复杂晶体结构的模拟与预测为深入理解物质的物理、化学性质提供了重要信息。然而,传统的模拟方法在处理复杂晶体结构时普遍面临高计算成本问题。本论文作者与课题组其他成员合作,基于无轨道密度泛函理论,发展了适用于复杂晶体结构模拟的第一性原理计算方法,并开发了拥有自主知识产权的ATLAS软件。本论文基于前期基础,发展了离子—电子相互作用准线性标度的计算方法,开发了并行版本的ATLAS软件,并实现了结构弛豫和分子动力学模拟功能,可高效开展百万原子量级体系的第一性原理模拟。物质的理论模拟通常是以晶体结构为基础,本论文基于晶体结构空间群对称性结合群体智能优化算法,发展了对称性限制的人工蜂群算法,实现了复杂晶体结构的高效预测。获得了如下创新性研究成果:1.发展了晶体结构离子—电子相互作用准线性化计算方法。该方法将长程的离子—电子相互作用势等效为局域的离子电荷密度和周期性边界条件,避免求解复杂的结构因子。与传统基于结构因子计算离子-电子相互作用方法相比,显示出了更高的计算效率。例如,对于12000个镁原子的体系,计算时间从传统方法的¹8000秒降低到³16秒,效率提高了近60倍。2.基于高可扩展并行的二维空间网格划分方案,开发了并行版本的ATLAS,其并行度可拓展到千核以上,可实现百万原子量级体系的第一性原理计算。同时拓展了ATLAS软件包的功能,实现了结构弛豫和不同系综（微正则、正则和等温等压系综）的分子动力学模拟,并使用正则系综模拟处于温稠密状态铝的离子特征,模拟的结果与实验测量结果完全符合。3.基于晶体空间群对称性结合群体智能优化算法,发展了对称性限制的人工蜂群（SABC）算法,实现了势能面全局搜索和局部探索之间的动态平衡,提高了晶体结构预测的效率。该算法已成功集成于CALYPSO软件包,其预测的成功率和效率已经通过了几种典型的复杂晶体结构(如Mg₂₄Al₁₆Si₂₄O₉₆和Y₈Ba₈Ca₁₆Fe₃₂O₈₄)的测试。同时,应用该算法对多铁性材料铁酸铋（BiFeO₃）的高压相变开展了结构预测,解决了BiFeO₃高压相的结构难题,得到了合作者高压X射线衍射实验的证实。