第一性原理计算（first-principles calculation)是基于密度泛函理论（Density Functional Theory，简称DFT）的一种量子力学计算方法，它是建立在波恩-奥本海默绝热近似、非相对论近似以及单电子近似的基础上的计算理论。第一性原理计算的基本思想是将多个原子构成的体系看成是由多个电子和原子核组成的系统，只需要最基本物理常数：m0、e、h、c、kB，不采用任何实验得到的数据，以及经验、半经验参数来求解薛定愕方程。第一性原理计算能够从微观原子层面上揭示材料性质的本质规律，具有较高的预测精度，广泛应用于材料科学、化学、物理、催化、生命科学等领域。
第一性原理常见的体系包括但不限于金属单质、金属氧化物、合金、半导体材料、二维材料、钙钛矿、MOF、COF、表面结构、异质结构等。
常用的软件有：VASP, CASTEP, CP2K, QE等。
可以的计算的内容包括但不限于：
结构性质：晶格常数、原子坐标、键长、键角、XRD、表面能、界面能、形成能
电子性质：电荷密度、态密度、能带，投影态密度、投影能带、COHP、静电势、ELF、功函数
力学性质：弹性常数、弹性模量、体积模量、德拜温度、原子振动频率、压电张量
吸附体系：吸附能、结合能、差分电荷密度、bader电荷、mulliken电荷
催化性质：OER、ORR、HER、CO2RR、NRR、NO3RR、NORR、SRR、迁移能垒、过渡态搜索
光学性质：介电函数、折射率、吸收光谱、反射光谱、能量损失函数、激子结合能
声子性质：声子谱、声子态密度
磁 性 质：磁矩、磁化率
自由能台阶图
迁移能垒
能带
态密度
吸附能
过渡态
差分电荷密度
功函数
声子谱
光学性质
弹性性质
磁性质
电荷密度
空位形成能
火山图
COOP/COHP
声子态密度
电荷布居
电子局域密度函数
内建电场
布拜图
相图
d带中心
静电势
自旋密度
界面能
介电常数
剪切模量
能带电位匹配
泊松比
表面能
第一性原理分子动力学(AIMD)
能够体现催化反应进行的难易程度。
台阶图顾名思义，因它与台阶类似的形状而得名，是在电催化计算中最常见的一种表现形式。从台阶图中可以得到催化反应过程中各个中间步骤之间的自由能变化，其可以用来分析反应速率、确定反应决速步以及对比不同催化剂的催化活性等。
能垒越低，离子的迁移能力越强。
在锂离子、钠离子等电池等体系中，离子在电极材料中的迁移扩散的难易程度是体现电池性能的重要因素。在理论计算中，通过计算离子在不同迁移路径上的迁移能垒的大小，可以对比离子扩散的难易程度，能垒越低，离子迁移能力越强。
体现结构的电子性质的常用方法之一。
能带结构是指材料中所有电子能级的分布情况，包括价带和导带，价带顶和导带底之间的禁带宽度即为带隙。其中，价带顶的能量位置决定了材料的化学反应性质，导带底的能量位置决定了材料的电子传输性质。
态密度可以反应结构的成键信息等。
态密度（Density of States）表示单位能量范围内（E~E+ΔE）的电子数目，从态密度图中可以得到结构的成键信息、价带、导带、带隙以及不同原子轨道对于总的态密度的贡献等。
体现分子在表面的吸附能力的强弱。
吸附能（Adsorption Energy）是指分子或原子在材料表面吸附时释放或吸收的能量。吸附能可用于研究分子在表面的吸附行为，有助于理解材料的表面性能。
吸附能Eads的计算公式为Eads=E(AB)-E(A)-E(B)，E(AB)是指物质A吸附在基底B后体系的总能量，E(A)是吸附物质A的能量，E(B)是指催化剂基底B的能量，吸附能越负，吸附能力越强。
能垒的高低体现了反应的难易程度。
过渡态（transition state, TS）是指在反应物在生成最终产物的过程中，可能会存在的一个能量最高但不稳定的中间态。反应物与该中间态之间的自由能差被称为反应能垒或活化能。通过过渡态计算可以确定催化反应路径上的能垒，从而了解反应的机理，能垒越小，反应越容易进行，能垒越高，反应越难进行。
定性分析结构之间的电荷转移情况。
差分电荷面密度（charge density difference）是研究电子结构的重要手段之一，其可以直观的得到催化剂和吸附中间体之间的电子相互作用，定性分析电子的流向。
电荷密度差分是由整个体系的电荷密度减去组成它的各个片段的电荷密度。例如，片段A和片段B组成体系AB，其电荷密度差分的计算为：∆ρ=ρ(AB)-ρ(A)-ρ(B)
其大小标志着束缚电子的强弱，功函数越小，电子越容易逸出材料表面。
声子谱可以分析结构的稳定性。
声子用来描述晶格的简谐振动，其是格波激发的量子，在多体理论中称为集体振荡的元激发或准粒子，是固体理论中很重要的一个概念。固体中的声子性质主要由声子谱描述，声子谱是指声子能量与动量的关系，即点阵振动的色散关系，可分光学波（高）和声学波频率（低），一般用来分析结构中的原子或者化学键的振动，间接反映结构中各原子的成键情况。其次，声子谱是研究材料热力学性质的一个很好的切入点，例如如果声子谱全部在0点以上，材料没有出现虚频，那么材料就是相对稳定存在的。
揭示光与物质相互作用的本质。
材料的光学性质决定了不同能量的光子在材料中的透射、折射、散射和吸收等性质，而这些性质通常可通过计算材料介电函数、折射率、反射谱、光吸收谱、能量损失函数等来分析，且这些光学性质的函数有着一定的关系。
体现结构在外力下的稳定性。
弹性性质是指材料在受到外力作用后发生形变，并在去除外力后能够恢复原状的性质。通过第一性原理计算可以从理论上得到并分析结构的弹性常数、体积模量、剪切模量、维氏硬度等。
体现结构的磁各向异性、磁导率等
磁性质是指物质在磁场中表现出的一系列性质，包括磁化、磁导率、磁滞、磁各向异性等。物质的磁性质与其电子结构密切相关，尤其是未成对的电子自旋。通过第一性原理计算，可以对结构的磁序、自旋密度、磁矩等进行理论计算分析。
形成能越小，空位结构越容易形成。
通过在结构中去除一部分原子，形成空位结构，以改变原来的结构中的相互作用，这会改变结构本身的一部分性质，让其有更好的性能。空位形成能是指在材料中去除原子时所需的能量，形成能越小，空位结构越容易形成。
理解催化活性与结构性质之间的关系。
火山图是一种用来描述催化反应速率与反应物浓度之间关系的图表。它基于阿伦尼乌斯方程（Arrhenius equation），该方程描述了化学反应速率与温度和反应物活化能之间的关系。火山图的名称来源于其图表形状，类似于火山的轮廓，
分析结构中化学键的强度。
COOP（晶体轨道重叠布局）和COHP（晶体轨道哈密顿布居）是固体化学和材料科学中用来分析化学键和晶体结构电子特性的重要工具。
电子在空间中的分布和局域化程度。
电子局域密度函数是基于电子在原子、分子或晶体中是否倾向于形成键或保持独立存在。它量化了电子对的局域化程度，可以区分共价键、离子键和金属键等不同的电子环境。
影响电子和空穴在异质结中的输运。
异质结内建电场是指在两种不同半导体材料接触时，由于能带差异而在界面附近形成的电场。这种电场是由于两种材料中的电子和空穴在热力学平衡状态下的化学势不同而产生的。
判断在特定条件下哪种结构是稳定的。
Pourbaix图，也称为电位-pH图或布拜图，是一种用于表示水溶液中不同氧化态的化学物质稳定性的图表。它是由比利时化学家Maurice Pourbaix于1940年代提出的，因此以他的名字命名。Pourbaix图在电化学、腐蚀科学、矿物学和环境化学等领域有着广泛的应用。
了解材料在不同条件下的相变行为。
结构的相图是材料科学中用来描述材料在不同条件（如温度、压力）下相变（固相、液相、气相等）的图形表示。它通常包括一个或多个坐标轴，表示温度和/或压力，以及相变区域、相边界和相平衡点。
离费米能级越近，吸附能力越强。
金属催化剂的d带中心位置及其偏移是评价催化活性的一个重要参数。可以根据d带中心相对于费米能级Efer的位置来分析对反应中间体的吸附强度，距离Efer越近，认为吸附能力越强。
体现了结构电子的分布情况。
表面结构的静电势是指材料表面由于电子分布不均匀而产生的电势分布。
体现了形成界面的稳定性强弱。
界面能（Interface Energy）是材料科学中一个重要的概念，它描述了两种不同材料界面上的相互作用能。在固-固、固-液、固-气等界面上，界面能的大小和性质对材料的相变、表面吸附、薄膜生长、界面扩散和腐蚀等过程有着重要影响。
材料在受到压缩或拉伸时的变形特性。
泊松比（Poisson’s Ratio）是一个描述材料在受到压缩或拉伸时横向（垂直于受力方向）形变程度的无量纲物理量。它是材料力学性质的一个重要参数，用于表征材料的弹性行为。泊松比定义为横向形变与轴向形变之比，即横向形变与轴向形变之比。
表面能越小，表面越容易形成。
表面能（Surface Energy）可以理解为每单位面积产生一个新表面时所做的功。表面能不仅与表面的曲率有关，而且与表面原子排列的紧密度有关。密度越高，表面能越低。因此，自由晶体的外露表面通常是表面能较低的表面。
