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第1章 计算材料学导论1

1.1 引言1

1.1.1　计算物理概述1

1.1.2 量子计算化学概述2

1.1.3　材料设计理念3

1.1.4 计算材料学4

1.2　计算材料学理论体系7

1.2.1 计算尺度7

1.2.2 基于量子力学第一性原理的电子结构计算10

1.2.3 基于统计力学的分子（原子）演化结构计算12

1.2.4 基于连续介质力学的本体结构计算13

1.2.5 多层次研究对象与计算方法关系14

1.2.6 计算框架和数值处理方法14

1.3 计算材料学研究动态与展望15

1.3.1 第一性原理计算方法15

1.3.2 分子动力学方法20

1.3.3 蒙特卡罗方法21

1.3.4　跨尺度的计算方法耦合与集成22

1.3.5 先进材料和纳器件的计算与设计23

1.3.6 计算材料学发展趋势31

1.4　设计实践方法学32

1.4.1 基于专业设计软件的实践方法32

1.4.2 基于自编程的实践方法34

1.4.3 基于计算方法耦合与集成的实践方法35

1.5　设计实践课程学习方法36

1.5.1 创新设计实践的教育理论36

1.5.2 设计实践指南39

1.5.3 几点启示42

1.6 习题43

1.7　推荐阅读材料44

第2章 密度泛函理论基础45

2.1 引言45

2.1.1 密度泛函理论的提出45

2.1.2 第一性原理计算方法46

2.1.3 第一性原理计算中的近似47

2.2　密度泛函理论48

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理48

2.2.2 Kohn-Sham方程49

2.2.3 交换关联泛函51

2.2.4 自洽计算52

2.3 基矢展开与计算方案54

2.3.1 基矢展开54

2.3.2 计算方案分类55

2.3.3 密度泛函计算框架分析56

2.4　材料计算与设计实践指南58

2.4.1 材料计算流程58

2.4.2 基于密度泛函理论计算软件包58

2.4.3　物理性质分析59

2.5 习题59

2.6　推荐阅读材料60

第3章　赝势平面波方法（Ⅰ）61

3.1 基本原理61

3.1.1 平面波展开与截断能62

3.1.2 赝势63

3.1.3 模守恒赝势66

3.1.4 超软赝势68

3.1.5 Hellmann-Feynman力69

3.2　数值处理方法与技巧70

3.2.1 超原胞方法70

3.2.2 自洽电子弛豫方法71

3.2.3 几何结构优化技术72

3.2.4 快速傅里叶变换（FFT）74

3.2.5 k空间取样规则74

3.2.6 基于密度泛函理论的第一性原理计算框架及步骤75

3.3 基于Materials Studio的实践流程76

3.3.1 软件介绍及计算步骤76

3.3.2 几何结构的构建79

3.3.3 计算操作方法82

3.3.4 结果可靠性测试90

3.4　锐钛矿型TiO2（101）表面分析计算93

3.4.1 表面结构的建立94

3.4.2 参数设置95

3.4.3 表面原子几何结构95

3.4.4 表面能计算96

3.4.5 表面原子弛豫97

3.4.6 电子布居分析98

3.4.7 表面原子弛豫对电子结构的影响99

3.5 ＊锐钛矿型TiO2（101）表面缺陷结构的计算100

3.5.1 表面缺陷模型100

3.5.2 表面缺陷原子几何结构100

3.5.3 点缺陷形成能102

3.6 习题104

3.7　推荐阅读材料104

第4章 赝势平面波方法（Ⅱ）105

4.1 倒空间积分105

4.1.1 晶体平移对称性105

4.1.2 点群对称性106

4.1.3 布里渊区积分107

4.2 第一性原理的高效计算108

4.2.1 基于Linux平台计算软件108

4.2.2 并行计算110

4.2.3 平面波赝势方法计算软件110

4.2.4　PWscf界面PWgui112

4.3　石墨烯电子特性计算与分析113

4.3.1 电子自洽计算113

4.3.2 反复测试相关参数119

4.3.3 体系结构优化121

4.3.4 电荷密度分布图124

4.3.5 能带计算和分析125

4.3.6 态密度计算和分析128

4.3.7 PWscf,Abinit,VASP输入参数的比较129

4.4 ＊碳纳米管氢原子吸附特性研究130

4.4.1 结构建模131

4.4.2 吸附稳定性分析132

4.4.3 电荷密度分析133

4.5 赝势平面波方法计算流程小结134

4.6 习题135

4.7　推荐阅读材料135

第5章 全势-线性缀加平面波方法136

5.1 引言136

5.2　线性缀加平面波方法137

5.2.1 缀加平面波（APW）137

5.2.2 线性缀加平面波（LAPW）140

5.2.3 全势线性缀加平面波（FP-LAPW）141

5.3 基于WIEN2K的计算流程141

5.3.1 计算流程图142

5.3.2 w2web用户界面143

5.4 基于WIEN2K的设计实践方法143

5.4.1 构建晶体结构143

5.4.2 计算的初始化145

5.4.3 电子自洽计算147

5.4.4 结果计算和分析148

5.5 纤锌矿ZnO基本的性质计算实例156

5.5.1 结构模型的建立157

5.5.2 参数设置157

5.5.3 计算结果与分析157

5.6 习题159

5.7　推荐阅读材料160

第6章　分子动力学方法162

6.1 引言162

6.2 分子动力学的计算框架163

6.2.1 基本思想163

6.2.2 计算流程164

6.2.3 经典分子动力学中近似处理165

6.3　分子动力学的系综166

6.3.1 常用系综分类166

6.3.2 NEV系综基本方程167

6.3.3 NTP系综质点系的基本方程170

6.4 原子势函数和分子力场构造174

6.4.1 经典理论的原子势函数175

6.4.2 分子力场175

6.5　数值方法与编程技巧178

6.5.1 边界条件178

6.5.2 时间积分处理180

6.6 计算结果的解析方法183

6.6.1 宏观参量的统计平均184

6.6.2 三种形式的统计平均值处理方法185

6.7　分子动力学计算实例187

6.7.1 碳纳米管CNT的特性187

6.7.2 Materials Explorer介绍188

6.7.3 利用Materials Explorer软件模拟的操作流程189

6.8 习题195

6.9　推荐阅读材料195

第7章 第一性原理分子动力学196

7.1 第一性原理分子动力学理论基础196

7.1.1 从头计算分子动力学197

7.1.2 波恩-奥本海默分子动力学198

7.1.3 Car-Parrinello分子动力学198

7.2 第一性原理分子动力学计算框架200

7.3　CPMD数值算法201

7.3.1 Car-Parrinello拉格朗日函数表达式201

7.3.2 Car-Parrinello运动方程202

7.3.3 正交归一化处理203

7.4　基于CPMD软件包计算实例205

7.4.1 CPMD软件包简介205

7.4.2　计算氢分子的输入文件格式206

7.4.3 输出文件格式208

7.4.4 几何优化212

7.4.5　Car-Parrinello分子动力学214

7.4.6　进一步计算任务216

7.5 习题217

7.6　推荐阅读材料217

第8章　蒙特卡罗方法219

8.1 引言219

8.1.1 发展历史和分类219

8.1.2 蒙特卡罗方法和分子动力学方法比较221

8.2 蒙特卡罗方法计算框架222

8.2.1　基本思想222

8.2.2 计算流程223

8.3　蒙特卡罗基本原理225

8.3.1 随机过程225

8.3.2 马尔科夫过程226

8.3.3 各态历经假说227

8.3.4 抽样方法229

8.3.5 细致平衡原理（微观可逆性原理）232

8.4　数值算法与编程技巧234

8.4.1 产生随机数234

8.4.2 边界条件236

8.4.3 截断237

8.4.4 初始化240

8.4.5 约化单位240

8.5 蒙特卡罗方法的应用241

8.5.1 电场作用下载流子输运241

8.5.2 自旋模型244

8.5.3 固体表面上粒子扩散250

8.6 磁性薄膜自旋重取向蒙特卡罗模拟252

8.6.1 物理模型与算法构建252

8.6.2　程序的几个关键技术253

8.6.3 用户界面介绍255

8.6.4 软件的基本操作方法257

8.6.5　模拟结果及分析258

8.7 习题260

8.8　推荐阅读材料260

第9章　有限元方法在微磁学中的应用261

9.1 有限元方法的提出261

9.1.1 基本思想261

9.1.2 求解步骤262

9.1.3 与其他方法比较263

9.2　微磁学理论基础264

9.2.1 引言264

9.2.2 Landau-Lifshitz-Gilbert方程265

9.2.3 离散化处理266

9.2.4　表面各向异性能269

9.3　纳米膜磁导率模拟系统简介270

9.3.1 系统软件框架270

9.3.2 建模并划分网格271

9.3.3 数据处理272

9.4 单颗粒的表面各向异性272

9.4.1 Aharoni表面各向异性的微磁学计算273

9.4.2 奈尔表面各向异性274

9.5 单相颗粒膜数值模拟280

9.5.1 静态特性281

9.5.2 动态特性284

9.6 习题286

9.7　推荐阅读材料286

附录A　常用缩写术语对照表288

附录B　常用材料设计软件简介290

附录C 常用Linux命令297

附录D　原始文献汇编303

附录E　设计实践专题312

附录F　参考书目326

后记328