贺朝会, 唐 杜, 李 奎

(西安交通大学 核科学与技术学院, 西安 710049)

辐射在材料中产生位移损伤是一个从微观到宏观的过程，一般经历离位级联、热峰阶段、缺陷初步演化和缺陷迁移4个阶段[1]，最终导致材料宏观性能的改变。实验中可观察的是宏观性能的变化过程，微观变化过程只有通过数值模拟才能揭示。位移损伤效应的模拟难度很大，因为它涉及一个多尺度的变化过程，材料尺寸从亚纳米到米量级，时间从亚皮秒到年量级，如图1所示，这需要用到多种不同的方法和软件进行多尺度的模拟研究[2]，如图2所示。

图1 材料性能多尺度变化示意图Fig.1 Multi-scale sketch map of material performance change

图2 多尺度数值模拟方法示意图Fig.2 Multi-scale sketch map of numerical simulation methods

1 第一性原理[3-9]

第一性原理方法(first-principle method)也被称为从头算方法(ab initio methods)，是指基于量子力学理论，完全由理论推导而得，不使用除基本物理常数和原子量以外的实验数据以及经验或者半经验参数的求解薛定谔方程的计算方法。基本思想是：将多原子构成的体系理解为电子和原子核组成的多粒子系统，根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学基本原理最大限度地对问题进行“非经验性”处理。

量子力学描述n粒子体系的波函数包含3n个坐标，相应的薛定谔方程是含3n个变量的偏微分方程，而针对绝大部分问题涉及的体系，这就会是一个非常复杂甚至无法解决的问题。

密度泛函理论(density-functional theory，DFT)采用电子密度分布n(r)作为基本变量，而非波函数，研究原子、分子、固体等多电子体系的基态性质。……