計算材料學(2023年華中科技大學出版社出版的書)

《計算材料學——從算法原理到代碼實現》由單斌、陳征征 、陳蓉撰寫，由華中科技大學出版社於2023年11月出版。

基本介紹

• 中文名：計算材料學——從算法原理到代碼實現
• 外文名：Computational Materials Sciencefrom principles to codes
• 出版時間：2023年10月24日
• ISBN：9787577200446
• 作者：單斌、陳征征、陳蓉
• 頁數：563 頁
• 開本：16 開
• 定價：168 元
• 印裝：雙色精裝

內容簡介

該書主要介紹計算材料學中比較常用的微觀尺度模擬方法的基本理論，深入討論各種模擬方法的數值化實現、數值算法的收斂性及穩定性等，綜述近年來計算材料學國內外最新研究成果。全書共8章，第1章介紹必要的數學基礎，包括線性代數、插值與擬合、最佳化算法、數值積分及群論等方面內容。第2章介紹量子力學、晶體點群及固體理論基礎。第3章介紹第一性原理，主要包括Hartree-Fock方法和密度泛函理論，同時詳細討論了如何利用平面波贗勢方法求解體系總能和本徵波函式，並簡要介紹了近年來發展比較迅速的準粒子近似和激發態算法。第4章介紹VASP計算模擬實例，包括VASP程式、小分子氣體能量計算等內容。第5章介紹緊束縛方法，重點推導了Slater-Koster雙中心近似下哈密頓矩陣元的普遍表達式、原子受力的計算方法，以及緊束縛模型自洽化的方法。第6章介紹分子動力學方法，包括原子經驗勢的種類、微正則系綜下分子動力學的實現算法，同時詳細討論了微正則系綜向正則系綜的變換，以及近年來發展起來的第一性原理分子動力學的理論基礎。第7章介紹LAMMPS分子動力學實例，包括LAMMPS程式、惰性氣體的擴散運動與平衡速率分布等內容。第8章介紹蒙特卡羅方法，包括隨機數採樣策略及不同系綜下的蒙特卡羅算法， 以及連線微觀與巨觀現象的動力學蒙特卡羅方法。

本書特點

本書提供全面的計算材料學相關知識的詳細講解，不僅綜合了物理、化學和計算科學，還融合了最新的機器學習和人工智慧技術，實現了從理論到套用的無縫銜接。全書具有全面性、實用性、前瞻性和互動功能。

全面性：該書涵蓋了從基礎數學和量子理論到複雜模擬算法和軟體實踐的所有方面。這種全面的知識覆蓋使讀者能夠獲得一個系統而完整的認識，有助於培養能適應不斷變化科學界需求的全面素質。

實用性：與傳統的純理論教材不同，該書特彆強調了計算模型到實際套用的轉換。對於每一種理論和模型，都提供了相應的Python代碼和實際套用實例。這種實用導向的教學方式不僅提升了教材的套用價值，也大大促進了學生的學習興趣和實踐能力。

前瞻性：書中深入探討了機器學習和人工智慧在計算材料學中的套用。它不僅展示了這些先進技術如何最佳化傳統計算方法，還預示了它們將如何推動材料科學的未來發展。這為讀者提供了一個獨特的、更新的知識視角，有助於他們跟上快速發展的科技潮流。

互動功能：教材還提供了二維碼，讀者掃描後可下載相關教學資源，還附有講解視頻和豐富的實例，增加了教材的互動性和趣味性。

目錄

第1章數學基礎(1)

1.1矩陣運算(1)

1.2群論基礎(10)

1.3最最佳化方法(12)

1.4矢量正交化(47)

1.5積分方法(49)

習題(61)

第2章量子力學和固體物理基礎(62)

2.1量子力學(62)

2.2晶體對稱性(88)

2.3晶體的力學性質(106)

2.4固體能帶論(110)

2.5晶格振動與聲子譜(123)

習題(126)

第3章第一性原理的微觀計算模擬(128)

3.1分子軌道理論(128)

3.2密度泛函理論(154)

3.3贗勢(168)

3.4平面波贗勢方法(176)

3.5綴加平面波方法及其線性化(215)

3.6過渡態(224)

3.7電子激發譜與準粒子近似(229)

3.8第一性原理計算方法的套用實例(237)

習題(243)

第4章VASP計算模擬實例(244)

4.1VASP程式介紹(244)

4.2輔助建模軟體ATOMSK(245)

4.3後處理程式VASPKIT(245)

4.4小分子氣體能量計算(246)

4.5C2H5OH的振動模式與頻率計算(251)

4.6材料平衡晶格常數計算(256)

4.7堆垛層錯能的計算(260)

4.8多元合金的彈性性能指標計算(264)

4.9空位形成能與間隙能計算(270)

4.10晶體矽的能帶結構計算(275)

4.11基於HSE06的態密度與能帶計算(280)

4.12表面能的計算(284)

4.13缺陷石墨烯的STM圖像計算模擬(290)

4.14Pt表面簡單物種的吸附能計算(294)

4.15Pt(111)表面羥基解離的過渡態搜尋(300)

4.16Pt表面的ORR催化路徑(304)

習題(311)

第5章緊束縛方法(312)

5.1建立哈密頓矩陣(312)

5.2體系總能與原子受力計算(324)

5.3自洽緊束縛方法(325)

5.4套用實例(329)

習題(332)

第6章分子動力學方法(334)

6.1分子動力學方法原理(334)

6.2原子間相互作用勢(337)

6.3微正則系綜中的分子動力學(353)

6.4正則系綜(366)

6.5第一性原理分子動力學(379)

6.6分子動力學的套用(384)

習題(386)

第7章LAMMPS分子動力學實例(387)

7.1LAMMPS程式介紹(387)

7.2可視化程式OVITO(388)

7.3惰性氣體的擴散運動與平衡速率分布(389)

7.4氣體分子的布朗運動(396)

7.5大質量粒子的二維布朗運動(399)

7.6材料的熱膨脹係數計算(402)

7.7體積熱容的計算(404)

7.8Cu晶體的聲子譜計算(407)

7.9Ni裂紋擴展計算(410)

7.10LiS鋰硫電池體積膨脹的模擬(416)

7.11體相Pt的熔點與徑向分布函式計算(421)

7.12Pt納米顆粒的熔點與表面熔化(426)

7.13Pt納米顆粒的燒結(432)

7.14H原子在BCC鐵中的擴散(437)

7.15Ni納米線的屈服機制(442)

7.16SiGe納米線的熱導率計算(448)

7.17多晶四元合金的切削分子動力學模擬(453)

7.18Si表面的薄膜沉積(460)

7.19利用Hybrid勢模擬石墨烯對金屬納米線的卷繞過程(465)

習題(469)

第8章蒙特卡羅方法(471)

8.1蒙特卡羅方法的基本原理(471)

8.2計算函式積分與採樣策略(473)

8.3幾種重要的算法與模型(478)

8.4Gibbs系綜(486)

8.5統計力學中的套用(489)

8.6動力學蒙特卡羅方法(494)

8.7KMC方法的套用(506)

習題(513)

附錄A相關數學推導(514)

A.1角動量算符在球坐標中的表達式(514)

A.2拉普拉斯算符在球坐標中的表達式(516)

A.3勒讓德多項式、球諧函式與角動量耦合(518)

A.4三次樣條(521)

A.5傅立葉變換(523)

A.5.1基本概念(523)

A.5.2離散傅立葉變換(524)

A.5.3快速傅立葉變換(525)

A.6結構分析(530)

A.6.1辨別BCC、FCC以及HCP結構(530)

A.6.2中心對稱參數(533)

A.6.3Voronoi算法構造多晶體系(534)

A.7NEB常用的最佳化算法(535)

A.7.1QuickMin算法(535)

A.7.2FIRE算法(536)

A.8Pulay電荷更新(537)

A.9最近鄰原子的確定(537)

附錄B術語索引(539)

參考文獻(542)