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出版者:电子工业出版社

作者:吴兴惠 项金钟

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2002-06-01

价格:32.00元

装帧:

isbn号码:9787505376595

丛书系列:

图书标签:

• 材料科学
• 计算材料学
• 材料设计
• 现代材料
• 教程
• 高等教育
• 材料计算方法
• 密度泛函理论
• 分子动力学
• 材料模拟

深入探索计算化学与材料科学的交汇点：一本聚焦前沿的理论与应用指南 本书籍并非《现代材料计算与设计教程》，而是一部面向高等院校材料科学、物理学、化学工程等专业研究生及资深研究人员的专业著作，旨在全面系统地阐述基于密度泛函理论（DFT）及相关先进计算方法在材料性能预测、结构解析及功能设计中的应用与实践。 --- 第一部分：计算材料科学的理论基石与方法论革新 第一章：量子力学基础与计算的哲学 本章深入探讨了现代计算材料科学的哲学基础，从薛定谔方程的精确求解难题出发，引出近似方法的必要性与合理性。我们详细梳理了波恩-奥本海默近似的适用范围及其在凝聚态体系中的意义。重点阐述了从头算（Ab Initio）方法的演进历程，并将其与半经验方法进行对比分析，强调了精确性和计算成本之间的权衡艺术。本章的叙事风格着重于理论的严谨性与物理图像的清晰构建，而非直接的工程应用指导。 第二章：密度泛函理论的深度剖析 密度泛函理论（DFT）作为现代计算材料科学的“工作马”理论，其核心思想和数学形式在本章被详尽剖析。我们不仅介绍了霍恩贝格-科恩（Hohenberg-Kohn）定理，更着重于探讨了交换-关联（XC）泛函的分类、构建原理及其局限性。内容涵盖了局域密度近似（LDA）、广义梯度近似（GGA）的经典范式，并深入介绍了后GGA时代，如元GGA（meta-GGA）和混合泛函（Hybrid Functionals）在提高精度方面的突破，特别是对电子激发态和能隙问题的改进策略。针对范德华力（vdW）的描述，本章引入了非局域校正方法（如DFT-D3、vdW-DF系列），这是理解分子间作用力与软物质特性的关键。 第三章：电子结构计算的高级技术与精度控制 本章聚焦于提高电子结构计算精度的具体技术手段。首先，详细讨论了平面波基组和实空间基组（如Gauss型轨道）的特性、收敛标准及内存需求分析。随后，深入探讨了赝势（Pseudopotentials）的构建与选择，特别是从费米能级附近的价电子行为出发，解析了经验赝势与从头算赝势（如PAW, norm-conserving）的优劣。此外，对于高精度要求，本章探讨了后DFT方法，如GW近似（Hartree-Fock与DFT的结合）在准确计算电子带结构和光电子谱中的应用，以及受限/非受限 Kohn-Sham 方法（RKS/UKS）在处理磁性材料和缺陷激发态时的差异化应用。 --- 第二部分：多尺度模拟与动力学过程的洞察 第四章：从量子到介观的尺度转换：分子动力学模拟 本部分着重于如何将微观的电子结构信息传递到宏观的材料行为预测中。第四章系统阐述了分子动力学（MD）模拟的理论框架，包括牛顿运动方程的数值积分算法（如Verlet算法）。核心内容集中于势能面的构建：如何从DFT计算中提取有效的力场参数，特别是针对复杂体系（如高熵合金、无机/有机杂化材料）的嵌入式分子动力学（Ehrenfest Dynamics或First-Principles MD, FPMD）的应用，用以模拟反应路径和瞬态结构。本章包含丰富的案例分析，展示FPMD在理解扩散机制和相变动力学中的决定性作用。 第五章：介观尺度的网格方法与界面现象 针对晶体缺陷、晶界和表面吸附等介观尺度的关键问题，本章引入了周期性边界条件下的多体微扰理论（MP2）在弱相互作用体系中的应用，以及如何利用有限尺寸效应模拟界面。重点介绍了模拟晶体缺陷的超级电池（Supercell）方法及其在缺陷浓度、迁移能垒计算中的误差来源与校正方法。此外，本章还探讨了 Monte Carlo (MC) 方法在平衡态采样和相图确定中的应用，特别是结合Metropolis准则对复杂晶格结构进行搜索的算法优化。 第六章：输运性质与非平衡态的计算建模 预测材料的电、热、磁输运性质是材料设计的核心目标。本章深入讲解了基于线性响应理论的输运计算方法，如玻尔兹曼输运方程（BTE）的求解，特别是利用DFT计算得到的声子散射和电子-声子耦合项，用于预测热导率和塞贝克系数。对于非平衡态过程，如电化学反应或光催化过程，本章介绍了非绝热分子动力学（NAMD）如何耦合电子激发与原子运动，以揭示动力学过程中的能级交叉点和反应活性位点。 --- 第三部分：特定材料体系的计算案例与设计思路 第七章：功能晶体的能带工程与电子结构优化 本章聚焦于半导体和绝缘体材料的设计。详细分析了计算方法如何用于预测和调控带隙宽度、有效质量和载流子有效质量。案例研究包括新型二维材料（如MXenes, TMDCs）的层间相互作用分析、掺杂效应引起的能带结构重构、以及表面钝化对电子特性的影响。本章强调了如何通过精确的计算结果来指导实验合成路线，例如预测最稳定的掺杂位点和抑制缺陷的策略。 第八章：复杂合金与高熵材料的稳定性和局域结构解析 针对合金系统，本章探讨了如何利用团簇展开（Cluster Expansion, CE）模型来描述高熵合金（HEAs）中原子无序排列的自由能，并结合CALPHAD方法进行热力学预测。重点在于利用DFT计算团簇的形成能，从而建立高效的宏观热力学模型。此外，利用局部结构表征工具（如平均近邻结构函数Averaged Local Structure Function, ALSF）分析高熵合金中存在的短程有序和本征局域结构，以解释其异常的机械性能。 第九章：多孔材料与催化剂的表面化学 本章以多孔材料（如MOFs, COFs）和催化剂表面为研究对象。系统阐述了如何精确计算吸附自由能、反应能垒和中间产物的稳定性。内容包括选择合适的泛函描述催化循环中的氧化还原过程、利用电荷转移分析确定活性位点、以及如何利用孔道尺寸和骨架拓扑结构对吸附熵进行计算，从而优化吸附剂或反应器的性能。本章的落脚点在于实现“按需设计”具有特定孔道环境和电子性质的功能材料。 --- 总结： 本书籍旨在为读者提供一套从微观量子力学原理到多尺度模拟实践的完整知识体系。它不是一本侧重于软件操作手册或面向初学者的材料性能速查指南，而是一部深入探讨计算材料科学前沿理论、方法论批判性评估以及复杂材料体系建模策略的深度参考书。 全书通过严谨的理论推导和前沿的案例分析，培养读者对计算结果的批判性解读能力，为未来材料设计与发现提供坚实的理论工具箱。

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