新書推薦：
《
机器人之梦：智能机器时代的人类未来
》
售價：HK$
75.9
《
脑髓地狱（裸脊锁线版，全新译本）日本推理小说四大奇书之首
》
售價：HK$
61.6
《
复利人生
》
售價：HK$
75.9
《
这里，群星闪耀：乒坛典藏·绽放巴黎（全套7册）
》
售價：HK$
259.6
《
想通了：清醒的人先享受自由
》
售價：HK$
60.5
《
功能训练处方：肌骨损伤与疼痛的全周期管理
》
售價：HK$
140.8
《
软体机器人技术
》
售價：HK$
97.9
《
叙事话语·新叙事话语
》
售價：HK$
74.8
|
| 編輯推薦： |
|
本教材在介绍每种计算材料方法之后都会编排简单的算法编程，让学生能够掌握计算方法的使用；专门安排一章，以开源程序或商业化软件为例，详细展示针对用各种计算方法中的实例上机操作，使学生学会如何使用计算软件；注重计算方法基础理论的公式推导，详细的推导过程有助于学生了解基础理论与计算算法的思想。
|
| 內容簡介： |
|
本书面向高年级本科生和研究生，系统介绍了计算材料学的核心理论与方法。内容涵盖从固体物理的基础知识（如晶体结构、电子能带和声子谱）到量子力学中的近似方法（如变分法和微扰理论），再到哈特里-福克方法与密度泛函理论等第一性原理计算方法。此外，本书还深入探讨了赝势理论及其在固体材料计算中的应用，并结合具体算例，通过上机实验帮助读者掌握结构优化、能带计算等关键技能。
|
| 關於作者： |
|
刘仕，2009年本科毕业于中国科学技术大学，2015年博士毕业于美国宾夕法尼亚大学，博士后工作于华盛顿卡内基研究所和美国陆军研究所，现为西湖大学理学院特聘研究员、博士生导师。先后入选浙江省和国家海外高层次人才引进计划青年项目。长期从事计算物理和计算材料学方向的研究工作，综合运用第一性原理密度泛函理论计算和大尺度分子动力学，研究功能氧化物和量子材料的构性关系。2017年获美国物理学会计算物理领域Nicholas Metropolis Award。自2013年以来，共参与发表文章50余篇，包括Nature， Nature Materials， Physical Review Letters， Materials Horizons等。目前主持国家科技部重点研发青年科学家项目、国家自然科学基金委面上项目、青年科学基金项目等多个项目。
|
| 目錄：
|
第 1 章 固体物理基本概念 1
1.1 固体物理学概述 1
1.2 晶体的结构与对称性 2
1.2.1 晶体和非晶体 2
1.2.2 晶体的周期性 4
1.2.3 晶体的对称性 7
1.2.4 晶系 10
1.3 固体中的电子：能带结构 12
1.3.1 能带理论概述 12
1.3.2 布洛赫定理 13
1.3.3 能态密度 15
1.3.4 近自由电子模型 16
1.3.5 紧束缚模型 20
1.3.6 原子能级与能带的关系 22
1.4 固体中的声子：晶格动力学 23
1.4.1 晶格振动和谐振子 24
1.4.2 能量量子和声子 25
1.4.3 晶体的比热 26
第 2 章 量子力学基本概念与方法 31
2.1 薛定谔方程 31
2.1.1 波函数与薛定谔方程的引入 31
2.1.2 定态薛定谔方程 32
2.1.3 多粒子体系的薛定谔方程与对称性 34
2.2 绝热近似 36
2.3 量子力学近似方法：变分法 37
2.3.1 变分原理 37
2.3.2 变分参数与变分法 38
2.3.3 里茨线性变分法 39
2.4 量子力学近似方法：微扰理论 40
2.4.1 非简并情况微扰论 40
2.4.2 简并微扰理论 42
2.4.3 含时微扰理论 44
2.5 线性响应理论 47
2.5.1 斯特恩海默方程 47
2.5.2 厄米算符期望值微扰修正 48
2.6 拓展提高 50
2.6.1 拓展阅读 50
2.6.2 算法编程 50
第 3 章 哈特里-福克方法 52
3.1 理论准备 52
3.1.1 玻恩-奥本海默近似 52
3.1.2 电子自旋 54
3.1.3 全同性原理与泡利不相容 55
3.2 哈特里方法 56
3.2.1 单电子体系的一般解法 56
3.2.2 非相互作用多电子体系 57
3.2.3 哈特里近似 57
3.3 哈特里-福克方法 59
3.3.1 斯莱特行列式 59
3.3.2 交换效应和交换能 61
3.3.3 斯莱特行列式的能量 62
3.3.4 基组简介 65
3.3.5 正则哈特里-福克方程 68
3.3.6 RHF 与 UHF 71
3.3.7 RHF 方程的矩阵形式 73
3.3.8 密度矩阵与福克矩阵的计算 74
3.3.9 RHF 方程总结 76
3.4 自旋污染 77
3.5 后哈特里-福克方法简介 79
3.5.1 多体矩阵元的计算规则 79
3.5.2 穆勒-普莱塞特微扰理论 80
3.5.3 组态相互作用和偶合簇理论简介 83
3.6 拓展提高 85
3.6.1 拓展阅读 85
3.6.2 算法编程 85
第 4 章 密度泛函理论 86
4.1 密度泛函起源：托马斯-费米模型 86
4.2 霍恩伯格-科恩理论 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-沈吕九方程 91
4.5 科恩-沈吕九轨道与轨道能量 93
4.6 常用密度泛函 94
4.6.1 局域密度近似 94
4.6.2 广义梯度近似 95
4.6.3 密度泛函理论——雅各之梯 97
4.7 局域轨道和平面波 98
4.7.1 局域轨道 98
4.7.2 平面波 99
4.8 拓展提高 101
第 5 章 赝势理论 102
5.1 赝势起源 102
5.1.1 近自由电子模型 102
5.1.2 缀加平面波法 103
5.1.3 基于格林函数的 KKR 方法 104
5.1.4 正交平面波法 105
5.2 赝势理论 106
5.2.1 原子赝势 108
5.2.2 赝势分类 109
5.3 赝势的构造 109
5.3.1 模守恒赝势 110
5.3.2 赝势的生成 113
5.4 分离式原子赝势 114
5.5 超软赝势 116
5.6 投影缀加平面波 119
5.7 拓展提高 121
5.7.1 拓展阅读 121
5.7.2 算法编程 121
第 6 章 第一性原理上机实验 123
6.1 Quantum Espresso 计算铁电 PbTiO3 双势阱 123
6.2 ABACUS 计算 MgO 能带实例 127
第 7 章 分子动力学 130
7.1 经典分子动力学 130
7.1.1 力场 131
7.1.2 运动方程与积分方法 136
7.1.3 分子动力学里的常用系综 138
7.2 第一性原理分子动力学：玻恩-奥本海默分子动力学 138
7.3 第一性原理分子动力学：卡尔-帕林尼罗分子动力学 140
7.4 总结 142
第 8 章 分子动力学上机实验 143
8.1 利用 LAMMPS 模拟单晶铝的单轴拉伸过程 143
8.2 利用 CP2K 进行水分子的从头计算分子动力模拟 146
第 9 章 相场法 150
9.1 介观结构的模型简介 150
9.2 守恒和非守恒的序参数 151
9.3 体系中各项自由能 152
9.3.1 局域自由能的表达式 152
9.3.2 梯度能 153
9.3.3 弹性能 154
9.3.4 静电能与静磁能 155
9.4 控制方程 155
9.5 非守恒序参数的艾伦-卡恩方程 156
9.5.1 固态相变的唯象描述 156
9.5.2 艾伦-卡恩方程的推导及其数值求解 158
9.5.3 畴壁能及畴壁宽度的计算 159
9.6 守恒序参数的卡恩-希利亚德方程 160
9.7 相场模拟在信息功能材料中的应用 161
9.7.1 平衡的畴结构 161
9.7.2 畴结构的翻转 164
9.8 拓展提高 166
第 10 章 电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 泛函变分原理 169
10.2.2 欧拉格式的弱形式 172
10.2.3 欧拉格式的有限元离散 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离散 177
10.2.6 初始条件和边界条件 179
10.3 有限元建模与网格技术 180
10.3.1 非结构网格划分 180
10.3.2 结构网格 181
10.4 有限元法在电子材料中的应用 182
10.4.1 有限元法模拟电子材料力-热-电-磁多场耦合行为 182
10.4.2 有限元法在电子材料及器件柔性化设计中的应用 183
10.5 总结 184
第 11 章 机器学习和材料基因组 185
11.1 机器学习基本概念 185
11.1.1 描述符与降维 186
11.1.2 模型构建与训练 187
11.1.3 模型验证 189
11.2 深度神经网络与深度学习 190
11.2.1 深度神经网络基本架构 190
11.2.2 深度神经网络训练方法 191
11.3 机器学习在计算材料学中的应用 191
11.4 基于第一性原理的高通量计算 192
11.4.1 高通量计算架构 192
11.4.2 云计算与数据管理 194
11.5 材料基因组 194
11.5.1 材料基因组的起源、现状和趋势 194
11.5.2 材料基因组基本架构 196
11.5.3 材料基因组应用 198
11.5.4 材料基因组数据挖掘 200
11.5.5 数据挖掘的方法概要 201
第 12 章 多尺度材料模拟 202
12.1 为什么需要多尺度材料模拟 202
12.2 经典分子动力学模拟铁电氧化物 203
12.2.1 壳层模型 203
12.2.2 键价模型 204
12.2.3 深度势能 206
12.3 相场法模拟铁电材料 209
12.4 机器学习 211
12.5 多尺度模拟铁电翻转 212
第 13 章 电子材料计算实例 215
13.1 半导体材料 215
13.1.1 计算原理概述 215
13.1.2 自洽场计算 215
13.1.3 非自洽计算 216
13.1.4 后处理与作图 218
13.2 铁电材料：贝里相方法计算自发极化 219
13.2.1 计算原理概述 219
13.2.2 铁电相结构优化 220
13.2.3 高对称无极化相的选取 223
13.2.4 利用贝里相计算自发极化 224
13.3 多铁材料：铁电极化与磁性的关系 228
13.3.1 计算原理概述 228
13.3.2 自洽场计算 229
13.3.3 可视化 230
13.4 铁磁材料 232
13.4.1 计算原理概述 232
13.4.2 非自洽计算 233
13.4.3 投影轨道态密度计算 236
13.5 自旋材料 238
13.5.1 计算原理概述 238
13.5.2 最大局域化万尼尔函数 239
13.5.3 计算反常霍尔效应 241
13.6 拓扑材料 242
13.6.1 计算原理概述 242
13.6.2 后处理与作图 244
参考文献 245
|
| 內容試閱：
|
计算材料学是理论物理、凝聚态物理、量子化学、材料科学与计算机科学交叉而形成 的一门新兴学科。计算材料学通过建立描述材料行为的模型和借助计算机越来越强大的计 算能力，来模拟和研究材料行为。材料模拟与计算已成为先进纳米材料、电子材料、能源材 料、极端环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，也是连接理论 研究和实验研究的桥梁。基于“实验—模拟—计算—数据”的系统研究模式旨在减少新材 料冗长的开发周期和巨大的成本，已逐渐成为材料科学研究的基本范式。作为一门新兴的 交叉学科，计算材料学涉及的内容十分庞杂，对于计算材料方法的理解既需要掌握凝聚态 物理和量子力学中的基本概念，也需要对算法和编程有一定的了解。本书面向高年级本科 生和研究生，遴选计算材料学中的核心理论和方法，由浅入深、循序渐进地向读者介绍各 种计算物理方法的起源、理论基础、公式推导和发展趋势，进而阐明不同计算方法之间的 关联性和互补性。本书一方面重视公式推导，另一方面也提供了大量的计算模拟实例，通 过具体的案例剖析和上机计算，让学生掌握电子材料模拟的基本思路和方法。
第 1 章重点介绍固体物理中最为基本的概念，包括晶体的结构与对称性、固体中的电
子与声子。对于能带理论和晶格动力学的理解是开展计算材料模拟的前提。同时，电子能 带和声子谱也是我们研究电子材料时最常计算的物理性质，能帮助我们理解材料的光吸收、 电输运、结构稳定性、热输运等关键性能。本章由施建章主笔。
第 2 章介绍量子力学中的近似方法，主要包括绝热近似、变分法和微扰理论。这些内
容对于已经学习了量子力学的读者而言并不陌生。变分法是许多计算化学和计算物理方法 的基础，对于该方法的理解非常重要，也是学习后续章节的前提。微扰理论则是计算材料 线性响应（如压电系数和介电常数）的基本思路。本章由刘仕主笔。
第 3 章关注哈特里-福克方法，这是计算化学的核心方法。本章从最基础的哈特里方法
出发，介绍如何近似求解非相互作用的多电子体系的基本思路。哈特里-福克方法则是在 哈特里方法的基础上，通过引入满足电子交换反对称性质的斯莱特行列式，求解正则哈特 里-福克方程，获得多电子体系薛定谔方程的近似解。后哈特里-福克方法本质上是通过引 入更多的斯莱特行列式，构建 “更好”的尝试波函数。本章由余旷主笔。
第 4 章介绍密度泛函理论。基于密度泛函理论的第一性原理计算是模拟固体材料的重 要方法，应用范围非常广泛。本章通过介绍托马斯-费米模型，引出密度泛函理论的基本思 路。霍恩伯格-科恩理论证明了密度泛函理论能够严格求解多电子体系薛定谔方程，因此是 本章的重点内容。通过推导科恩-沈吕九 (Kohn-Sham) 方程并与正则哈特里-福克方程比较， 读者可以了解密度泛函理论计算方法的优势。本章也介绍了几个常用密度泛函和模拟固体
材料的常用基组。本章由陈默涵主笔。
第 5 章介绍赝势理论。基于第一性原理计算的赝势的发展极大地促进了针对固体材料 的第一性原理计算与模拟，因此对于赝势理论的理解有助于在数值计算方面了解计算物理 算法。本章首先介绍了赝势的起源和赝势构造的基本原则，之后着重介绍了三种被广泛应 用的赝势，分别为模守恒赝势、超软赝势以及投影缀加平面波方法。本章由杨静主笔。
第 6 章提供了可以用于第一性原理上机实验的两个算例，均可以通过开源软件完成。通 过上机实验，读者一方面可以了解结构优化、势能面构建、能带计算等计算材料模拟所需 要掌握的基本技能，同时也能够加深对前几章介绍的核心概念与公式的理解，提高使用和 开发计算材料方法的能力。本章由黄佳玮和陈默涵主笔。
从第 7 章开始，本书将开始介绍能够在较大的时间和空间尺度模拟材料的方法。第 7 章 关注分子动力学方法，既包括基于经典力场的经典分子动力学方法，也讨论了第一性原理 分子动力学。本章由谭丹主笔。相关的分子动力学上机实验安排在第 8 章。第 9 章介绍了在 模拟介观尺度材料微结构演化领域被广泛应用的相场法，详细讨论了相场法中的序参数、 总自由能及各种能量项、两类控制方程及其求解推导过程。以铁电相变为实例，介绍了相 场模拟在信息功能材料中的应用。本章由彭仁赐主笔。第 10 章介绍了有限元方法，由刘志 远主笔。
第 11 章介绍了近几年计算材料领域的前沿，包括机器学习和材料基因组，由彭仁赐主 笔，吴玉豪、黄瑾参与编写及校对。第 12 章聚焦多尺度材料模拟，以铁电材料为例，介绍 了如何将不同尺度的计算物理方法进行整合，从而实现铁电材料的理性设计与优化。本章 由刘仕主笔。最后一章则提供了几类典型电子材料相关的计算实例，包括半导体材料、铁 磁材料、自旋材料、拓扑材料等。所有算例和数据处理都可以运用开源软件完成。
计算材料学涉及的内容非常广泛，如何构建一部系统性介绍该领域的教材极具挑战性。 受限于学时的限制，要求材料专业的本科生和研究生系统完整地学习凝聚态物理、量子力 学和计算机编程等相关课程不具备可行性。因此，本书希望循序渐进地向学生呈现电子材 料计算的主要脉络，并将它们与编程语言相结合，为后续学习和科研打下坚实的基础。衷 心感谢作者团队中的施建章、彭仁赐、余旷、陈默涵、谭丹、杨静等的贡献。同时感谢胡 逸豪、杨雨迪、杨季元、钱庄、喻祺晟、黄佳玮、吴玉豪、黄瑾参与校对。正是他们的辛 勤付出才使本书能够完成。诚挚感谢周益春老师的大力支持，感谢西安电子科技大学教材 建设基金资助项目。
最后，由于自身学识有限和时间仓促，本书中的相关内容难免有不妥之处，恳请相关 专家和读者批评指正。就像电子自洽计算中的迭代过程一样，读者与编写者的互动与迭代 可以不断提高本书的质量，让本书真正能够帮助学生学习计算材料学，培养具有深厚材料计算理论基础的电子材料人才，从而有效服务于国家电子材料战略发展。
本书彩图请扫二维码观看。
刘 仕
2024 年 1 月
|
|
購物車/收銀台(0) | 在線留言板
| 付款方式
| 運費計算
| 聯絡我們
| 幫助中心 |
加入書簽
HOME
新書上架
