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定義
密度泛函理論 (DFT) 是一種基於量子力學的原子級模擬方法，可用於計算幾乎任何類型原子系統的各種性質：包括分子、晶體、表面，甚至在結合非平衡格林函數 (NEGF) 時，還能計算電子裝置的性質。
密度泛函理論（DFT）屬於第一性原理（ab initio）方法的一類，之所以如此命名，是因為這些方法無需任何實驗數據，即可預測未知系統的材料性質。在這些方法中，DFT 因其所需的計算量相對較低而廣受歡迎。
密度泛函理論（DFT）方法廣泛應用於有機化學與無機化學、冶金或陶瓷等材料科學領域，以及電子材料等領域，這僅是其中幾個例子。
極簡要的歷史背景
20世紀初量子力學的突破性發展，終於為關於原子本質與性質的許多懸而未決的問題提供了答案。 然而，將這些原理應用於分子和固態材料等更複雜的系統，卻證明是更為困難的；即使在經典物理學中，三體問題（例如太陽、月亮和地球的聯合軌道運動）也尚無通用的解法，而僅是描述一個水分子，我們就必須處理十個電子和三個原子核。
密度泛函理論（DFT）的成功與適用性，源於沃爾特·科恩（Walter Kohn）、皮埃爾·霍恩伯格（Pierre Hohenberg）和盧·傑·尚（Lu Jeu Sham）於1960年代中期所提出的一些極其精妙的見解。他們不再聚焦於個別電子，而是將電子密度作為需求解的基本變量，並進一步將多體問題重新表述為等效的單粒子問題，由此催生了密度泛函理論（密度泛函理論 ）。
在隨後的幾十年裡，許多研究人員將此方法轉化為實用的工具；隨著強大數值計算機的應用，密度泛函理論（DFT）已成為材料科學、化學以及許多其他領域中不可或缺的工具。透過相對簡單的旋度自由度的引入，該理論得以描述磁性系統；此外，甚至還能處理相對論效應乃至超導現象。
DFT 能解決哪些問題？
總體而言，原子級建模（尤其是密度泛函理論（DFT）計算）透過兩種截然不同的方式，為從事化學品、電子材料等領域研究的科研人員與科學家帶來顯著價值：
- 由於密度泛函理論（DFT）基本上能夠處理週期表中任何元素的任何原子排列方式，且無需實驗輸入參數，因此即使面對完全嶄新的分子或材料，它仍具備強大的預測能力。 藉此，原子級模擬 能夠在進入實驗室之前，透過篩選具潛力的材料候選者，從而縮短開發時間並降低成本，避免在實驗室中處理那些性質與行為未知、且可能具有危險性的昂貴化學物質。透過運用高效能運算（HPC）叢集，單人即可並行篩選數百甚至數千種材料，其數量遠遠超過人類在同一時間內所能進行的實驗數量。
- 其次，密度泛函理論（DFT）計算有助於理解材料與裝置在不同條件下的行為與運作方式。受過訓練的 DFT 使用者能將測量數據與模擬結果相互關聯，從而針對材料或裝置中觀察到的某些現象——這些現象雖難以透過簡單模型直接解釋——推導出其物理成因。此類洞見對於充分發揮相關效應與材料的潛力至關重要；若要進一步縮小裝置尺寸、優化材料選擇或製程條件，此類洞見更是不可或缺。
因此，憑藉其預測能力與原子級的量子力學本質，密度泛函理論（DFT）是技術探索的重要工具，能探索 新型材料與奇異物理現象，這是在首個測試裝置製造出來之前數年，甚至在新材料尚未經實驗全面表徵之前便已實現！
DFT 如何融入 新思科技 產品組合中的定位為何？
新思科技 推出的QuantumATK 原子級建模平台，是市面上最先進且功能最全面的材料模擬程式之一。它可用於計算複雜分子、非晶態與結晶態材料、界面，甚至原子級裝置的電子、熱學、力學、光學、磁學、鐵電、熱電等眾多性質。 該程式不僅設計上兼具高效能、多功能與穩健性，同時也易於使用且適合新進使用者；它既提供 NanoLab 圖形化使用者介面，也支援 Python 腳本功能，讓經驗豐富的使用者能自動化執行任務，並建立進階的工作流程與資料分析。
QuantumATK 亦可與TCAD 工具及DTCO流程整合，以支援在製程模擬及創新裝置架構中採用新材料。透過特別設計的應用導向模組，即使對密度泛函理論（DFT）背景有限的工程師，仍能透過專注於輸入重要設計參數，來善用原子級建模；而軟體內的專家系統則會負責調整數值與運算參數，以獲得精確且快速的結果。
超越離散傅立葉變換（DFT）
請注意，QuantumATK 絕不僅僅是一個 DFT 程式碼！它同時包含力場與半經驗模型，而這些模型在同一程式碼環境中共存所產生的協同效應，使得我們能夠解決獨特的問題，例如在熱模擬或電子傳輸模擬中，將聲子用的經典勢能與電子用的 DFT 模型結合，或是運用機器學習來為新材料擬合精確的力場。
此外，QuantumATK 的開發目標是致力於在複雜材料及多種不同情境下，提供盡可能貼近現實的物理結果。這需要一個能夠處理超大規模系統密度泛函理論（DFT）計算的模擬引擎，而我們也持續新增各種新模型，旨在更快地提供更精確的結果。 LCAO-HSE 模型能夠精確呈現不同材料之間的能帶對齊，例如在高介電常數金屬閘極堆疊（HKMG）中，即使在含有 3000 多個原子的系統中亦然；而 NEGF 方法則能描述複雜原子尺度裝置的電子傳輸（若需要，亦可包含聲子散射）。
深入瞭解 關於QuantumATK 如何在半導體物理學／裝置技術領域中，進行精確且可靠的密度泛函理論 (DFT) 模擬。
QuantumATK 案例研究
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