《計(jì)算材料學(xué)》介紹了計(jì)算材料學(xué)的基本概念以及若干常用的計(jì)算方法，包括第一性原理密度泛函理論計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)方法、蒙特卡羅方法、相場(chǎng)模擬方法以及光學(xué)超晶格、光子晶體、聲子晶體的設(shè)計(jì)和計(jì)算。本書內(nèi)容豐富，涉及了現(xiàn)代材料計(jì)算中常見的材料體系和模擬方法。在講解計(jì)算方法時(shí)，注重理論和實(shí)踐相結(jié)合，先從基本理論出發(fā)，然后結(jié)合程序給出若干計(jì)算實(shí)例，并給出可供下載的代碼。此外，本書引入了較多科研前沿內(nèi)容和實(shí)例，方便讀者了解計(jì)算材料學(xué)的最新發(fā)展。
本書適合作為高等院校材料類和物理類專業(yè)高年級(jí)本科生或研究生的教材。
周健，南京大學(xué)材料學(xué)院，副教授，周健，2002 年畢業(yè)于南京大學(xué)物理系，獲學(xué)士學(xué)位，2007 年9月在南京大學(xué)物理系獲得博士學(xué)位。博士畢業(yè)后，在南京大學(xué)材料科學(xué)與工程系進(jìn)行博士后研究工作，期間于2008 年10 月到2009 年1 月到臺(tái)灣大學(xué)物理系進(jìn)行短期訪問。2009 年9 月就職于南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，先后任講師和副教授。
作者主要的研究領(lǐng)域?yàn)閷訝畈牧贤負(fù)洹犭�、磁性、光學(xué)等物性的第*一性原理研究，發(fā)表SCI論文100余篇。在教學(xué)方面，作者長(zhǎng)期開設(shè)本科課程《材料物理》《量子力學(xué)》和研究生課程《材料設(shè)計(jì)》。
第1章緒論
1.1計(jì)算材料學(xué)簡(jiǎn)介 1
1.2常見計(jì)算模擬方法 3
1.3多尺度模擬 4
1.4機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算材料學(xué) 5
1.5展望 7
參考文獻(xiàn) 7
第2章第一性原理材料計(jì)算
2.1第一性原理計(jì)算概述 9
2.2晶體結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性 10
2.2.1點(diǎn)陣、基矢和元胞 10
2.2.2點(diǎn)陣的分類 12
2.2.3常見晶體結(jié)構(gòu) 14
2.2.4晶體對(duì)稱性 17
2.2.5點(diǎn)群和空間群 20
2.2.6原子坐標(biāo) 23
2.2.7倒易點(diǎn)陣和布里淵區(qū) 25
2.3電子能帶結(jié)構(gòu)概述 27
2.3.1布洛赫定理 27
2.3.2玻恩-馮·卡門邊界條件 28
2.3.3電子能帶結(jié)構(gòu) 29
2.4密度泛函理論 31
2.4.1絕熱近似和單電子近似 31
2.4.2Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程 33
2.4.3交換關(guān)聯(lián)勢(shì) 35
2.4.4平面波截?cái)嗄?36
2.4.5綴加平面波基組和原子軌道基組 37
2.4.6正交化平面波和贗勢(shì)方法 39
2.4.7密度泛函程序 41
2.5VASP程序介紹及計(jì)算例子 41
2.5.1VASP程序簡(jiǎn)介 41
2.5.2電子能帶和態(tài)密度計(jì)算 45
2.5.3聲子能帶和態(tài)密度計(jì)算 52
2.5.4晶格熱導(dǎo)率計(jì)算 54
2.6Quantum ESPRESSO程序介紹及計(jì)算例子 56
2.6.1Quantum ESPRESSO程序簡(jiǎn)介 56
2.6.2電子能帶和態(tài)密度程序簡(jiǎn)介 57
2.7OpenMX程序介紹及計(jì)算例子 60
2.7.1OpenMX程序簡(jiǎn)介 60
2.7.2電子能帶、態(tài)密度和費(fèi)米面計(jì)算 60
2.7.3光學(xué)性質(zhì)計(jì)算 63
習(xí)題 65
參考文獻(xiàn) 65
第3章分子動(dòng)力學(xué)
3.1分子動(dòng)力學(xué)概述 67
3.2分子動(dòng)力學(xué)基本知識(shí) 68
3.2.1引言 68
3.2.2分子動(dòng)力學(xué)中的原子模型 68
3.2.3分子動(dòng)力學(xué)的工作原理 69
3.3勢(shì)能函數(shù) 70
3.3.1兩體勢(shì) 70
3.3.2無方向性多體勢(shì) 72
3.3.3考慮角度效應(yīng)的多體勢(shì) 73
3.3.4勢(shì)參數(shù)的確定 73
3.4分子動(dòng)力學(xué)方程的數(shù)值求解 74
3.4.1N原子體系 74
3.4.2Verlet算法 75
3.4.3“跳蛙”算法 76
3.4.4預(yù)測(cè)-校正算法 76
3.5分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算流程 77
3.5.1預(yù)設(shè)置 77
3.5.2初始條件設(shè)置 79
3.5.3平衡 82
3.5.4模擬結(jié)果分析 83
3.6分子動(dòng)力學(xué)應(yīng)用舉例 85
3.6.1鋁的勢(shì)能曲線 86
3.6.2鎳團(tuán)簇的熔化 89
3.6.3鎳納米顆粒的燒結(jié) 91
3.6.4氬氣的速度分布 93
3.6.5Si（001）表面上沉積SiC 95
3.6.6金納米線的屈服機(jī)制 97
3.6.7石墨烯納米帶包裹的水納米液滴 99
習(xí)題 102
參考文獻(xiàn) 102
第4章蒙特卡羅方法
4.1蒙特卡羅方法概述 104
4.2隨機(jī)變量 106
4.3大數(shù)定理和中心極限定理 107
4.4隨機(jī)數(shù)和隨機(jī)抽樣 109
4.4.1隨機(jī)數(shù) 109
4.4.2離散型直接抽樣法 110
4.4.3連續(xù)型直接抽樣法 111
4.4.4變換抽樣法 113
4.4.5重要抽樣法 117
4.5蒙特卡羅方法的應(yīng)用 119
4.5.1數(shù)值積分 119
4.5.2Metropolis算法 122
4.5.3Ising模型 126
4.5.4鐵電相變模擬 129
4.5.5有限尺寸效應(yīng) 132
習(xí)題 132
參考文獻(xiàn) 133
第5章相場(chǎng)模擬
5.1相場(chǎng)模擬的基本原理 134
5.2相場(chǎng)模擬的物理與數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 135
5.2.1朗道相變理論 135
5.2.2彈性理論基礎(chǔ) 136
5.2.3變分問題 137
5.3鐵電材料的相場(chǎng)模型 138
5.4相場(chǎng)方程的求解 141
5.4.1有限差分法介紹 141
5.4.2相場(chǎng)方程的有限差分格式 142
5.4.3有限差分法求解相場(chǎng)方程的案例 143
5.5相場(chǎng)模擬鐵電疇結(jié)構(gòu)演化 146
5.5.1相場(chǎng)模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果 146
5.5.2相場(chǎng)模擬引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方向 148
習(xí)題 149
參考文獻(xiàn) 150
第6章光學(xué)超晶格材料設(shè)計(jì)
6.1非線性光學(xué)與非線性晶體材料 153
6.2光學(xué)超晶格材料 156
6.3準(zhǔn)相位匹配方法的基本原理 158
6.4超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與諧波耦合方程 161
6.5準(zhǔn)周期、雙周期和非周期超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 165
6.6新型相位匹配方法雜例 170
習(xí)題 173
參考文獻(xiàn) 173
第7章光/聲子晶體能帶計(jì)算
7.1光/聲子晶體概述 175
7.1.1麥克斯韋方程組及其本征值問題 176
7.1.2光子晶體中的布洛赫定理 182
7.1.3聲波波動(dòng)方程與聲子晶體 183
7.1.4縮放定則與對(duì)稱性 185
7.1.5光/聲子晶體系統(tǒng)與電子系統(tǒng)的比較 191
7.2光/聲子晶體能帶計(jì)算方法 192
7.2.1平面波展開 193
7.2.2多重散射 195
7.2.3差分轉(zhuǎn)移矩陣 196
7.2.4時(shí)域有限差分 198
7.2.5有限元 200
7.2.6緊束縛近似 201
7.2.7k·p方法 203
7.3一維周期系統(tǒng) 205
7.3.1一維多層膜光子晶體能帶 206
7.3.2離軸傳輸與投影能帶 208
7.3.3導(dǎo)納匹配與邊界態(tài) 210
7.3.4數(shù)值計(jì)算與超元胞法 214
7.4二維光/聲子晶體 217
7.4.1線缺陷波導(dǎo)與點(diǎn)缺陷微腔 217
7.4.2等頻面與多類型折射 220
7.4.3磁光光子晶體與量子霍爾效應(yīng) 224
7.4.4聲能谷態(tài) 228
7.4.5聲量子自旋霍爾效應(yīng) 229
7.5本章小節(jié) 233
習(xí)題 233
參考文獻(xiàn) 234
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