavior for Global Hybrids, Range Separation, and DFT+U
近似密度泛函理论（DFT）遭受多电子自相互作用误差，也称为离域误差，其可以通过消除整数电子数之间的精确分段线性行为的偏差来诊断并随后校正。虽然能量离域误差的校正路径是公认的，但是这些校正对电子密度的影响研究得较少。在这里，我们比较了密度泛函理论+U，整体混合调谐，和范围分离的混合调谐对32个过渡金属配合物的不同测试集的密度离域的影响，并观察到这三种方法对基态密度具有定性等效的影响。不管价轨道扩散（即，从2 p到5 p），配体电负性（即，从A1到O），基组（即，平面波对局部基组），金属（即，Ti，Fe，Ni）和自旋态，或调谐方法，我们始终观察到大量的电荷损失在金属和增益在配体原子（约。0.3-0.5 e或更大）。在金属处的这种电荷损失优选地来自少数自旋，从而也导致增加的磁矩。使用精确的波函数理论参考，我们观察到，在部分电荷和磁矩的最小误差发生在更高的调谐参数比通常用于消除能量离域误差。这些观察激励需要开发多方面的近似DFT误差校正方法，分别处理密度离域和能量误差，以恢复正确的密度和磁化性质。
2016-10-04 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Long- and Short-Range Anion Order in SrTiO$_{3-x}$H$_x$ Perovskite Oxyhydrides: DFT+$U$ Sensitivity and HSE06 Cluster Expansion
Northwestern University（西北大学）
研究钙钛矿氢氧化物SrTiO$_{3 - x}$H$_x$中阴离子有序，开发含HSE06能量学的CE框架。发现计算能量对DFT + $U$敏感，确定代理值，支持O$_4$H$_2$顺式构型偏好，解决了相关敏感性及阴离子有序未充分探索问题。
2026-07-24 cond-mat.mtrl-sci
First-principles study of the energetics of charge and cation mixing in U_{1-x} Ce_x O_2
本文采用电子密度泛函理论（DFT+U）方法，对U_{1-x} Ce_xO_2混合物进行了计算研究。的计算方法利用一个程序，该程序有利于收敛的计算多个自洽DFT+U解决方案为一个给定的阳离子的安排，对应于不同的电荷状态的U和Ce离子在几个原型阳离子的安排。结果表明，一个显着的依赖性的结构和能量性质上的电荷和阳离子排序。有效的Hubbard-U参数，再现以及氧化铀和氧化铈的测量的氧化还原能，我们发现，U（IV）和Ce（IV）离子之间的电荷转移，导致U（V）和Ce（III）的形成，引起的混合能量在4-14 kJ/mol的分子式单元的范围内的增加，这取决于阳离子有序的性质。结果表明，虽然铀和铈离子之间的电荷转移是不利的能量，它很可能是熵稳定在高温相关的处理和服务的氧化铀基固溶体。
2010-12-09 cond-mat.mtrl-sci
An Ab Initio Investigation on the Electronic Structure, Defect Energetics, and Magnesium Kinetics in Mg$_3$Bi$_2$
本文对Mg $_3$ Bi $_2$进行了从头算研究。通过结合DFT（PBE，HSE 06）和$G_0W_0$的电子结构计算，我们发现Mg $_3$ Bi $_2$可能是一种小带隙半导体.基于DFT的缺陷形成能表明，镁空位可能形成在这种材料中，相对论自旋轨道耦合显着降低缺陷形成能。我们表明，过渡态搜索方法的基础上的混合本征矢量跟踪方法可以有效地用于搜索的过渡态的情况下，其中包括完整的自旋-轨道耦合。通过这种混合本征矢量以下的方法发现镁迁移势垒表明，自旋-轨道耦合也降低了迁移势垒，降低到0.34 eV的值与自旋-轨道耦合。最后，最近的实验结果Mg扩散的DFT结果进行了比较，并显示出良好的一致性。这项工作表明，空位缺陷和列入计算中的相对论自旋轨道耦合有深远的影响，在这种材料中的镁扩散。它还揭示了相对论自旋轨道耦合在研究重元素起关键作用的类似电池系统中的重要性。
2018-07-27 cond-mat.mtrl-sci
First-principles study of the energetics and the local chemical ordering of tungsten-based alloys
本研究利用第一性原理DFT计算，比较MC-DFT与SQS方法分析钨基合金的短程有序和弹性质，发现MC-DFT结构具有更低内聚能和更优弹性，且SRO提升了结构稳定性。
2024-10-12 cond-mat.mtrl-sci
Diffusion quantum Monte Carlo study of the equation of state and point defects in aluminum
采用多体扩散量子Monte Carlo（DMC）方法和扭曲平均边界条件计算了面心立方铝中1331个原子的基态状态方程和点缺陷的能量学。DMC平衡晶格常数与实验相差0.008 A，或0.2%，而结合能使用DMC与回流波函数与改进的节面相差27毫电子伏。DMC计算的缺陷形成和迁移能与现有的实验数据一致，除了最近邻的双空位，这是被发现是能量不稳定的，与以前的密度泛函理论（DFT）计算。DMC和DFT计算的空位缺陷是在合理的接近协议。自填隙形成能在DMC和DFT之间具有较大的差异，在四面体位置处高达0.33eV。我们还计算了氦间隙缺陷的形成能，其中能量相差高达0.34eV，也在四面体网站。与现有实验的密切协议表明，DMC可以作为一种预测方法，以获得金属中的缺陷的基准能量。
2012-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Water reactions on reconstructed rutile TiO$_2$: a DFT / DFTB approach
水与金红石的反应性相互作用还远未得到最终的理解，这对植根于量子力学的原子模拟技术仍然是一个挑战。结果表明，TiO $_2$ /水界面的静态几何结构可以用密度泛函紧束缚理论（DFTB）进行描述.然而，这种方法需要进一步的改进，以重现低解离倾向的H $_2$ O吸附后的密度泛函理论（DFT）预测。水的表面反应性的可靠描述是研究富含Ti的（001）面的非化学计量重构的基础。基于（DFT）的计算预测的转变温度与实验结果非常一致的开始重建，并建议，这个表面，在与液态水接触，可以促进自发H $_2$ O分裂和形成H $_2$分子。
2021-02-04 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Structural and Electronic Properties of Bulk $β$(2H)-GaSe from First-Principles DFT Calculations with van der Waals Corrections
Universidad Distrital Francisco José de Caldas（弗朗西斯科·何塞·德卡尔达斯城市大学）
本文用含DFT-D2范德华修正的DFT计算体相β(2H)-GaSe的结构与电子性质，验证晶格参数与直接带隙，为二维剥离研究提供能量基线。
2026-09-10 cond-mat.mtrl-sci
A General Neural Network Potential for Energetic Materials with C, H, N, and O elements
Beijing Institute of Technology（北京理工大学）
本研究提出一种通用神经网络势（NNP），基于DFT数据与迁移学习，高效且高精度地预测含C、H、N、O高能材料的结构与分解等性质，为材料研发提供了整合DFT、机器学习与实验的有效框架。
2025-03-03 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
The energetics of water on oxide surfaces by quantum Monte Carlo
密度泛函理论（DFT）在表面科学中得到了广泛的应用，但对氧化物表面过程的计算精度很差，而高水平的量子化学方法很难在不损失基组质量的情况下应用。我们认为，量子Monte Carlo技术可以克服这些困难，我们目前的扩散Monte Carlo结果的MgO（001）表面的形成能和H $_2$ O在这个表面上的吸附能，使用周期性板几何形状。计算结果与实验结果吻合较好。我们注意到其他氧化物表面的问题，这些技术可以立即取得进展。
2006-04-13 cond-mat.mtrl-sci
Energetics and cathode voltages of LiMPO$_4$ olivines (M = Fe, Mn) from extended Hubbard functionals
过渡金属化合物对基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算提出了严峻的挑战，这是由于大多数近似的交换相关泛函无法捕获价电子在其$d$态上的局域化，这对于预测其性质的建模至关重要。在这项工作中，我们专注于一个众所周知的家庭的锂离子电池正极材料的两个代表，即正交LiMPO $_4$橄榄石（M = Fe，Mn）。我们发现，扩展的Hubbard泛函与现场（$U$）和网站间（$V$）相互作用（所谓的DFT+U+V）可以预测的混合价相的电子结构，形成能量的材料与中间锂含量，和整体平均电压的电池具有显着的准确性。我们发现，特别是，在校正哈密顿量中包含的位间相互作用大大改善了热力学量的预测时，电子局域化发生在存在显着的原子间杂化（如Mn化合物的情况），和有效的相互作用参数的自洽评估材料和基态-相关量允许预测不同相和浓度之间的能量差。
2019-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Reconstruction of Zigzag Graphene Edges: Energetics, Kinetics and Residual Defects
采用从头计算方法研究了锯齿形石墨烯边缘的连续重构。根据所获得的能量分布沿反应途径，第一重建步骤，形成的第一五边形-七边形对，是最慢的，而已经成核的重建边缘域的增长应该稳定地发生在一个更高的速率。只有1/4的情况下，当它们接触时，畴合并成一个，而在其余的情况下，残留缺陷被留下。研究了这些缺陷的结构、能量和磁性。结果表明，在低于1000 K的温度下，完全重构的边缘不可能自发形成成对的残余缺陷（即自发畴成核）.使用的动力学模型，我们表明，平均域长度是几个$\mathrmμ$ m在室温下，它呈指数下降时，增加的温度下发生的重建。
2022-11-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Energetics and diffusion of gold in bismuth telluride
我们将电子显微镜和能量色散谱实验与\textit{ab-initio}模型相结合，研究了Au在Bi $_2$ Te $_3$中的溶解度和扩散。我们发现，热退火的Au膜的结果在Bi $_2$ Te $_3$中的Au浓度高于先前报道的溶解度极限。Au扩散到Bi $_2$ Te $_3$中的时间尺度也比预期的大得多。为了解释我们的观察，我们计算缺陷形成能和扩散势垒内DFT。我们确定了与先前观察到的低溶解度和（快速）各向异性扩散一致的间隙机制。然而，较低的形成能量的替代缺陷表明，他们可能是活跃的，在我们的实验中，并解释观察到的高浓度。
2013-07-21 cond-mat.mtrl-sci
On the accuracy of DFT exchange-correlation functionals for H bonds in small water clusters II: The water hexamer and van der Waals interactions
采用完全基组（CBS）极限下的二阶Moeller-Plesset微扰理论（MP2）和扩散量子Monte Carlo（DMC）方法对水六聚体的几种低能异构体进行了研究。这两种方法都预测所谓的“棱镜”是能量最低的异构体，其次是“笼”，“书”和“环状”异构体。四种异构体的能量非常相似，都在10-15 meV/H2O之间。该参考数据然后被用来评估几个密度泛函理论（DFT）交换相关（xc）泛函的性能。针对较小的水簇测试的xc泛函的子集[I：Santra等人，127，184104（2007）]中所描述的。虽然某些泛函在预测各种异构体的绝对离解能（在10-20 meV/H2O范围内）方面做了合理的工作，但没有预测四种异构体的正确能量顺序，也没有预测正确的低总能量异构体。所有的xc泛函测试预测书或环状异构体具有最大的离解能。一个多体分解内的六聚体的总相互作用能导致的结论是，失败在于在考虑的xc泛函的范德华力（分散）的描述不佳。它示出的经验成对（有吸引力的）C6/R6校正某些泛函的添加允许改进的能量排序的六聚体。这些结果的相关性密度泛函模拟液态水也进行了简要讨论。
2008-08-22 cond-mat.mtrl-sci
Polar morphologies from first principles: PbTiO$_3$ films on SrTiO$_3$ substrates and the $p(2 \times Λ)$ surface reconstruction
由铁电（FE）PbTiO $_3$（PTO）和量子顺电SrTiO $_3$（STO）组成的低维结构是诸如极波、磁通闭合畴和极性Skyrmion相的复杂极化织构的宿主。密度泛函理论（DFT）模拟可以提供对这种顺序的深入了解，但是，受到模拟数千个所需原子所需的计算工作量的限制。为了解决这个问题，我们使用新的多站点支持函数（MSSF）的DFT方法，以减少电子基态的解决方案的时间，同时保持高精度。使用MSSFs，我们模拟STO衬底上的薄膜PTO薄膜与系统大小的$>2000$原子。在极坐标极限下，具有圆柱形手征气泡的极波织构作为全通量封闭域和面内极化之间的中间相出现。这是由[001]方向上的成分破缺反转对称性产生的内部偏置场驱动的。由于这种偏置场的确切性质敏感地取决于膜的边界条件，这通知一个新的设计原则，通过仔细选择基板，表面终止或使用覆盖层操纵手性秩序的纳米尺度。反铁磁畸变（AFD）秩序局部相互作用，这些极性纹理产生强大的FE/AFD耦合在PbO终止表面驱动$p(2 \times Λ)$表面重建。这为铁电性的局部控制提供了另一条途径。
2020-07-01 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Tiling decomposition multiplicity predicts stability of GaN(0001) surface reconstructions
Computer Centre, Gakushuin University（学习院大学计算机中心）；Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University（九州大学应用力学研究所）；Institute of High Pressure Physics, Polish Academy of Sciences（波兰科学院高压物理研究所）
研究GaN(0001)表面重构稳定性，将搜索转化为离散平铺问题，通过列举所有构型及平铺分解多重性预测稳定性，减少候选集，确定局部机制，提供覆盖保证和稳定结构预测途径。
2026-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Force-matched embedded-atom method potential for niobium
合金中的塑性形变和相变的大规模模拟需要可靠的经典原子间势。作为合金势发展的第一步，我们构建了铌的嵌入原子势。优化的潜在参数，一个收敛良好的密度泛函理论（DFT）的力量，能量和应力的集合产生了一个可靠的和可转移的潜在的分子动力学模拟。该势精确地描述了与拟合数据相关的属性，并且对于拟合范围之外的量也会产生出色的结果。结构和弹性性质，缺陷能量学和热行为与DFT结果和实验数据比较好，例如，DFT的表面能再现误差小于4%，广义堆垛层错能从DFT值相差小于15%，和熔融温度是在2%的实验值。
2010-04-23 cond-mat.mtrl-sci
Lattice Reconstruction and Orbital Hybridization Suppress Magnetism in TaCo$_2$Te$_2$
University of Jyväskylä（于韦斯屈莱大学）；Synchrotron SOLEIL（SOLEIL同步辐射中心）；Aalto University（阿尔托大学）
通过STM/STS、nc-AFM、ARPES和DFT研究，发现TaCo$_2$Te$_2$中晶格重构导致电子对称性从六角变为四方，并通过增强轨道杂化稳定非磁基态，抑制了未重构结构中的磁性不稳定性。
2026-06-26 cond-mat.mtrl-sci
Investigating Polaron Formation in Anatase and Brookite TiO2 by Density Functional Theory with Hybrid-Functional and DFT + U Methods
锐钛矿和板钛矿是具有增强的光催化性能的坚固材料。在这项研究中，我们使用密度泛函理论（DFT）的混合功能和Hubbard在现场的潜力的方法来确定电子和空穴极化子的几何形状的钙钛矿和板钛矿和他们的能量。用DFT和杂化泛函方法预测了局域电子和空穴极化子在量子阱中不会形成。相比之下，板钛矿形成电子和空穴极化子。板钛矿的电子极化子溶液表现出共存的局域态和离域态，与空穴极化子主要分散在两个配位的氧离子。在4 eV到10 eV的宽范围内的Hubbard现场电位测试表明，板钛矿极化子在6 eV处形成，而极化子在8 eV处形成。在哈伯德模型下，板钛矿电子极化子总是位于单个钛离子上，而空穴极化子分散在四个氧原子上，这与混合DFT研究一致。电子极化子在较低的现场电位分散，但在较高的电位更本地化。这两种方法都预测板钛矿具有更高的驱动力，形成极化子比铌酸锂。
2019-05-03 cond-mat.mtrl-sci
Quantum Monte Carlo Benchmarking of Molecular Adsorption on Graphene-Supported Single Pt Atom
University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Konkuk University（建国大学）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
本研究通过量子蒙特卡洛方法评估了石墨烯支撑单个铂原子上分子吸附的计算性能，揭示了DFT与DMC在吸附能预测上的差异及CO中毒问题。
2025-08-29 cond-mat.mtrl-sci
DFT Studies of Adsorption of Benzoic Acid on the Rutile (110) Surface: Modes and Patterns
利用维也纳从头计算模拟软件包（VASP），研究了苯甲酸在金红石（110）表面的吸附，包括未重构和（1x 2）重构的金红石，在饱和覆盖度下，每两个相邻的五配位Ti 5c位置上有一个苯甲酸盐.为了研究氢键和范德华力对不同吸附质覆盖层超结构相对稳定性的影响，采用局域密度近似（LDA）、广义梯度近似（GGA）和DFT-D2方法进行了研究.通过计算发现，虽然优化结构与实验结果符合较好，但不同覆盖层结构的相对能量稳定性与实验结果存在一定差异。在GGA计算中，涉及沿（001）方向排列的苯环的覆盖层结构被证明比垂直于它排列的那些更稳定，无论苯甲酸酯是在（1x 1）-未重构表面上还是在（1x 2）-重构表面上以（1x 1）或（1x 2）对称排列。这与使用STM的实验研究相反，STM的观察结果显示，当吸附在（1x 2）重构表面上时，苯环的构型沿（110）方向排列。
2014-07-07 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic Mechanism Underlying the Si(111)-(7\times7) Surface Reconstruction Revealed by Artificial Neural-network Potential
Si（111）表面的7 \times 7重构可以说是迄今为止在自然界中观察到的最迷人的表面重构。然而，在它被发现60年后，支撑其形成的原子机制仍然不清楚。在实验上，它是事后观察的，因此其形成机制的分析只能与考古学类比进行。理论上，密度泛函理论（DFT）能正确预测Si（111）-（7 \times 7）基态，但不能模拟其形成过程，而经验势不能模拟其基态.开发了DFT质量的人工神经网络势，我们进行了精确的大规模模拟，以揭示Si（111）-（7 \times 7）表面的形成。我们揭示了一个可能的步骤介导的原子流行率限制过程，触发大规模的非保守原子重排，最显着的是，集体空位扩散的关键过程，介导一系列的选择性二聚体，角孔，堆垛层错和二聚体线斑图形成，以实现7 \times 7重建。我们的发现不仅可以解决这个著名的表面重建的长期谜团，还可以说明机器学习在研究复杂结构中的力量。
2020-11-30 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen permeation on defected α-Al2O3 surfaces: DFT calculations
实现可控聚变能的关键挑战之一是氚的自给自足。氢渗透阻挡层（HPB）的应用被认为是实现氚自给的必要条件。α-Al 2 O3是目前HPB的候选材料。然而，α-Al 2 O3的一个关键问题是，它的渗透率降低因子（PRF）将显着下降后，离子或中子辐照。目前，人们对相关机制知之甚少。为了揭示这一问题，采用密度泛函理论研究了氢在缺陷α-Al 2 O3表面上的动力学和能量变化，并与完好α-Al 2 O3表面进行了比较.结果表明，对于理想的α-Al_2O_3表面，氢从最外层向次表层迁移的势垒最高，这一迁移步骤是一个速率限制过程。相比之下，表面点缺陷大大降低了这一最大势垒。因此，氢可以通过表面缺陷优先渗透到材料的内部。这一发现有助于解释辐射下PRF显著降低的可能机制。
2020-05-31 cond-mat.mtrl-sci
Zinc blende ZnS (001) surface structure investigated by XPS,LEED and DFT
本研究结合XPS、LEED与DFT，证实闪锌矿ZnS (001)表面形成(1×2)富硫重构，并指出该新结构可能具有更高电导率。
2023-07-13 cond-mat.mtrl-sci
Physical exact conditions as regularizers for exchange-correlation in solids and surface chemistry
SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis（界面科学与催化SUNCAT中心）；SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福直线加速器中心）
研究DFT在固体和表面化学中交换关联近似的问题，指出针对表面结合能优化XC泛函可能使表面反应势垒描述变差，强调满足物理精确条件的重要性。
2026-07-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Dispersion Corrected DFT Study of Pentacene Thin Films on Flat and Vicinal Au Surfaces
本文采用密度泛函理论研究了并五苯超薄膜在平面[（111）]和邻位[（455）] Au表面上的性质。我们已经进行了晶体和电子结构的计算，通过使用PBE和optB 86 b-vdW泛函和研究的影响，从一个单一的孤立分子的覆盖范围从4单层的覆盖范围不同的覆盖范围的长程范德华相互作用。对于一个孤立的分子，这两个功能产生的中空网站作为最稳定的一个与桥60网站是非常接近的能量的情况下optB 86 b-vdW。并五苯在台阶边缘的结合强度远大于在阶地上的结合强度。比较了不同的实验报道的单层结构，发现（6 x 3）晶胞比（2 x 2 $\sqrt{7}$）和（2 x $\sqrt{31}$）晶胞在能量上更稳定。对于一个单层膜，虽然分散校正的计算有利于平台上的平坦并五苯分子，但标准（PBE）计算发现倾斜和平坦构型在能量上相似（在（111）表面上）或有利于倾斜构型（在（455）表面上）。用optB 86 b-vdW泛函进行的PDOS计算表明，与（111）表面相比，（455）表面的Au态上分子轨道的分散度更大，表明并五苯-金界面处的载流子传输增强，有利于邻位表面。从第二个单层开始，两个泛函都有利于两个表面的倾斜配置。我们的研究结果强调了分散校正的重要性，松散的结合系统，如并五苯在金和步骤的边缘在确定多层膜结构和电荷转移在有机分子-金属界面所发挥的作用。
2014-12-02 cond-mat.mtrl-sci
Fast and stable tight-binding framework for nonlocal kinetic energy density functional reconstruction in orbital-free density functional calculations
针对无轨道密度泛函理论中非局域动能密度泛函计算成本高的问题，提出结合密度泛函紧束缚方法的重构框架，通过简化能量泛函并减少重复计算，实现效率数量级提升且保持高精度与稳定性。
2024-12-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Electronic structure of InAs and InSb surfaces: density functional theory and angle-resolved photoemission spectroscopy
表面的电子结构对量子器件的性能起着关键作用。然而，曲面也是模拟和工程最具挑战性的。在这里，我们使用密度泛函理论（DFT）和角度分辨光电子能谱（ARPES）相结合的方法研究了InAs（001），InAs（111）和InSb（110）表面的电子结构。我们能够执行大规模的第一原理模拟，并通过使用DFT计算和机器学习的Hubbard U校正来捕获不同表面重建的效果[npj Comput. Mater. 6，180（2020）]。为了便于直接与ARPES结果进行比较，我们实现了一个“散装展开”计划，通过投影计算的能带结构的超级电池表面板模型到散装原始电池。对于所有三个表面，我们发现DFT计算和ARPES之间有很好的一致性。对于InAs（001），模拟澄清了表面重构的效果。不同的重建被发现产生独特的表面状态。对于InAs（111）和InSb（110），模拟有助于阐明氧化的影响。由于从As到O的电荷转移大于从Sb到O的电荷转移，InAs（111）的氧化导致显著的能带弯曲并产生电子袋，而InSb（110）的氧化则不会。我们结合的理论和实验结果可以为基于InAs和InSb半导体的量子器件的设计提供信息，例如，拓扑量子位利用马约拉纳零模式。
2020-12-29 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph quant-ph
Hydrogen in Brownmillerite Perovskites: First-Principles Insights into Energetics and Induced Electronic-Magnetic Changes
Auburn University（奥本大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；University of Latvia（拉脱维亚大学）
研究通过DFT分析氢在氧化物中的作用，揭示氢吸收对电子结构和磁性的影响，提出设计氢响应氧化物的规则。
2026-01-29 cond-mat.mtrl-sci
The Formation of Self-Assembled Nanowire Arrays on Ge(001): a DFT Study of Pt Induced Nanowire Arrays
在Ge（001）表面上沉积亚单层Pt后，经过高温退火，纳米线（NW）阵列自发形成。这些纳米线是单原子宽，其长度仅受它们唯一连接的底层β-平台的限制。利用从头计算密度泛函理论（DFT）计算，我们研究了可能的几何形状的纳米线和衬底。通过计算的扫描隧道显微镜（STM）图像与实验进行直接比较。基于这些图像，几何形状的β-平台和纳米线的确定，和纳米线的形成路径作为增加局部Pt密度的函数。我们发现β-平台是一个二聚体行表面重建与棋盘格图案的锗锗和铂锗二聚体。最值得注意的是，计算结果与实验STM图像的比较表明，纳米线由嵌入在底层表面的Pt内衬槽中的锗原子组成，与先前在实验中假设的相反。
2011-02-01 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.pop-ph
Vacancy clusters at domain boundaries and band bending at the SrTiO$_3$(110) surface
利用扫描隧道显微镜、X射线光电子能谱和密度泛函理论（DFT）计算研究了SrTiO $_3$（110）表面（$n \times 1$）（$n=4,5$）重构中的反相畴界.两种类型的APDB形成的每一个重建，它们由Ti $_x$ O $_y$空缺集群与特定的化学计量。这些团簇的存在由退火期间的氧压控制。用密度泛函理论对空位团簇的结构模型进行了解析，结果表明空位团簇的相对稳定性取决于氧的化学势。表面能带弯曲可以通过控制畴界处的空位团来调节。
2018-04-12 cond-mat.mtrl-sci
Ferrimagnetic Slater Insulator Phase of the Sn/Ge(111) Surface
我们对Sn/Ge（111）表面进行了半局域和混合密度泛函理论（DFT）研究，以确定在低于${\sim}$ 30 K时观察到的绝缘${\sqrt{3}}{\times}{\sqrt{3}}$相的起源。与半局域DFT计算预测金属3-${\times}$ 3基态的结果相比，考虑范德华相互作用的混合DFT计算表明，具有${\sqrt{3}}{\times}{\sqrt{3}}$结构对称性的绝缘亚铁磁结构在能量上优于金属3-${\times}$ 3结构.结果表明，自相互作用误差的校正与混合交换相关泛函引起的亚铁磁序引起的带隙开放。结果表明，所观察到的绝缘相是归因于斯莱特机制通过巡回磁序，而不是迄今为止接受的莫特-哈伯德机制通过电子关联。
2013-10-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Band Structure Engineering, Optical, Transport, and Photocatalytic Properties of Pristine and Doped Nb3O7(OH): A Systematic DFT Study
本研究通过系统DFT分析，探究原始及Ta/Sb掺杂Nb3O7(OH)的结构、能带工程等特性，发现掺杂可减小带隙、红移光学阈值并提高载流子迁移率，为其光催化及光电化学应用提供理论依据。
2025-02-14 cond-mat.mtrl-sci
Improved screening of doped ZrO$_2$ catalysts for CO$_2$ hydrogenation from graph-based machine learning
Center for Interstellar Catalysis, Department of Physics and Astronomy, Aarhus University（奥胡斯大学物理与天文系星际催化中心）
该研究开发WWL-GPR图机器学习方法，引入氧化物表面相关特征，预测掺杂ZrO₂表面的吸附与过渡态能量，其性能优于线性标度方法，经微观动力学计算可更准确估计CH₃OH产率，为掺杂氧化物催化剂筛选提供高效替代方案。
2026-10-12 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio optical properties of Si(100)
我们用DFT-LDA计算了不同结构的清洁和氢化Si（100）表面的线性光学性质。根据Car-Parrinello方案中的自洽总能量计算确定的表面平衡原子几何形状强烈影响反射各向异性光谱（RAS），显示p（2x 2）和c（4x 2）重建之间的差异。c（4x 2）重构的微分反射率光谱在能量< 1 eV处显示出正峰，与实验结果一致。
1999-06-23 cond-mat.mtrl-sci
Quantifying Confidence in DFT Predicted Surface Pourbaix Diagrams of Transition Metal Electrode-Electrolyte Interfaces
密度泛函理论（DFT）计算已被广泛用于基于反应中间体的自由能来预测催化剂的活性。在构建自由能图的同时，在电化学操作条件下结合催化剂表面的状态是至关重要的，没有它，甚至可能不准确地捕获活性预测的趋势。表面Pourbaix图表明表面状态作为pH和电位的函数。在这项工作中，我们利用误差估计能力内的BEEF-vdW交换相关功能作为一个合奏方法传播的不确定性与Pourbaix图的建设中的吸附能量。在这种方法中，表面过渡相边界不再尖锐，因此与有限的宽度相关联。我们确定了几种过渡金属的表面相图的反应条件和电极电位相关的氧还原反应（ORR）。我们观察到，我们的表面相预测最主要的物种是在良好的协议与循环伏安实验和先前的DFT研究。我们使用OH $^*$中间体来比较Pt（111）、Pt（100）、Pd（111）、Ir（111）、Rh（111）和Ru（0001）上的吸附特性，因为它已被证明相对于O $^*$具有更高的预测效率，并且发现对于（111）金属面，Ru>Rh>Ir>Pt>Pd的趋势，其中Ru与OH $^*$的结合最强。我们通过将c值与Pourbaix图中预测的置信度相关联来稳健地预测可能的表面相作为反应条件的函数。我们定义了一个置信度量化度量，使用它可以更好地合理化某些实验观察到的表面相和峰分配。
2018-07-05 cond-mat.mtrl-sci
Theory of Alkali Induced Reconstruction of the Cu(100) Surface
LEED实验表明，Li在室温下吸附在Cu（100）表面引起（2x 1）缺失行衬底重构，而在较低温度（T=180 K）下的吸附导致未重构的Cu（100）+c（2x2）-Li覆盖层结构。基板重建尚未观察到钠，也不为K吸附。为了研究Li吸附物的特殊重构行为，我们对Cu（100）+Ad，Ad = Li，Na，K体系在覆盖度θ_Ad=0.25-0.5下进行了从头算密度泛函计算.计算表明，（2 × 1）MR重建表面位于能量以上的理想（1 × 1）表面的0.2 eV每单位电池。然而，与理想表面相比，MR几何结构中的碱结合更强，在理想表面中，从Li到Na到K，键强度的增加变得更小。结果表明，对于Cu（100）+Li，MR重构体系和吸附质体系在能量上非常接近，而对于Na和K，吸附质体系总是倾向于吸附质体系。
1996-09-26 cond-mat.mtrl-sci mtrl-th
Energetic, electronic and magnetic properties of Mn-dimers on reconstructed (001) GaAs surfaces
我们研究了在重建的$(001)$ GaAs表面上的稀释置换Mn对的能量、磁性和电子性质。这些研究是基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算。我们证明了系统的稳定性强烈依赖于位置，取向和Mn原子之间的距离构成对。独立考虑的表面重建模式，锰对与锰原子是最近的邻居（NN）的阳离子亚晶格变成是积极的更有利的比对锰原子之间的距离较大。然而，Mn-NN-对的优先堆积取向取决于表面重构，并且平行于$[110]$或$[1\bar{1}0]$晶体学方向。我们还揭示了Mn-NN对的磁有序机制。沿着$[110]$结晶方向的Mn-NN对总是表现出Mn自旋的铁磁对准，而沿着$[1\bar{1}0]$方向的Mn-NN对中的自旋大多是反铁磁对准的。在含铁磁自旋Mn对的体系的电子结构中，我们观察到费米能级附近的价带空穴态。这表明，在这个原型的稀磁半导体的表面铁磁性可以解释的$p$ - $d$齐纳模型。
2017-03-17 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic behavior of metal surfaces under high electric fields
结合经典电动力学和密度泛函理论（DFT）计算，我们开发了一个通用的和严格的理论框架，描述了高电场下的金属表面的能量。我们表明，在电场的存在下，表面原子的行为可以描述在其附近的永久和场生电荷的极化特性。我们使用DFT计算的情况下的W吸附原子的W{110}表面，以确认我们的理论的预测和量化其系统的具体参数。我们的定量预测的扩散的W-on-W{110}下的字段是与实验测量符合得很好。这项工作是朝着开发这种系统的原子计算模型进行长期模拟迈出的关键一步。
2019-05-16 cond-mat.mtrl-sci
Importance of Dispersion and Relativistic Effects for ORR Overpotential Calculation on Pt(111) surface
密度泛函理论（DFT）已成为研究氧还原反应（ORR）催化剂活性的重要工具。分散效应，这是没有遇到在许多以前的DFT研究周期性Pt（111），仔细检查它们的作用，在预测的ORR活动的Pt（111）表面。自旋轨道耦合被用来解释重金属铂预期的相对论效应，这在之前对Pt（111）的任何研究中都没有得到解决。用常用的色散方法分析了中间体的吸附行为和ORR基元反应的自由能变化。观察到ORR能量学的累积增强和理论极限电位的最大25%的改善。该研究说明了考虑这些影响的重要性，更好地预测铂基催化剂的电催化活性。
2019-08-23 cond-mat.mtrl-sci
Structure and stability of the Si(331)-(12x1) surface reconstruction
最近，我们提出了一种新的结构模型的Si（331）-（12 × 1）表面重建含有硅五聚体作为基本结构的积木。利用第一性原理密度泛函理论，我们在这里研究了各种吸附原子构型的稳定性，并确定了最低能量构型。我们还详细比较了Si（331）-（12 x1）模型和Si（110）-（16 x2）的吸附原子-四聚体-间隙模型之间的能量学，它们具有相同的结构构建块。
2009-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Coadsorption of CO and O on Ru(0001): A structural analysis by density functional theory
表面的原子几何知识是详细了解表面电子结构和化学性质的先决条件。以前的研究已经令人信服地表明，密度泛函理论（DFT）产生准确的表面原子几何形状和可靠的预测有关的稳定和亚稳相可以计算的能量的基础上。本文用密度泛函理论研究了一氧化碳和氧在Ru（0001）表面共吸附的四种有序相的原子结构。所有的结构都具有（2x2）周期性，具有不同浓度的CO分子和O原子。对于其中两个阶段的动态低能电子衍射（LEED）的强度分析已经进行了我们的DFT和LEED确定的结构之间的协议被发现是非常好的。我们预测的原子几何形状的第三阶段，没有结构测定的基础上的实验已经取得了日期。我们还预测了一个新的有序混合相的稳定性。
1998-08-24 cond-mat.mtrl-sci
A general-purpose machine learning Pt interatomic potential for an accurate description of bulk, surfaces and nanoparticles
本文提出一种基于DFT数据训练的铂高斯近似机器学习原子间势，在体相、表面和纳米颗粒性质上展现出高精度与优异迁移性，并以相图计算和纳米颗粒结晶研究验证了其建模能力。
2023-04-05 cond-mat.mtrl-sci
Surface Driven Bulk Reconstruction of Gold Nanorods
利用分子动力学模拟研究了2624个原子组成的金纳米棒的加热过程。我们发现，粗糙化的表面{110}面导致的形状转换和结构重排的表面和体原子的棒，以达到一个更稳定的配置。我们的研究结果表明，纳米棒的稳定性是由表面刻面的自由能。
2004-10-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
