《計算材料學(xué)》介紹了計算材料學(xué)的基本概念以及若干常用的計算方法，包括第一性原理密度泛函理論計算、分子動力學(xué)方法、蒙特卡羅方法、相場模擬方法以及光學(xué)超晶格、光子晶體、聲子晶體的設(shè)計和計算。本書內(nèi)容豐富，涉及了現(xiàn)代材料計算中常見的材料體系和模擬方法。在講解計算方法時，注重理論和實踐相結(jié)合，先從基本理論出發(fā)，然后結(jié)合程序給出若干計算實例，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)容和實例，方便讀者了解計算材料學(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)與工程系進行博士后研究工作，期間于2008 年10 月到2009 年1 月到臺灣大學(xué)物理系進行短期訪問。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)域為層狀材料拓撲、熱電、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》。
第1章緒論
1.1計算材料學(xué)簡介 1
1.2常見計算模擬方法 3
1.3多尺度模擬 4
1.4機器學(xué)習(xí)和計算材料學(xué) 5
1.5展望 7
參考文獻 7
第2章第一性原理材料計算
2.1第一性原理計算概述 9
2.2晶體結(jié)構(gòu)和對稱性 10
2.2.1點陣、基矢和元胞 10
2.2.2點陣的分類 12
2.2.3常見晶體結(jié)構(gòu) 14
2.2.4晶體對稱性 17
2.2.5點群和空間群 20
2.2.6原子坐標 23
2.2.7倒易點陣和布里淵區(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 35
2.4.4平面波截斷能 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方法 39
2.4.7密度泛函程序 41
2.5VASP程序介紹及計算例子 41
2.5.1VASP程序簡介 41
2.5.2電子能帶和態(tài)密度計算 45
2.5.3聲子能帶和態(tài)密度計算 52
2.5.4晶格熱導(dǎo)率計算 54
2.6Quantum ESPRESSO程序介紹及計算例子 56
2.6.1Quantum ESPRESSO程序簡介 56
2.6.2電子能帶和態(tài)密度程序簡介 57
2.7OpenMX程序介紹及計算例子 60
2.7.1OpenMX程序簡介 60
2.7.2電子能帶、態(tài)密度和費米面計算 60
2.7.3光學(xué)性質(zhì)計算 63
習(xí)題 65
參考文獻 65
第3章分子動力學(xué)
3.1分子動力學(xué)概述 67
3.2分子動力學(xué)基本知識 68
3.2.1引言 68
3.2.2分子動力學(xué)中的原子模型 68
3.2.3分子動力學(xué)的工作原理 69
3.3勢能函數(shù) 70
3.3.1兩體勢 70
3.3.2無方向性多體勢 72
3.3.3考慮角度效應(yīng)的多體勢 73
3.3.4勢參數(shù)的確定 73
3.4分子動力學(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-校正算法 76
3.5分子動力學(xué)的計算流程 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分子動力學(xué)應(yīng)用舉例 85
3.6.1鋁的勢能曲線 86
3.6.2鎳團簇的熔化 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 102
第4章蒙特卡羅方法
4.1蒙特卡羅方法概述 104
4.2隨機變量 106
4.3大數(shù)定理和中心極限定理 107
4.4隨機數(shù)和隨機抽樣 109
4.4.1隨機數(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 133
第5章相場模擬
5.1相場模擬的基本原理 134
5.2相場模擬的物理與數(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鐵電材料的相場模型 138
5.4相場方程的求解 141
5.4.1有限差分法介紹 141
5.4.2相場方程的有限差分格式 142
5.4.3有限差分法求解相場方程的案例 143
5.5相場模擬鐵電疇結(jié)構(gòu)演化 146
5.5.1相場模擬驗證實驗結(jié)果 146
5.5.2相場模擬引導(dǎo)實驗方向 148
習(xí)題 149
參考文獻 150
第6章光學(xué)超晶格材料設(shè)計
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準相位匹配方法的基本原理 158
6.4超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計與諧波耦合方程 161
6.5準周期、雙周期和非周期超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計 165
6.6新型相位匹配方法雜例 170
習(xí)題 173
參考文獻 173
第7章光/聲子晶體能帶計算
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聲波波動方程與聲子晶體 183
7.1.4縮放定則與對稱性 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 234
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