非均匀电子气无限扩展系统的Kohn-Sham方程自洽求解

Kohn-Sham近似下的密度泛函方法被广泛用于研究多电子系统的性质。由于Kohn-Sham方程的非线性，一般的自洽搜索方法涉及交替求解泊松方程和薛定谔方程的迭代。这种方法的一个问题是，通过求解薛定谔方程更新的电荷分布不符合库仑势泊松方程的边界条件。由此产生的迭代不稳定性甚至发散在无限扩展系统的情况下表现得最为明显。已发表的解决该问题的尝试实际上归结为放弃原始迭代方法，代之以某种近似计算方案，该方案通常是半经验的，并且不允许评估与精确解的偏差程度。在这项工作中，我们实现了针对具有非均匀电子气的扩展系统求解Kohn-Sham方程的迭代方案，该方案基于消除库仑相互作用的长程特性，因为它是电荷分布与边界条件紧密耦合的原因。所提出的算法被用于计算由无限高势垒界定的半无限简并电子气的能谱、自洽势和静电电容，以及凝胶模型下简单金属的功函数和表面能。分析了自洽Hartree解与考虑交换关联相互作用的解之间的差异。对金属-半导体隧道接触的案例研究表明，该方法可应用于可能存在稳态电流的无限扩展系统。