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電子材料計算 版權信息
- ISBN：9787302678878
- 條形碼：9787302678878 ; 978-7-302-67887-8
- 裝幀：平裝-膠訂
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
電子材料計算 本書特色
本教材在介紹每種計算材料方法之后都會編排簡單的算法編程，讓學生能夠掌握計算方法的使用；專門安排一章，以開源程序或商業化軟件為例，詳細展示針對用各種計算方法中的實例上機操作，使學生學會如何使用計算軟件；注重計算方法基礎理論的公式推導，詳細的推導過程有助于學生了解基礎理論與計算算法的思想。
電子材料計算 內容簡介
本書面向高年級本科生和研究生，系統介紹了計算材料學的核心理論與方法。內容涵蓋從固體物理的基礎知識（如晶體結構、電子能帶和聲子譜）到量子力學中的近似方法（如變分法和微擾理論），再到哈特里-福克方法與密度泛函理論等**性原理計算方法。此外，本書還深入探討了贗勢理論及其在固體材料計算中的應用，并結合具體算例，通過上機實驗幫助讀者掌握結構優化、能帶計算等關鍵技能。
電子材料計算電子材料計算 前言
計算材料學是理論物理、凝聚態物理、量子化學、材料科學與計算機科學交叉而形成 的一門新興學科。計算材料學通過建立描述材料行為的模型和借助計算機越來越強大的計 算能力，來模擬和研究材料行為。材料模擬與計算已成為先進納米材料、電子材料、能源材 料、極端環境服役高性能材料等研究和工程中不可或缺的重要方法和工具，也是連接理論 研究和實驗研究的橋梁。基于“實驗—模擬—計算—數據”的系統研究模式旨在減少新材 料冗長的開發周期和巨大的成本，已逐漸成為材料科學研究的基本范式。作為一門新興的 交叉學科，計算材料學涉及的內容十分龐雜，對于計算材料方法的理解既需要掌握凝聚態 物理和量子力學中的基本概念，也需要對算法和編程有一定的了解。本書面向高年級本科 生和研究生，遴選計算材料學中的核心理論和方法，由淺入深、循序漸進地向讀者介紹各 種計算物理方法的起源、理論基礎、公式推導和發展趨勢，進而闡明不同計算方法之間的 關聯性和互補性。本書一方面重視公式推導，另一方面也提供了大量的計算模擬實例，通 過具體的案例剖析和上機計算，讓學生掌握電子材料模擬的基本思路和方法。
第 1 章重點介紹固體物理中*為基本的概念，包括晶體的結構與對稱性、固體中的電
電子材料計算 目錄
第 1 章 固體物理基本概念 1
1.1 固體物理學概述 1
1.2 晶體的結構與對稱性 2
1.2.1 晶體和非晶體 2
1.2.2 晶體的周期性 4
1.2.3 晶體的對稱性 7
1.2.4 晶系 10
1.3 固體中的電子：能帶結構 12
1.3.1 能帶理論概述 12
1.3.2 布洛赫定理 13
1.3.3 能態密度 15
1.3.4 近自由電子模型 16
1.3.5 緊束縛模型 20
1.3.6 原子能級與能帶的關系 22
1.4 固體中的聲子：晶格動力學 23
1.4.1 晶格振動和諧振子 24
1.4.2 能量量子和聲子 25
1.4.3 晶體的比熱 26
第 2 章 量子力學基本概念與方法 31
2.1 薛定諤方程 31
2.1.1 波函數與薛定諤方程的引入 31
2.1.2 定態薛定諤方程 32
2.1.3 多粒子體系的薛定諤方程與對稱性 34
2.2 絕熱近似 36
2.3 量子力學近似方法：變分法 37
2.3.1 變分原理 37
2.3.2 變分參數與變分法 38
2.3.3 里茨線性變分法 39
2.4 量子力學近似方法：微擾理論 40
2.4.1 非簡并情況微擾論 40
2.4.2 簡并微擾理論 42
2.4.3 含時微擾理論 44
2.5 線性響應理論 47
2.5.1 斯特恩海默方程 47
2.5.2 厄米算符期望值微擾修正 48
2.6 拓展提高 50
2.6.1 拓展閱讀 50
2.6.2 算法編程 50
第 3 章 哈特里-福克方法 52
3.1 理論準備 52
3.1.1 玻恩-奧本海默近似 52
3.1.2 電子自旋 54
3.1.3 全同性原理與泡利不相容 55
3.2 哈特里方法 56
3.2.1 單電子體系的一般解法 56
3.2.2 非相互作用多電子體系 57
3.2.3 哈特里近似 57
3.3 哈特里-福克方法 59
3.3.1 斯萊特行列式 59
3.3.2 交換效應和交換能 61
3.3.3 斯萊特行列式的能量 62
3.3.4 基組簡介 65
3.3.5 正則哈特里-福克方程 68
3.3.6 RHF 與 UHF 71
3.3.7 RHF 方程的矩陣形式 73
3.3.8 密度矩陣與福克矩陣的計算 74
3.3.9 RHF 方程總結 76
3.4 自旋污染 77
3.5 后哈特里-福克方法簡介 79
3.5.1 多體矩陣元的計算規則 79
3.5.2 穆勒-普萊塞特微擾理論 80
3.5.3 組態相互作用和偶合簇理論簡介 83
3.6 拓展提高 85
3.6.1 拓展閱讀 85
3.6.2 算法編程 85
第 4 章 密度泛函理論 86
4.1 密度泛函起源：托馬斯-費米模型 86
4.2 霍恩伯格-科恩理論 88
4.2.1 霍恩伯格-科恩定理一 88
4.2.2 霍恩伯格-科恩定理二 89
4.3 Levy-Lieb 泛函 90
4.4 科恩-沈呂九方程 91
4.5 科恩-沈呂九軌道與軌道能量 93
4.6 常用密度泛函 94
4.6.1 局域密度近似 94
4.6.2 廣義梯度近似 95
4.6.3 密度泛函理論——雅各之梯 97
4.7 局域軌道和平面波 98
4.7.1 局域軌道 98
4.7.2 平面波 99
4.8 拓展提高 101
第 5 章 贗勢理論 102
5.1 贗勢起源 102
5.1.1 近自由電子模型 102
5.1.2 綴加平面波法 103
5.1.3 基于格林函數的 KKR 方法 104
5.1.4 正交平面波法 105
5.2 贗勢理論 106
5.2.1 原子贗勢 108
5.2.2 贗勢分類 109
5.3 贗勢的構造 109
5.3.1 模守恒贗勢 110
5.3.2 贗勢的生成 113
5.4 分離式原子贗勢 114
5.5 超軟贗勢 116
5.6 投影綴加平面波 119
5.7 拓展提高 121
5.7.1 拓展閱讀 121
5.7.2 算法編程 121
第 6 章 **性原理上機實驗 123
6.1 Quantum Espresso 計算鐵電 PbTiO3 雙勢阱 123
6.2 ABACUS 計算 MgO 能帶實例 127
第 7 章 分子動力學 130
7.1 經典分子動力學 130
7.1.1 力場 131
7.1.2 運動方程與積分方法 136
7.1.3 分子動力學里的常用系綜 138
7.2 **性原理分子動力學：玻恩-奧本海默分子動力學 138
7.3 **性原理分子動力學：卡爾-帕林尼羅分子動力學 140
7.4 總結 142
第 8 章 分子動力學上機實驗 143
8.1 利用 LAMMPS 模擬單晶鋁的單軸拉伸過程 143
8.2 利用 CP2K 進行水分子的從頭計算分子動力模擬 146
第 9 章 相場法 150
9.1 介觀結構的模型簡介 150
9.2 守恒和非守恒的序參數 151
9.3 體系中各項自由能 152
9.3.1 局域自由能的表達式 152
9.3.2 梯度能 153
9.3.3 彈性能 154
9.3.4 靜電能與靜磁能 155
9.4 控制方程 155
9.5 非守恒序參數的艾倫-卡恩方程 156
9.5.1 固態相變的唯象描述 156
9.5.2 艾倫-卡恩方程的推導及其數值求解 158
9.5.3 疇壁能及疇壁寬度的計算 159
9.6 守恒序參數的卡恩-希利亞德方程 160
9.7 相場模擬在信息功能材料中的應用 161
9.7.1 平衡的疇結構 161
9.7.2 疇結構的翻轉 164
9.8 拓展提高 166
第 10 章 電子材料中的有限元法 167
10.1 有限元法概述 167
10.2 有限元法原理 169
10.2.1 泛函變分原理 169
10.2.2 歐拉格式的弱形式 172
10.2.3 歐拉格式的有限元離散 173
10.2.4 拉格朗日格式弱形式 176
10.2.5 拉格朗日格式有限元離散 177
10.2.6 初始條件和邊界條件 179
10.3 有限元建模與網格技術 180
10.3.1 非結構網格劃分 180
10.3.2 結構網格 181
10.4 有限元法在電子材料中的應用 182
10.4.1 有限元法模擬電子材料力-熱-電-磁多場耦合行為 182
10.4.2 有限元法在電子材料及器件柔性化設計中的應用 183
10.5 總結 184
第 11 章 機器學習和材料基因組 185
11.1 機器學習基本概念 185
11.1.1 描述符與降維 186
11.1.2 模型構建與訓練 187
11.1.3 模型驗證 189
11.2 深度神經網絡與深度學習 190
11.2.1 深度神經網絡基本架構 190
11.2.2 深度神經網絡訓練方法 191
11.3 機器學習在計算材料學中的應用 191
11.4 基于**性原理的高通量計算 192
11.4.1 高通量計算架構 192
11.4.2 云計算與數據管理 194
11.5 材料基因組 194
11.5.1 材料基因組的起源、現狀和趨勢 194
11.5.2 材料基因組基本架構 196
11.5.3 材料基因組應用 198
11.5.4 材料基因組數據挖掘 200
11.5.5 數據挖掘的方法概要 201
第 12 章 多尺度材料模擬 202
12.1 為什么需要多尺度材料模擬 202
12.2 經典分子動力學模擬鐵電氧化物 203
12.2.1 殼層模型 203
12.2.2 鍵價模型 204
12.2.3 深度勢能 206
12.3 相場法模擬鐵電材料 209
12.4 機器學習 211
12.5 多尺度模擬鐵電翻轉 212
第 13 章 電子材料計算實例 215
13.1 半導體材料 215
13.1.1 計算原理概述 215
13.1.2 自洽場計算 215
13.1.3 非自洽計算 216
13.1.4 后處理與作圖 218
13.2 鐵電材料：貝里相方法計算自發極化 219
13.2.1 計算原理概述 219
13.2.2 鐵電相結構優化 220
13.2.3 高對稱無極化相的選取 223
13.2.4 利用貝里相計算自發極化 224
13.3 多鐵材料：鐵電極化與磁性的關系 228
13.3.1 計算原理概述 228
13.3.2 自洽場計算 229
13.3.3 可視化 230
13.4 鐵磁材料 232
13.4.1 計算原理概述 232
13.4.2 非自洽計算 233
13.4.3 投影軌道態密度計算 236
13.5 自旋材料 238
13.5.1 計算原理概述 238
13.5.2 *大局域化萬尼爾函數 239
13.5.3 計算反常霍爾效應 241
13.6 拓撲材料 242
13.6.1 計算原理概述 242
13.6.2 后處理與作圖 244
參考文獻 245
展開全部
電子材料計算 作者簡介
劉仕，2009年本科畢業于中國科學技術大學，2015年博士畢業于美國賓夕法尼亞大學，博士后工作于華盛頓卡內基研究所和美國陸軍研究所，現為西湖大學理學院特聘研究員、博士生導師。先后入選浙江省和國家海外高層次人才引進計劃青年項目。長期從事計算物理和計算材料學方向的研究工作，綜合運用第一性原理密度泛函理論計算和大尺度分子動力學，研究功能氧化物和量子材料的構性關系。2017年獲美國物理學會計算物理領域Nicholas Metropolis Award。自2013年以來，共參與發表文章50余篇，包括Nature, Nature Materials, Physical Review Letters， Materials Horizons等。目前主持國家科技部重點研發青年科學家項目、國家自然科學基金委面上項目、青年科學基金項目等多個項目。
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