稀土因獨特的化學特性，在發(fā)光器件、催化、電池、生物醫(yī)藥和電子工程中具有廣泛用途，而對其電子結構的深入理解是設計開發(fā)稀土材料的基礎。不同于主族和過渡金屬，稀土原子因復雜的f電子，在電子局域特性、磁交換特性、d-f軌道作用以及自旋軌道耦合等方面，更為復雜和具有挑戰(zhàn)性。

電子水平上計算稀土，需要注意什么？有哪些方法可以做？具體操作上如何準備把握稀土原子/離子的特征？為何大部分稀土計算很難收斂？面對這些問題，我們有必要系統(tǒng)了解稀土和f電子化學，既能從共性角度把握典型稀土的電子結構（例如定域特征、d-f軌道雜化、磁交換、內層空穴等），又能因f軌道填充程度不同而呈現性質迥異的多樣特征。計算老司機收集了多個稀土計算案例，囊括f軌道全空、半滿和全滿等情形。 本課程雖然僅一天時間，卻能高度濃縮稀土化學的典型電子結構計算與分析，對于理解諸多實際問題非常有幫助。三節(jié)理論后搭配的三節(jié)操作課程，分別選擇了f軌道全空、半滿和全滿三個體系，展示不同計算技術的優(yōu)劣勢和數據分析，以期對涉及稀土化學的朋友有幫助。

第一節(jié)：典型稀土的電子結構

很多同學知道稀土很神奇，但不明白它為何具有獨特的化學特性，大部分源于對f軌道的陌生。不同于常見的spd軌道，f軌道可以非常定域分布，同時和高階軌道能級差很小，這使得f電子填充非常奇妙。老司機從大部分同學熟悉的軌道能級與電子填充規(guī)則出發(fā)，以Ce原子為例，形象展示其電子組態(tài)[Xe]4f15d16s2,?發(fā)現單個原子的電子排布就似乎有違經典排布規(guī)則。更進一步，逐一介紹f電子的定域性、多組態(tài)特征、磁交換、d-f作用、自旋軌道耦合、芯部空穴等。這些現象往往在主族和過渡金屬體系沒有得到高度重視。

從熟悉的基礎理論出發(fā)，選擇小而巧的例子，把基礎化學原理闡釋清楚，這就極大地幫助我們明確如何選擇計算方法，并準確理解計算和實驗數據！

第二節(jié)：典型稀土電子計算分析案例

稀土電子結構的一個典型特征就是電子強相關特性。一個經典體系就是存在氧空位的CeO2，其中Ce4+因氧空位形成而價態(tài)發(fā)生變化，一個有趣的問題是：O離開時歸還的兩個電子會填入到哪里？是均勻分配到整個體系還是被臨近空位的Ce獨自占據？ 答案是電子會局域在空位附近的Ce上！考慮Ce4+的電子組態(tài)是?[Xe]4f05d06s0,?究竟哪個軌道會得到這個局域電子呢？類似奇特現象還出現在多個稀土體系，例如GdI2二維結構，我們會介紹其有趣的f軌道半滿電子結構，以及自旋軌道耦合。

第三節(jié)：稀土電子結構計算方法

想獲得準確的理解，必須選擇準確合適的方法。就稀土而言，選擇方法時必須高度警惕經典密度泛函方法的嚴重不足，又需要兼顧計算代價。本節(jié)介紹三種常用計算手段，包括DFT+U，雜化泛函和動力學平均場（DMFT）。這些方法立足DFT，但都對電子相關性進行了校正，在處理稀土體系是不錯的選擇。下圖給出了一個post-DFT框架下對電子相關性描述逐步提高深入的圖景。老司機結合具體案例和個人經驗，對方法選擇進行評述和推薦，并就電子自洽收斂難題給出合理建議（有案例練習）。

3月12號直播，會錄屏保留錄播。感興趣請加微聯系老司機（jisuanlaosiji)。