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定义
密度泛函理论（DFT ）是一种基于量子力学的原子级模拟方法，可用于计算几乎任何类型原子系统的各种性质：包括分子、晶体、表面，甚至在与非平衡格林函数（NEGF）结合使用时，还能计算电子器件的性质。
DFT 属于第一性原理（ab initio）方法家族，之所以得名，是因为这些方法无需任何实验数据即可预测未知体系的材料性质。其中，DFT 因所需计算量相对较低而广受欢迎。
DFT 法被广泛应用于有机化学、无机化学、冶金或陶瓷等材料科学领域，以及电子材料等领域，仅举几例。
简要的历史背景
20世纪初量子力学的突破性进展，终于为关于原子本质和性质的许多悬而未决的问题提供了答案。 然而，将这些原理应用到分子和固态材料等更复杂的系统上却困难得多；即使在经典物理学中，三体问题（例如太阳、月球和地球的联合轨道运动）也没有通用的解，而仅仅要描述一个水分子，我们就必须处理十个电子和三个原子核。
密度泛函理论（DFT ）的成功与适用性，源于沃尔特·科恩（Walter Kohn）、皮埃尔·霍恩伯格（Pierre Hohenberg）和卢·朱·沙姆（Lu Jeu Sham）在20世纪60年代中期所做的一些非常精妙的发现。他们没有将注意力集中在单个电子上，而是将电子密度作为需要求解的基本变量，并进一步将多体问题重新表述为一个等效的单粒子问题，由此诞生了密度泛函理论。
在随后的几十年里，许多研究者将该方法发展成为一种实用的工具，借助强大的数值计算机的应用，DFT 已成为材料科学、化学以及许多其他领域中不可或缺的工具。通过相对简单的引入自旋自由度，该方法得以描述磁性系统；此外，还可以处理相对论效应，甚至超导现象。
DFT 解决了哪些问题？
原子级建模（尤其是DFT 计算）通过以下两种截然不同的方式，为从事化学品、电子材料等领域研究的科研人员和科学家带来了显著价值：
- 由于DFT 能够处理周期表中几乎任何元素的任意原子排列方式，且无需实验输入参数，因此它具有很强的预测能力，即使是对完全新型的分子或材料也是如此。 通过这种方式，原子级模拟能够缩短开发 的时间并降低成本，因为在进入实验室处理那些性质和行为未知、且可能具有危险性的昂贵化学品之前，已通过筛选确定了有前景的材料候选者。借助高性能计算机（HPC）集群，一个人即可并行筛选数百甚至数千种材料，其数量远超人类在同一时间能够进行的实验数量。
- 其次，利用DFT 的计算结果，有助于理解材料和器件在不同条件下的行为表现，以及操作 。经过培训的DFT 用户能够将测量数据与模拟结果进行关联，从而对材料或器件中观察到的某些效应的物理成因得出结论——这些效应无法通过简单模型轻易解释。这种洞察对于全面利用 相关效应和材料至关重要，对于例如缩小器件尺寸、优化材料选择或工艺条件而言，其重要性更是不言而喻。
因此，得益于其预测能力和原子级量子力学特性，DFT 已成为技术探索的关键工具，可用于探索新型材料和奇异物理现象——这往往是在首台测试设备制造出来之前数年，甚至在新材料尚未通过实验得到全面表征之前！
DFT 在 新思科技 产品组合中的定位如何？
新思科技 推出的 QuantumATK 原子级建模平台是市场上最先进、功能最全面的材料模拟软件之一。它可用于计算复杂分子、非晶和晶体材料、界面，甚至原子级器件的电子、热学、力学、光学、磁学、铁电、热电等众多性质。 该软件不仅设计高效、多功能且稳定可靠，同时易于使用，适合新手入门；它既提供 NanoLab图形用户界面 界面，也为经验丰富的用户提供 Python 脚本功能，以便自动化任务并创建高级工作流和数据分析。
QuantumATK 还可以与TCAD 工具和DTCO 工作流集成，以支持在工艺仿真和新型器件架构中应用新材料。通过专门设计的以应用为中心的模块，即使对DFT 理论了解有限的工程师，也能通过专注于输入关键设计参数来利用原子级建模的优势，而软件内的专家系统会自动调整数值和计算参数，从而获得准确且快速的计算结果。
超越DFT
请注意，QuantumATK 不仅仅是一个DFT 代码！它还包含力场和半经验模型，这些模型在同一代码环境中协同工作所产生的协同效应，使得解决一些独特的问题成为可能，例如在热模拟或电子输运模拟中，将声子的经典势能与电子的DFT 模型相结合，或者利用机器学习为新材料拟合精确的力场。
此外，QuantumATK 的开发目标是尽可能在复杂材料及多种不同条件下提供最贴近现实的物理结果。这需要一个能够处理超大系统DFT 计算的模拟引擎，我们也在不断添加新模型，旨在更快地提供更准确的结果。 LCAO-HSE 模型能够准确描述不同材料之间的能带对齐情况，例如在高介电常数金属栅极堆栈（HKMG）中，即使在含有 3000 多个原子的系统中也能做到；而 NEGF 方法则能够描述复杂原子尺度器件中的电子输运（如有需要，还可包含声子散射）。
了解更多 关于QuantumATK如何在半导体物理学/器件技术领域进行准确且可靠的密度泛函理论（DFT ）模拟。
QuantumATK 案例研究
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