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一种适于大尺度复杂纳米体系材料模拟的半经验哈密顿方法
引言：
在纳米尺度下，材料的性质展现出复杂的变化。因此，模拟和理解大尺度的纳米体系的性质是材料科学的一个重要问题。计算材料科学在过去几十年中取得了巨大的进展，其中原子尺度下的分子动力学模拟、量子化学模拟和晶体学计算等模拟方法得到广泛应用。然而，由于材料的复杂性和尺度效应的存在，这些方法面临着局限性。为了克服这些局限性，半经验哈密顿方法（semi-empiricalHamiltonianmethod）变得越来越受欢迎。
本文旨在介绍半经验哈密顿方法并探讨其在大尺度复杂纳米体系材料模拟中的应用。
半经验哈密顿方法：
半经验哈密顿方法是一种用于材料模拟的半经验近似。它在量子力学（QM）和经典力学（CM）之间建立了联系，将QM的效应用于分子结构，而将CM的效应用于近似QM难以解决的大系统。因此，半经验哈密顿方法结合了QM和CM的优点，从而可以处理所研究材料的大尺度特征，并提供原子尺度的细节。
半经验哈密顿方法的关键是得到与精确QM势能面相似的势能面。它通过实验和QM计算得到材料的原子参数，包括键长、键角、电荷分布、电离能和电子亲和能。这些参数被用于构建势能函数，即哈密顿量。与QM模拟相比，哈密顿函数的复杂性要低得多，因此可以应用于较大规模的系统。
半经验哈密顿方法的一个优点是它的计算速度要比QM方法快得多。因此，它可以用于大型体系模拟，这在QM方法方面是不可能的。此外，半经验哈密顿方法可以用于材料的设计和计算，例如合金的设计，提高材料的性能并研究材料的稳定性。
应用：
半经验哈密顿方法已被广泛应用于各种材料的模拟，包括有机分子、聚合物、半导体、金属、氧化物和催化剂等。
例如，在有机分子领域，半经验哈密顿方法被用于研究压电效应和非线性光学。在半导体领域，它被应用于模拟能带结构、激子态和电荷传输。在金属领域，它被用于研究晶体生长和界面物理学。在氧化物和催化剂领域，它被应用于模拟催化反应、表面吸附和催化剂设计。此外，半经验哈密顿方法还被用于材料的电子结构和光学性质的研究。
总结：
半经验哈密顿方法是一种适用于大尺度复杂纳米体系材料模拟的有力工具。它具有与QM方法相比的计算速度和可扩展性。然而，半经验哈密顿方法也存在一些局限性，包括低精度和对计算参数的依赖。因此，在使用半经验哈密顿方法时，需要根据研究目的和系统尺寸进行权衡和选择。
未来，可以进一步提高半经验哈密顿方法的准确性和有效性，例如将它与其他计算方法相结合，从而更好地探索纳米体系的性质和提高材料的性能。
参考文献：
1.Gutiérrez-Sevillano,J.J.,Algarabel,P.A.,Borras,A.,&López-Quintela,M.A.(2017).Semi-empiricalHamiltonianmethodsformolecularsimulations.CurrentOpinioninChemicalEngineering,15,33-40.
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3.Wu,L.(2015).Applicationsofsemi-empiricalquantummechanicalmethodsinthestudyofmaterials.MaterialsScienceandEngineering:R:Reports,91,1-47.