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第1章 计算机与材料设计 1

1.1 计算机与数值计算方法的进展 1

1.2 材料计算与设计在新材料研究开发中的作用 3

1.3 计算机与分子、原子设计 4

1.4 材料设计与虚拟技术 5

第2章 材料计算的物理基础 8

2.1 氢分子的结合能 8

2.2 物质的能带结构 12

2.3 四面体法与态密度 16

2.4 密度泛函概要 18

2.4.1 局域密度近似(LDA) 18

2.4.2 局域自旋密度近似(LSDA) 19

2.4.3 局域密度近似方法的局限与改进 21

2.5 凝胶模型与金属的功函数 22

2.6 原子嵌入法(EAM) 25

2.7 能带计算初步 27

附录A 30

附录B 31

第3章 计算机模拟基础 52

3.1 计算机模拟的意义 52

3.2 分子动力学方法的基本思想 52

3.2.1 经典分子动力学方法 53

3.2.2 恒温方法 54

3.2.3 恒压方法 55

3.2.4 ParrinelloRahman方法 56

3.2.5 CarParrinello方法 57

3.3 表面原子结构 60

3.4 固体的原子扩散 61

3.5 晶体生长模拟 63

3.6 HellmannFeyhman力的计算 64

附录 66

第4章 蒙特卡罗方法 71

4.1 引言 71

4.2 蒙特卡罗方法基础 73

4.2.1 随机过程 73

4.2.2 马尔科夫(Markov)过程 75

4.2.3 各态历经(Ergodic)问题 78

4.3 蒙特卡罗模拟算法 82

4.3.1 随机数的产生 82

4.3.2 随机变量的简单抽样 86

4.3.3 重要抽样法 89

4.3.4 弛豫过程的计算 91

4.4 应用举例 94

4.4.1 经典粒子系统 94

4.4.2 逾渗问题 94

4.4.3 高分子体系 96

4.4.4 经典自旋系 99

4.4.5 量子蒙特卡罗方法 106

4.4.6 核的形成 110

4.4.7 晶体生长 113

4.4.8 分形体系(Fractal System) 116

第5章 经典分子动力学方法 122

5.1 引言 122

5.2 分子动力学方法计算初步 123

5.2.1 分子动力学方法主要技术概要 126

5.2.2 质点系的基本方程(NTP系综) 127

5.2.3 质点系的基本方程(μVT系综) 131

5.2.4 约束系的基本方程(NEV系综) 132

5.2.5 边界条件问题 134

5.2.6 力的计算方法 137

5.2.7 数值积分方法介绍 144

5.2.8 模拟结果的分析方法 147

5.3 物质的势函数 154

5.3.1 势函数的分类 155

5.3.2 对势 156

5.3.3 对势函数中各参数的确定方法 158

5.3.4 对泛函势 162

5.3.5 团簇势 165

5.3.6 团簇泛函势 167

5.3.7 分子间模型势 170

第6章 第一性原理分子动力学方法 173

6.1 引言 173

6.2.1 全同多粒子体系量子力学 174

6.2 多电子体系的电子态 174

6.2.2 HartreeFock近似 176

6.2.3 密度泛函理论 177

6.2.4 能带计算 183

6.3 多原子体系动力学 190

6.3.1 CarParrinello方法 190

6.3.2 展开基系的选择 193

6.4 应用举例 194

7.1.1 何谓材料设计 201

7.1 陶瓷材料中有关设计的概念及方法论 201

第7章 陶瓷材料设计 201

7.1.2 材料设计的方法论 203

7.1.3 特性设计及其方法问题 204

7.1.4 考虑陶瓷结构的情况 205

7.1.5 组分是主要特性的情况 206

7.2 玻璃的材料设计 206

7.2.1 玻璃材料设计的数值计算法 207

7.2.2 玻璃的各种功能设计 213

7.3.1 陶瓷材料设计的基本框架 224

7.3 陶瓷材料的特性设计 224

7.3.2 平衡晶相的预测 226

7.3.3 复合氧化物陶瓷的物性预测 230

7.3.4 复合组织和复合原则简论 232

7.4 陶瓷材料合成方法的设计 234

7.4.1 取向性烧结体的合成法设计 234

7.4.2 陶瓷微粒的外形设计 235

7.4.3 利用薄膜技术进行微结构的设计 237

7.5 小结 237

第8章 半导体材料设计 238

8.1 引言 238

8.2 电子能带结构和半导体物性 239

8.2.1 晶体结构 239

8.2.2 电子能带结构 240

8.2.3 电子能带结构和物性 243

8.3 电子能带结构的修正 245

8.3.1 混晶化法 246

8.3.2 异质结结构 249

8.3.3 超晶格 253

8.3.4 应力及形变效应 256

8.4 器件与材料设计 258

8.4.1 电子器件 259

8.4.2 光器件 262

8.5 小结 265

9.1 材料强度的模拟 267

9.1.1 位错芯结构 267

第9章 材料强度与断裂的模拟 267

9.1.2 粒界结构和强度 269

9.2 弹性各向异性和断裂强度 271

9.3 晶体结构与机械性质 272

9.4 新物质机械性质的预测 274

9.5 断裂的模拟计算 274

9.5.1 晶格格林函数法(Lattice Green Function Method，简写为LGF法) 274

9.5.2 裂纹的结构 275

9.5.3 裂纹扩展的元过程 276

9.5.4 位错发射 277

附录 281

第10章 物性预测与新材料设计 292

10.1 合金的晶格常数和生成能 292

10.1.1 纯金属体系 292

10.1.2 二元合金系 294

10.2 关于半导体和离子晶体的结构预测 295

10.2.1 半经验的电子论方法 295

10.2.2 马德隆(Madelung)能量的计算 298

10.3 多层膜及人工超晶格 301

10.4 碳原子团簇和新物质 304

10.5 高压下形成的新物质(同质异形SiO2) 306

10.6 表面新物质层 309

10.7 平衡状态的计算与预测 311

10.8 ConnollyWilliams方法(CWM) 313

10.9 集团变分法(CVM)的程序说明 315

附录 316

主要参考文献 349