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如果有人问“什么是第一性原理”，你会怎么回答？似乎字面上看起来好像是一个很有玄机，很有哲理的名词。
那么，在物理、材料领域，它是什么意思？第一性原理，是以薛定谔方程为基础，预测材料性质的一系列理论方法。与之对应的方法是材料学中常用的各种经验公式。相比于经验公式存在着可靠性和普适的问题，只要给出材料的微观结构，应用第一性原理理论上就能精确地算出各种性质。
那么，应用第一性原理在材料学上有什么用？这里介绍一二。
一、晶体结构预测
晶体结构是人们深入理解材料的最基本性质的基础，尤其对揭示材料微观结构与弹性、电子、声子和热力学等本征性质关系具有非常重要作用。尽管，目前实验上可通过X-光衍射技术等方法确定晶体微观结构，但实验测量往往受样品纯度、杂质污染、衍射信号强弱以及实验条件不足等限制，特别在超高温与超高压等极端条件下，通过实验手段测定材料晶体结构面临极大挑战。
因此，不依赖实验数据，而通过理论计算预测特定条件下的晶体结构，对于发现新材料和探索材料物理化学性质，具有十分重要科学意义与工程应用价值。基于第一性原理的密度泛函理论，在材料晶体结构预测及性质计算方面正在发挥越来越大作用。
二、材料的本征性质计算
几何性质 结构参数（键长、键角、晶格参数、原子位置），稳定构型等 |
电子性质 电子态密度、能带结构、电荷密度分布、电子局域函数ELF等 |
力学性质、状态方程 弹性常数、弹性矩阵、体弹性模量 |
光学性质 介电常数、吸收光谱、折射率等 |
表面性质 表面重构、缺陷、表面能量、STM模拟、表面吸附能等 |
从头分子动力学模拟 扩散系数、粘性系数、熔化曲线等 |
磁学性质 共线和非共线性磁性、自旋轨道耦合 |
晶格动力学性质 声子谱、基于简谐近似热力学性质等 |
计算材料的激发态 GW准粒子修正 |
材料超导电性计算 超导转变温度、谱函数 |
当然，第一性原理在材料科学中的应用还有很多，在此不一一描述了。
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