开放体系含时密度泛函方法的发展和应用

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本论文致力于研究开放体系的电子含时演化过程。随着对微观体系研究的不断深入,体系内电子演化过程成为人们关心的问题。含时密度泛函-级联方程组方法为电子含时演化过程提供了即具精确性又兼顾效率的解决方案。开放体系的含时密度泛函方法把整个体系分为两个部分:开放体系,外部环境。通常研究所关心的区域相对于整个体系而言为很有限的区域,这一部分区域即为开放体系,而整个系统的其他部分称为外部环境。开放体系的含时密度泛函方法通过结合代表环境影响的谱函数,得到开放体系的含时演化方程。本文安排如下:第一章介绍了开放体系含时密度泛函方法的研究背景。含时密度泛函方法已经被广泛应用于微观体系电子性质研究,而Zheng和Chen等人提出的含时全息电子密度定理为其推广到开放体系提供了理论基础。推广过程中最大难点在于解决演化方程的耗散项,在本章中介绍了非平衡格林函数方法得出耗散项的展开式,并通过绝热宽带近似方法得到闭合的开放体系演化方程。在绝热宽带近似中,由于忽略了谱函数随能量的变化,简化了系统格林函数中的记忆效应,可能会导致计算结果出现一定偏差。在这样的背景下,含时密度泛函-级联方程组方法应运而生。第二章介绍了含时密度泛函-级联方程组方法的得来和发展。首先简单介绍了级联方程组方法的历史,并指出了级联方程组方法与含时密度泛函结合的天然优势,即在单电子近似情况下级联方程组方法的阶数可以自动截断在二阶。然后利用宽带近似方法或谱分解方法把含时密度泛函-级联方程组方法中关于能量的积分变为加和形式,以便进行数值计算。其中宽带近似方法仍然忽略了谱函数随能量的变化,为了保证计算结果的精确性,在本文的实际计算中使用的为洛伦兹谱分解方法。在第三章中,我们将方法应用于两种模型体系,准一维原子链模型和二维石墨烯模型,研究了不同维度下开放体系中电子演化的过程。首先介绍了对于准一维体系环境谱函数的求解方法,并计算了原子链中电流对电压的响应。值得指出的是,之前关于开放体系含时密度泛函方法的研究通常局限于准一维体系,在本章我们通过引入倒易空间取点方法,把此方法推广到二维表面体系,并计算了石墨烯表面体系电子密度分布对局部微扰的响应。在利用含时密度泛函方法研究微观体系电子性质过程中,不可避免的会采用不同边界条件。除了含时密度泛函-级联方程组方法中的开放边界条件,还有研究分子体系常用的孤立边界条件和研究晶体体系常用的周期性边界条件。在第四章中,我们对比了不同边界条件对电子演化过程的影响,发现开放边界条件对于研究局部微扰系统的重要性。同时在对比过程中也验证了含时密度泛函-级联方程组方法的精确性。
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