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第1章 材料设计综述 熊家炯 朱嘉麟 1

1．1 什么是材料设计 1

1．2 材料设计的发展概况 2

1．2．1 前期研究的回顾 2

1．2．2 当前面临的挑战 3

1．3 材料设计的范围与层次 4

1．4 材料设计的主要途径 6

1．4．1 材料知识库和数据库技术 6

1．4．2 材料设计专家系统 9

1．4．3 材料设计中的计算机模拟 10

1．4．4 基于第一性原理的计算 12

1．5 基于第一性原理的主要计算方法 13

1．5．1 密度泛函理论 14

1．5．2 准粒子方程，GW近似 16

1．5．3 Car-Parrinello方法 17

1．6 国外研究动态与展望 19

1．6．1 新材料及其理论方法 20

1．6．2 表面与界面的研究概况 21

1．6．3 薄膜、复合材料的设计问题 22

1．6．4 从理论上预报和设计材料 23

1．6．5 当前材料设计的机遇与展望 24

1．7 我国“863”计划中材料设计研究进展及本书概貌 25

参考文献 31

第2章 探索非线性光学晶体的分子设计学方法 陈创天 33

2．1 非线性光学晶体发展的历史回顾 33

2．1．1 “炒菜”式研究 33

2．1．2 晶体非线性光学效应的理论研究阶段（60年代中期～70年代） 34

2．1．3 理论指导下新型非线性光学晶体探索阶段(70年代中期～80年代) 36

2．1．4 非线性光学晶体探索进入分子设计阶段（90年代） 37

2．2．1 基团理论的计算方法 38

2．2 晶体非线性光学效应的阴离了基团理论 38

2．2．2 用基团理论方法计算和预示晶体倍频系数的典型实例 44

2．3 探索非线性光学晶体的分子设计学方法和实验流程 48

2．3．1 非线性光学晶体应用对晶体提出的要求 49

2．3．2 探索非线性光学晶体的实验流程 50

2．4 运用非线性光学晶体分子设计专家系统探索新型晶体的几个实例 52

2．4．1 从LBO族晶体到KBBF晶体的发现 53

2．4．2 从KBBF晶体到SBBO晶体的发展 58

2．4．3 从SBBO到SBBO族非线性光学晶体的发展 60

参考文献 61

第3章 原子相互作用势及材料性能预测 陈难先 66

3．1 国内外现状及发展趋势 66

3．2 第一性原理原子间相互作用对势的严格表达 67

3．2．1 引言 67

3．2．2 陈氏晶格反演定理 69

3．3．3 面心立方结构中求同种原子相互作用势的反演系数 72

3．3．4 Carlsson-Gelatt-Ehrenreich(CGE)的推导及结果 76

3．3 第一性原理相互作用对势的若干应用 78

3．3．1 二元有序合金场离子显微镜成像机理 78

3．3．2 关于Ni3Fe中反相畴界与Ni3AL中合金元素择优代位 79

3．3．3 合金元素对金属间化合物声子谱的影响 80

3．3．4 硼在α-Fe中的溶解度问题 85

3．3．5 稀土化合物相稳定性问题 87

3．4 新型稀土化合物计算机模拟设计 88

3．4．1 稀土-哑铃对替换的经验规律 88

3．4．2 模拟设计问题的提出 89

3．4．3 从SmFe5到SmFe12的演化过程模拟 89

3．4．4 Sm3Fe29 和Sm2Fe17的模拟 92

3．4．5 Sm4Fe41 和Sm5Fe53两种新结构的设计 92

3．5 小结 93

参考文献 94

第4章 聚合物材料的设计研究 杨小震 97

4．1 高性能聚合物 98

4．1．1 计算机模拟与材料设计 98

4．1．2 分子力场 99

4．1．3 晶体结构的模拟 100

4．1．4 力学性质的模拟 106

4．2 非线性光学聚合物 109

4．2．1 非线性光学效应和极化聚合物 109

4．2．2 生色团的分子设计 112

4．2．3 极化聚合物的设计与合成 121

4．3 导电共轭聚合物 125

4．3．1 分子设计 128

4．3．2 掺杂 130

4．3．3 导电高聚物 131

4．4 发光聚合物 135

4．4．1 发光聚合物的基本性质 137

4．4．2 发光聚合物的结构设计 139

参考文献 144

第5章 材料科学中的界面问题 黄孝瑛 149

5．1 引言 149

5．2 界面和表面结构的近代理论 150

5．2．1 晶界结构模型 150

5．2．2 表面结构的描述 161

5．2．3 跨尺度关联模式研究界面 166

5．3 界面研究中的若干基本概念 167

5．3．1 界面热力学 167

5．3．2 表面电子态 168

5．3．3 界面偏析 170

5．3．4 界面扩散 173

5．3．5 界面化学反应 176

5．4 工程材料中的界面问题 178

5．4．1 纳米材料的界面结构 178

5．4．2 金属间化合物的界面结构 180

5．4．3 先进复合材料中的界面问题 182

5．4．4 晶界和相界的直接观测典型示例 183

参考文献 188

第6章 金属缺陷及电子结构与材料设计 王崇愚 191

6．1 导言 191

6．2 位错理论基础及位错电子结构与芯区组分设计 194

6．2．1 位错理论的一般表述 194

6．2．2 位错理论中的几个重要主题 197

6．2．3 位错及相关缺陷的电子理论描述 204

6．3．1 研究背景 212

6．3 杂质-空位复合体电子结构与合金性质 212

6．3．2 物理模型 213

6．3．3 复合体能量及电子结构计算与杂质效应分析 215

6．3．4 微量杂质的电子结构与合金性质分析 218

6．4 界面偏聚效应与材料组分设计 219

6．4．1 界面偏聚效应的能量学表述 219

6．4．2 热力学模型及脆-塑判据的第一性原理计算 220

6．4．3 轻杂质-晶界复合体电子结构及能量与晶界组分设计 221

6．4．4 杂质-层错复合体电子效应与位错运动行为及材料宏观物性 229

参考文献 234

第7章 数据信息采掘与材料设计的半经验方法 陈念贻 238

7．1 材料研制中的两个共性课题 238

7．2 复杂数据信息采掘的原理 240

7．2．1 关于数据文件中的信息量 241

7．2．2 关于数据结构的拓扑类型 242

7．3．1 模式识别方法及其长处和局限性 243

7．2．3 复杂数据处理中的综合信息处理方法 243

7．3 复杂数据信息采掘各种算法的长处和局限性 243

10．6 量子点特性研究中发现的一些新现象 247

7．3．2 人工神经网络及其长处和局限性 247

7．3．3 非线性回归和线性回归方法的长处和局限性 249

7．4 复杂数据处理的综合方法举例 251

7．5 用材料设计软件预报合金相 251

7．6 用材料设计软件预报物性 254

7．7 用材料设计软件预报相图特征量 255

7．8 用材料设计软件优化材料制备工艺 256

7．8．1 材料制备过程优化的原理 256

7．8．2 材料设计软件用于已有数据的加工 256

7．8．3 用材料设计软件辅助实验探索 259

7．8．4 材料设计软件辅助材料智能加工 264

参考文献 265

第8章 半导体应用中的材料设计问题 夏建白 267

8．1 半导体材料的一些基本物理性质 267

8．2 掺杂的材料设计 269

8．2．1 浅能级杂质 269

8．2．2 深能级杂质 272

8．3 超晶格的能带工程 273

8．3．1 超晶格的新的物理效应 273

8．3．2 新型的超晶格器件 277

8．3．3 研究超晶格和微结构的一些理论方法 278

8．4 能带——光子工程 281

8．4．1 半导体微腔 281

8．4．2 光子晶体 283

参考文献 286

第9章 原子团簇及其组装材料的计算设计 顾秉林 288

9．1 引言 288

9．2．1 团簇的稳定性与幻数 289

9．2 团簇物理 289

9．2．4 团簇的熔化与凝固、相变 290

9．2．2 五次对称性 290

9．2．3 自发破碎与库仑爆炸 290

9．2．5 磁学性质 291

9．2．6 光学性质 291

9．2．7 金属团簇催化活性 291

9．2．8 理论模型 291

9．3 富勒烯——C60 295

9．3．1 C60的发现 295

9．3．2 富勒烯的物理性质 297

9．3．3 富勒烯的化学性质 301

9．3．4 其他富勒烯 302

9．4 碳纳米管研究的进展 303

9．4．1 碳纳米管的发现 303

9．4．2 碳纳米管的结构 304

9．4．3 其他碳纳米管结构 307

9．4．4 碳纳米管的电子结构及性质 308

9．4．5 碳纳米管的填充性 311

9．5 原子团簇及其组装材料的计算设计举例 313

9．5．1 预见Co团簇的磁性增强，指导实验研究 313

9．5．2 Ih群对称性的Si13的稳定性问题 315

9．5．3 Sen 团簇组装材料的电子结构及其稳定性 316

9．5．4 在面心立方C60中分子指向对电子结构的影响 318

9．5．5 单壁碳纳米管的有限尺寸效应 319

参考文献 320

第10章 量子点特性的理论分析与预测 朱嘉麟 熊家炯 324

10．1 人工低维量子结构材料的兴起 324

10．2 量子点的类型及制备方法 327

10．2．1 在二维电子气系统上加调制电极 328

10．2．2 在量子阱结构基础上进行精细加工 329

10．2．3 用分子束外延进行自组织生长 329

10．2．4 用胶体化学方法制备 330

10．2．5 其他方法 331

10．3 “人工原子”中的电子 332

10．3．1 实验装置与测量 332

10．3．2 “人工原子”的理论模型 333

10．3．3 含有三个相互作用电子的系统 337

10．3．4 含有多个相互作用电子的系统 338

10．4 量子点电子结构及若干物理特性的预测 339

10．4．1 量子点中的类氢施主态 339

10．4．2 量子点中双电子谱的尺寸和形状效应 340

10．4．3 量子点电子结构的理论模型 341

10．5 量子点中的激子与光学特性 343

10．5．1 量子点中电子-空穴对的理论描述 343

10．5．2 光学跃迁 344

10．5．3 空穴态的劈裂 345

10．5．4 量子点的光谱特征 346

10．6．1 声子“瓶颈效应” 347

10．6．2 直接带隙到间接带隙的转变 348

10．6．3 发射峰相对于吸收峰的红移 349

10．6．4 单个量子点中的少粒子效应 350

10．6．5 单个量子点的光学性质 351

10．6．6 量子点阵列的光学性质 351

10．7 量子点应用举例 352

10．7．1 量子点激光器 352

10．7．2 单电子器件 354

10．7．3 量子点网络自动机 357

10．8 量子点的发展前景 359

10．7．4 其他应用 359

参考文献 362

第11章 量子化学与材料设计 黎乐民 陈志达 365

11．1 材料设计的量子化学计算方法 365

11．1．1 材料性能与其微观结构 365

11．1．2 量子化学计算方法 366

11．2 超硬材料的设计与合成 369

11．2．1 超硬材料与体积弹性模量 369

11．2．2 β-Si3N4的电子结构 370

11．2．3 β-C3N4的电子结构 372

11．2．4 β-C3N4的合成 372

11．3 分子磁体的设计 373

11．3．1 分子磁体 373

11．3．2 磁耦合的唯象理论 373

11．3．3 磁相互作用的量子化学模型 374

11．3．4 无机分子磁体的理论设计 375

11．4 催化剂的分子设计研究 379

11．4．1 铝硅酸盐簇模型的质子亲和能的量子化学计算 380

11．4．2 分子筛FAU和MFI质子亲和能的分子力学计算 381

11．4．3 反应机理及催化活性与酸性的关系 382

11．5 高能密度材料 384

11．5．1 高能密度材料的理论搜索 384

11．5．2 偶数原子氮簇 385

11．5．3 其他类型氮簇化合物 387

11．5．4 合成方面的探索 388

11．6 量子化学材料设计的前景 389

11．6．1 量子化学材料设计的主要困难和线性比率算法 389

11．6．2 大体系的局部精确计算方法 390

11．6．3 对计算能力提高的期望 391

参考文献 391