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出版者:Cambridge University Press

作者:Hashem Rafii-Tabar

出品人:

页数:508

译者:

出版时间:2009-07-23

价格:USD 65.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780521115711

丛书系列:

图书标签:

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凝聚态物质的量子行为与材料设计：电子结构、输运与光谱学 图书简介 本书深入探讨了现代凝聚态物理学的核心议题，聚焦于第一性原理计算在理解复杂材料性能方面所发挥的关键作用。我们旨在为研究人员、高级本科生和研究生提供一个全面而深入的理论框架与计算实践指南，用以解析从基础的晶体结构到前沿功能材料的电子、结构与动态特性。本书的重点在于如何利用量子力学原理，结合先进的数值方法，精确预测和解释材料的宏观物理性质。 全书的结构设计旨在构建一个清晰的知识递进路径：从构建精确的电子结构模型开始，逐步过渡到对材料输运现象的深入分析，最终延伸至理解光谱学特征与材料的外部刺激响应。 --- 第一部分：量子力学的计算基础与周期性系统的电子结构 本部分奠定了全书的理论基石，侧重于如何将量子力学方程应用于周期性固体材料，并介绍了解析这些方程的数值方法。 第一章：从薛定谔方程到周期性晶格 本章首先回顾了非相对论性量子力学的基本假设，重点阐述了多体薛定谔方程在凝聚态系统中的挑战，特别是电子之间的库仑相互作用。随后，我们引入了布洛赫定理（Bloch's Theorem），这是理解电子在周期性势场中行为的中心概念。我们将详细推导布洛赫波函数的性质，并解释晶格周期性如何将无限的自由度简化为对布里渊区（Brillouin Zone, BZ）内波矢的考察。本章还将讨论倒易空间（Reciprocal Space）与实空间的对偶关系，为后续的傅里叶变换和格林函数方法做准备。 第二章：密度泛函理论（DFT）的核心原理 密度泛函理论是现代材料计算的基石。本章详述了霍恩伯格-科恩定理（Hohenberg-Kohn Theorems），证明了系统的基态能量完全由其基态电子密度决定。随后，我们将深入探讨科恩-沈（Kohn-Sham, KS）方程，这是一个单电子薛定谔方程的等效形式，允许计算在平均场近似下的电子结构。关键内容包括对交换关联泛函（Exchange-Correlation Functionals）的详细分类和比较，从经典的LDA（局部密度近似）到GGAs（广义梯度近似），并引入了MGGAs（元广义梯度近似）和混合泛函的概念。我们将讨论这些泛函在描述不同系统（如半导体、金属和分子）时的优缺点及其对能带结构、晶格常数和形成能的敏感性。 第三章：计算方法论：平面波基组与赝势 精确计算依赖于高效的基组选择。本章聚焦于平面波展开法在周期性体系中的应用优势，包括其完备性和易于实现傅里叶变换的特性。我们将详细解释截断能（Cutoff Energy）的选择标准，以及它如何影响计算的精度与成本。关于电子与离子实之间的强相互作用，本章引入了赝势（Pseudopotentials）的概念，以消除描述价电子和内层电子的巨大计算开销。我们将对比不同类型的赝势，如：淬灭赝势（Hard Pseudopotentials）、超软赝势（USPP）以及投影缀加波法（PAW），分析它们在能带计算中的准确性和计算效率的权衡。 --- 第二部分：结构弛豫、动力学模拟与晶格振动 在确定了电子结构的基本框架后，本部分转向材料的几何结构优化、原子层面的动力学行为以及晶格振动对热学和声学性质的影响。 第四章：结构优化与力学稳定性分析 材料的真实结构往往并非理想晶格。本章讲解如何利用DFT计算得到的原子力信息，进行几何结构弛豫（Geometry Optimization），寻找能量的局部或全局最小值。我们将讨论不同的收敛标准和优化算法，例如共轭梯度法和拟牛顿法。此外，本章将介绍如何通过分析Hessian矩阵或能量梯度，计算静态声子频率，从而判定材料在特定体积和压力下的机械稳定性，并识别潜在的软模（Soft Modes）和结构相变点。 第五章：分子动力学模拟（MD）与热力学性质 为了模拟材料在有限温度下的动态行为，本章引入了分子动力学（MD）模拟。我们将区分牛顿力学MD、玻尔兹曼MD以及基于DFT的从头算分子动力学（AIMD）。重点讨论如何有效采样相空间，包括微正则系综（NVE）、正则系综（NVT）和等温等压系综（NPT）的实现方法。AIMD的应用范例包括：计算材料的热膨胀系数、比热容，以及在高温下晶格缺陷（如空位和间隙原子）的扩散机制。 第六章：晶格动力学与声子谱 本章专注于描述原子振动，即声子。我们将阐述如何通过有限差分法（Finite Difference Method）或密度泛函微扰理论（DFPT）计算原子间的力和矩阵元，从而构建原子间作用势（Force Constants）。详细分析如何计算声子色散关系（Phonon Dispersion Relations），这直接关系到材料的弹性、介电响应和热导率。DFPT方法还将用于计算非谐性效应，解释由温度引起的声子寿命缩短和电子结构的变化。 --- 第三部分：电子输运与光谱学响应 本部分将计算工具应用于功能材料的输运特性和与电磁波的相互作用，这是理解材料电学和光学应用的关键。 第七章：电子输运性质的理论框架 本章侧重于计算在外部电场作用下电子的运动。我们将介绍玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation, BTE）及其在半导体和金属中的应用。重点讲解如何计算电子的散射时间（Scattering Times），这需要考虑电子-声子散射、电子-缺陷散射和电子-电子散射的微扰贡献。通过BTE的求解，可以推导出电导率、霍尔系数和Seebeck系数，为热电材料的性能评估奠定基础。 第八章：光学性质的计算：吸收、反射与介电函数 材料对光线的响应由其介电函数（Dielectric Function） $epsilon(omega)$ 决定。本章首先解释如何利用DFT计算的电子结构信息，构建线性响应理论下的介电函数。我们将区分横向介电函数和纵向介电函数，以及它们与电磁波在材料中传播的关系。应用方面，本书将演示如何计算吸收光谱和反射光谱，解释光学带隙、激子效应（Excitonic Effects）的初步处理方法，以及在不同能量范围内的光学行为。 第九章：先进计算技术与新兴领域的前瞻 本章对计算物理的前沿方法进行介绍，以应对更复杂的材料问题： 1. GW近似与准粒子效应： 讨论如何超越DFT的平均场近似，利用GW（格林函数-屏蔽库仑）方法计算更准确的电子激发能（光电子谱或光学吸收），修正DFT对能带隙的低估问题。 2. Hubbard U 修正（DFT+U）： 针对强关联系统（如过渡金属氧化物），介绍如何通过引入Hubbard参数U来更好地描述局域电子的相互作用，以纠正对电子关联的错误描述。 3. 相变与超导理论的计算途径： 简要探讨如何通过计算声子软化与电子-声子耦合强度的关联，初步预测费米面附近的超导转变温度（$T_c$）。 --- 本书力求在理论深度和计算实用性之间取得平衡，提供清晰的算法描述和对计算结果的物理诠释，使读者能够自信地运用现代计算工具解决复杂的凝聚态物理问题。

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《Computational Physics of Carbon Nanotubes》这本书，对于我们这种从事前沿材料研发的团队来说，是一本不可或缺的参考书。我们一直在探索如何通过精确的材料设计来提升产品的性能，而计算模拟无疑是实现这一目标的重要手段。这本书为我们提供了一个系统性的计算框架，让我们能够更有效地进行碳纳米管的性能预测和优化。书中关于碳纳米管与各种功能性分子相互作用的计算模拟，是我特别看重的内容。例如，如何模拟碳纳米管作为传感器来检测特定气体分子的吸附过程，以及这种吸附如何改变其电学性质。这直接关系到我们开发新型传感器的可行性。作者通过量子化学计算，揭示了分子间相互作用的细节，为我们提供了精确的设计参数。此外，书中关于碳纳米管在复合材料中的分散性和界面行为的模拟，也为我们理解和优化复合材料的力学性能提供了重要的指导。语言风格上，这本书的特点在于其“实用性”。作者在讲解计算方法时，总是会结合实际的应用场景，并且提供清晰的模拟流程和结果分析。即便是对于我们团队中非计算专业的成员，也能通过书中提供的实例，逐步理解复杂的计算过程。这本书为我们提供了一个强大的工具，让我们能够更自信地进行新材料的研发和产品的优化。

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这本《Computational Physics of Carbon Nanotubes》真是打开了我对碳纳米管世界的新视野。作为一名对纳米材料领域充满好奇但又缺乏深厚计算背景的读者，我一直渴望找到一本能够循序渐进地引导我理解其中复杂物理原理的书籍。而这本书，可以说完全满足了我的期待，甚至超出了我的想象。起初，我担心其中的计算部分会过于晦涩难懂，但作者巧妙地将理论物理概念与数值模拟方法融为一体，使得原本抽象的公式变得生动起来。他们并没有直接抛出大量的代码，而是先从最基础的物理模型入手，逐步讲解如何将其转化为可计算的数学表达式，然后再引入常用的计算工具和技术。我特别喜欢书中关于碳纳米管的电子结构、力学性能以及热学性质的章节，作者通过清晰的图表和案例研究，生动地展示了计算模拟如何在这些方面提供深刻的洞察。例如，他们详细阐述了如何利用密度泛函理论（DFT）来计算碳纳米管的能带结构，并解释了为什么不同手性的碳纳米管会表现出截然不同的导电特性。这一点对我来说至关重要，因为它直接关系到碳纳米管在电子器件中的潜在应用。此外，书中对力学性能的讨论，比如杨氏模量和抗拉强度，也通过模拟结果进行了直观的展示，让我对这种微观材料的宏观表现有了更深刻的认识。语言风格上，作者在保持学术严谨性的同时，也力求通俗易懂，避免了不必要的术语堆砌。即便是我不太熟悉的计算方法，通过书中提供的详细步骤和解释，我也能逐步理解其背后的逻辑。总的来说，这本书不仅是碳纳米管研究人员的宝贵资源，对于任何希望深入了解这一前沿领域计算方法的学生和研究人员来说，都是一本不可多得的入门指南。它为我提供了一个坚实的计算物理学框架，让我能够更自信地去探索碳纳米管的无限可能。

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从一个更加侧重实验和应用的角度来看，《Computational Physics of Carbon Nanotubes》这本书提供了一个非常独特的视角，让我得以窥见那些深埋于实验数据背后的理论根基。我一直对如何将碳纳米管的独特性能转化为实际应用充满兴趣，而这本书则为我提供了一个强大的工具箱，让我能够理解这些性能是如何通过计算物理学来预测和优化的。书中对多种计算方法的详细介绍，例如分子动力学（MD）模拟和蒙特卡洛方法，让我明白了如何模拟碳纳米管在不同环境下的行为，比如在溶剂中的分散性、在受力状态下的形变，甚至是与其他分子的相互作用。这些信息对于设计新的碳纳米管复合材料、开发先进的传感器，或者构建高效的药物递送系统都至关重要。我特别欣赏书中关于“尺寸效应”和“表面效应”的讨论，作者通过计算模拟清晰地展示了这些因素如何显著影响碳纳米管的物理和化学性质，这直接指导了我在实验中选择合适的碳纳米管样本以及优化加工工艺。书中提供的各种参数和计算结果，虽然直接来源于计算，但却能够非常准确地解释我在实验中观察到的现象，甚至预测我之前未曾想到的行为。这极大地拓宽了我的研究思路，让我能够更有针对性地进行实验设计，避免走弯路。这本书的价值在于它架起了理论与实践之间的桥梁，让我不再仅仅停留在“知道”碳纳米管的性能，而是能够“理解”其背后的原理，并且“预测”其未来的行为。这对于一个致力于将科学研究成果转化为实际应用的工程师或研究人员来说，无疑是无价的。

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对于我这样一个对凝聚态物理学充满热情但又常常感到理论与实践脱节的学生来说，《Computational Physics of Carbon Nanotubes》简直就是一座知识的宝库。我一直在学习各种理论模型，但总是难以将其与真实的材料联系起来。这本书将抽象的物理概念与具体的碳纳米管材料相结合，让我对二者有了更深刻的理解。书中关于碳纳米管的电子输运特性计算，例如其作为导线或半导体的行为，是我最感兴趣的部分。作者通过求解电子波函数和能带结构，清晰地解释了不同手性的碳纳米管为何会表现出如此不同的电学特性，这直接解决了我在学习过程中遇到的许多困惑。我特别喜欢书中对“量子隧道效应”在碳纳米管中的应用的讨论，它让我看到了碳纳米管在量子电子学领域的巨大潜力。此外，书中关于碳纳米管的热学性质的计算，例如声子的传播和能量耗散，也让我对材料的导热性能有了更直观的认识。语言风格上，这本书的最大优点在于其“循序渐进”的教学方式。作者并没有一开始就抛出复杂的数学公式，而是从最基础的物理概念入手，逐步引入计算方法。每一个计算步骤，每一个物理量的含义都解释得非常详细，即便是初学者也能轻松掌握。书中还穿插了大量的图表和模拟结果，使得理论的讲解更加直观生动。这本书不仅为我提供了扎实的计算物理学知识，更激发了我对碳纳米管这一神奇材料的浓厚兴趣。

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我一直对碳纳米管在新能源领域的应用充满期待，而《Computational Physics of Carbon Nanotubes》这本书，则为我揭示了其背后的计算物理学原理。《Computational Physics of Carbon Nanotubes》这本书，为我探索碳纳米管在新能源领域的应用，打开了一扇计算的窗户。我一直深信，微观尺度的行为决定了宏观的性能，而这本书则通过计算模拟，让我得以窥见碳纳米管在能量转换和存储方面的巨大潜力。书中关于碳纳米管作为电极材料在超级电容器和锂离子电池中的性能模拟，让我印象深刻。作者通过计算电子密度和离子扩散的动力学过程，解释了碳纳米管为何能够提供超高的比表面积和优异的导电性，从而实现快速充放电和高能量密度。这一点对于我设计更高效的新型储能器件至关重要。此外，书中关于碳纳米管在光伏器件中的应用，例如作为电子传输层，也让我对碳纳米管在太阳能利用方面的潜力有了更深入的认识。作者通过计算模拟，解释了碳纳米管如何有效地收集和传输光生电子，从而提高光电转换效率。语言风格上，这本书的优点在于其“理论与实践相结合”。作者在讲解复杂的计算原理时，总是会结合实际的应用场景，并且提供清晰的模拟流程和结果分析。即便是对于我这样并非专业计算背景的读者，也能通过书中提供的实例，逐步理解复杂的计算过程。这本书不仅为我提供了扎实的计算物理学知识，更激发了我对碳纳米管在新能源领域应用研究的浓厚兴趣。

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作为一名对纳米技术应用充满热情的工程师，《Computational Physics of Carbon Nanotubes》这本书简直是我的“福音”。我一直关注碳纳米管在各个领域的应用前景，但缺乏深入理解其背后微观机制的能力。这本书恰恰填补了我的这一知识空白。书中关于碳纳米管的力学性能模拟，特别是其超高的杨氏模量和抗拉强度，让我明白了为什么碳纳米管能够成为下一代轻质高强材料的有力竞争者。作者通过分子动力学模拟，展示了原子间强大的共价键是如何赋予了碳纳米管如此卓越的机械性能，并且详细介绍了如何通过改变碳纳米管的直径、手性甚至引入掺杂原子来微调其力学特性。这一点对于我日后的材料设计工作具有直接的指导意义。此外，书中关于碳纳米管的电学性质模拟，例如其作为导体的特性以及如何通过改变结构实现半导体特性，也让我对碳纳米管在微电子学和传感器领域的应用有了更深刻的理解。我特别喜欢书中关于“量子限制效应”的讲解，它直观地解释了为什么小尺寸的碳纳米管会表现出独特的电子行为。语言风格上，这本书最大的优点在于其“接地气”。作者在讲解复杂的计算原理时，总是会结合实际的应用场景，并且提供清晰的模拟流程和结果分析。即便是对于我这样并非专业计算背景的读者，也能通过书中提供的实例，逐步理解复杂的计算过程。这本书不仅为我提供了理论知识，更让我具备了运用计算工具解决实际工程问题的能力。

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对于一个长期在理论物理领域摸索的学者来说，《Computational Physics of Carbon Nanotubes》提供了一个绝佳的窗口，让我得以一窥计算方法在具体材料科学研究中的强大应用。我一直深谙理论的重要性，但如何将这些抽象的理论转化为可操作的计算模型，并从中提取有意义的物理信息，是我一直在思考的问题。这本书在这方面做得非常出色。书中对多种量子力学计算方法的详细阐述，如哈密顿量的构建、求解薛定谔方程的数值方法等，都为我提供了宝贵的参考。我特别欣赏书中关于如何模拟碳纳米管的机械性能，例如在拉伸、压缩和弯曲应力下的行为。作者通过分子动力学模拟，清晰地展示了原子间的相互作用力如何决定了材料的弹性模量和断裂强度，这对于理解和预测碳纳米管在纳米器件中的可靠性至关重要。书中还深入探讨了碳纳米管的磁学性质，包括如何通过计算模拟来分析其磁矩的来源以及磁各向异性，这为我在磁性材料领域的研究提供了新的思路。语言风格上，这本书的特色在于其高度的专业性和深度。作者在讲解计算方法时，毫不避讳地使用了大量的数学公式和专业术语，但同时又能够通过清晰的逻辑链条和严谨的推导，引导读者一步步理解。即便是我之前不太熟悉的计算技巧，通过书中详细的数学推导和对物理意义的解释，我也能够逐渐掌握。这本书是一份宝贵的学术资源，它不仅深化了我对计算物理学的理解，更激发了我将其应用于更多前沿材料研究的热情。

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坦白说，当我拿起《Computational Physics of Carbon Nanotubes》这本书时，我带着一丝忐忑，因为我并非传统的物理学背景出身，而是来自一个更偏向于材料科学和工程的领域。然而，这本书的编排和内容设计却让我惊喜不已。作者并没有假设读者具备深厚的理论物理学功底，而是从最基本的概念开始，逐步引入更复杂的计算模型。我最喜欢的是书中关于碳纳米管“缺陷”的模拟章节。在实验中，我们经常会遇到碳纳米管的性能不如预期，而书中通过详细的计算模拟，揭示了不同类型的缺陷（如空位、取代原子、弯曲等）对电子、力学和热学性质的巨大影响。作者通过可视化技术，让我能够直观地看到这些缺陷是如何干扰电子的传输，如何削弱材料的强度。这对于我理解和控制碳纳米管材料的质量至关重要。此外，书中关于“多壁碳纳米管”和“碳纳米管束”的计算方法也让我受益匪浅。这些更接近实际应用的多层结构，其物理行为比单壁碳纳米管更为复杂，而书中提供的计算框架，让我能够理解不同层之间的范德华力如何影响整体性能，以及如何通过调整层数和间距来优化材料的设计。语言风格上，作者在保持学术严谨性的同时，也融入了大量形象的比喻和类比，使得一些复杂的物理现象变得易于理解。例如，在解释声子传输时，作者将碳纳米管比作一根“振动的弦”，生动地描绘了声子的传播过程。这本书让我深刻体会到，计算物理学并非仅仅是冷冰冰的数字和公式，而是理解和操控微观世界的一门强大艺术。

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这本书《Computational Physics of Carbon Nanotubes》为我打开了一个全新的思考维度。我一直以来对碳纳米管的结构与性能之间的关系感到着迷，但往往局限于宏观的观测和经验性的总结。而这本书，则让我有机会深入到微观层面，通过计算的视角来理解这一切。作者在书中对于各种电子结构计算方法的介绍，如紧束缚模型和密度泛函理论，让我明白了一个个看似简单的碳原子排列组合，是如何能够产生如此丰富多样的电子特性。特别是关于碳纳米管的“金属性”与“半导体性”的判定，书中给出的计算准则和解释，让我豁然开朗。这直接关系到碳纳米管在电子器件设计中的应用，例如作为场效应晶体管的沟道材料。此外，书中关于碳纳米管的热学性质的计算，例如热导率的模拟，也让我印象深刻。我了解到，通过精确地模拟原子间的振动模式（声子），我们可以预测碳纳米管在散热方面的巨大潜力，这对于电子器件的散热设计具有重要的指导意义。语言风格上，这本书的优点在于其循序渐进的讲解方式。它并没有一开始就抛出复杂的计算模型，而是从基础的物理概念入手，逐步构建起计算框架。每一个计算步骤、每一个参数的含义都解释得非常清楚，即便是初学者也能够理解。而且，书中还穿插了大量的图表和模拟结果，使得理论的讲解更加直观生动。这本书为我提供了一个系统性的学习平台，让我能够从根本上理解碳纳米管的物理行为，并为我未来的研究方向提供了坚实的理论支撑。

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《Computational Physics of Carbon Nanotubes》这本书，从我作为一名独立研究者，侧重于探索新材料的潜力的角度来看，无疑是一部极具启发性的著作。我一直以来都在尝试寻找能够突破现有材料局限性的新材料，而碳纳米管无疑是其中的佼佼者。但如何深入理解其内在的物理机制，并对其进行更精细的调控，一直是我的一个难题。这本书通过引入计算物理学的视角，为我提供了强大的分析工具。书中对碳纳米管的电子-声子耦合机制的模拟，让我明白了电子的传输是如何受到原子振动的影响，以及这种耦合机制如何影响碳纳米管的光电特性。这一点对于我研究新型光电器件和催化剂的设计非常有帮助。我特别欣赏书中关于碳纳米管在不同环境下的行为模拟，例如在溶液中的分散性和在高温下的稳定性。作者通过分子动力学模拟，揭示了这些宏观现象背后的微观相互作用，这对于我进行实验设计和工艺优化提供了重要的参考。语言风格上，这本书的特点在于其深刻的理论洞察力。作者在讲解计算方法时，不仅描述了“如何做”，更深入地阐述了“为什么这样做”，以及计算结果所蕴含的深刻物理意义。即便是我对某些计算方法不太熟悉，通过书中对物理原理的深入剖析，我也能够理解其核心思想。这本书为我提供了看待碳纳米管问题的新角度，让我能够更有效地进行理论探索和实验验证。

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