第1章 计算材料学导论 1
1.1 引言 1
1.1.1 计算物理概述 1
1.1.2 量子计算化学概述 2
1.1.3 材料设计理念 3
1.1.4 计算材料学 4
1.2 计算材料学理论体系 7
1.2.1 计算尺度 7
1.2.2 基于量子力学第一性原理的电子结构计算 10
1.2.3 基于统计力学的分子（原子）演化结构计算 12
1.2.4 基于连续介质力学的本体结构计算 13
1.2.5 多层次研究对象与计算方法关系 14
1.2.6 计算框架和数值处理方法 14
1.3 计算材料学研究动态与展望 15
1.3.1 第一性原理计算方法 15
1.3.2 分子动力学方法 20
1.3.3 蒙特卡罗方法 21
1.3.4 跨尺度的计算方法耦合与集成 22
1.3.5 先进材料和纳器件的计算与设计 23
1.3.6 计算材料学发展趋势 31
1.4 设计实践方法学 32
1.4.1 基于专业设计软件的实践方法 32
1.4.2 基于自编程的实践方法 34
1.4.3 基于计算方法耦合与集成的实践方法 35
1.5 设计实践课程学习方法 36
1.5.1 创新设计实践的教育理论 36
1.5.2 设计实践指南 39
1.5.3 几点启示 42
1.6 习题 43
1.7 推荐阅读材料 44
第2章 密度泛函理论基础 45
2.1 引言 45
2.1.1 密度泛函理论的提出 45
2.1.2 第一性原理计算方法 46
2.1.3 第一性原理计算中的近似 47
2.2 密度泛函理论 48
2.2.1 Hohenberg-Kohn定理 48
2.2.2 Kohn-Sham方程 49
2.2.3 交换关联泛函 51
2.2.4 自洽计算 52
2.3 基矢展开与计算方案 54
2.3.1 基矢展开 54
2.3.2 计算方案分类 55
2.3.3 密度泛函计算框架分析 56
2.4 材料计算与设计实践指南 58
2.4.1 材料计算流程 58
2.4.2 基于密度泛函理论计算软件包 58
2.4.3 物理性质分析 59
2.5 习题 59
2.6 推荐阅读材料 60
第3章 赝势平面波方法（Ⅰ） 61
3.1 基本原理 61
3.1.1 平面波展开与截断能 62
3.1.2 赝势 63
3.1.3 模守恒赝势 66
3.1.4 超软赝势 68
3.1.5 Hellmann-Feynman力 69
3.2 数值处理方法与技巧 70
3.2.1 超原胞方法 70
3.2.2 自洽电子弛豫方法 71
3.2.3 几何结构优化技术 72
3.2.4 快速傅里叶变换（FFT） 74
3.2.5 k空间取样规则 74
3.2.6 基于密度泛函理论的第一性原理计算框架及步骤 75
3.3 基于Materials Studio的实践流程 76
3.3.1 软件介绍及计算步骤 76
3.3.2 几何结构的构建 79
3.3.3 计算操作方法 82
3.3.4 结果可靠性测试 90
3.4 锐钛矿型TiO2（101）表面分析计算 93
3.4.1 表面结构的建立 94
3.4.2 参数设置 95
3.4.3 表面原子几何结构 95
3.4.4 表面能计算 96
3.4.5 表面原子弛豫 97
3.4.6 电子布居分析 98
3.4.7 表面原子弛豫对电子结构的影响 99
3.5 ＊锐钛矿型TiO2（101）表面缺陷结构的计算 100
3.5.1 表面缺陷模型 100
3.5.2 表面缺陷原子几何结构 100
3.5.3 点缺陷形成能 102
3.6 习题 104
3.7 推荐阅读材料 104
第4章 赝势平面波方法（Ⅱ） 105
4.1 倒空间积分 105
4.1.1 晶体平移对称性 105
4.1.2 点群对称性 106
4.1.3 布里渊区积分 107
4.2 第一性原理的高效计算 108
4.2.1 基于Linux平台计算软件 108
4.2.2 并行计算 110
4.2.3 平面波赝势方法计算软件 110
4.2.4 PWscf界面PWgui 112
4.3 石墨烯电子特性计算与分析 113
4.3.1 电子自洽计算 113
4.3.2 反复测试相关参数 119
4.3.3 体系结构优化 121
4.3.4 电荷密度分布图 124
4.3.5 能带计算和分析 125
4.3.6 态密度计算和分析 128
4.3.7 PWscf,Abinit,VASP输入参数的比较 129
4.4 ＊碳纳米管氢原子吸附特性研究 130
4.4.1 结构建模 131
4.4.2 吸附稳定性分析 132
4.4.3 电荷密度分析 133
4.5 赝势平面波方法计算流程小结 134
4.6 习题 135
4.7 推荐阅读材料 135
第5章 全势-线性缀加平面波方法 136
5.1 引言 136
5.2 线性缀加平面波方法 137
5.2.1 缀加平面波（APW） 137
5.2.2 线性缀加平面波（LAPW） 140
5.2.3 全势线性缀加平面波（FP-LAPW） 141
5.3 基于WIEN2K的计算流程 141
5.3.1 计算流程图 142
5.3.2 w2web用户界面 143
5.4 基于WIEN2K的设计实践方法 143
5.4.1 构建晶体结构 143
5.4.2 计算的初始化 145
5.4.3 电子自洽计算 147
5.4.4 结果计算和分析 148
5.5 纤锌矿ZnO基本的性质计算实例 156
5.5.1 结构模型的建立 157
5.5.2 参数设置 157
5.5.3 计算结果与分析 157
5.6 习题 159
5.7 推荐阅读材料 160
第6章 分子动力学方法 162
6.1 引言 162
6.2 分子动力学的计算框架 163
6.2.1 基本思想 163
6.2.2 计算流程 164
6.2.3 经典分子动力学中近似处理 165
6.3 分子动力学的系综 166
6.3.1 常用系综分类 166
6.3.2 NEV系综基本方程 167
6.3.3 NTP系综质点系的基本方程 170
6.4 原子势函数和分子力场构造 174
6.4.1 经典理论的原子势函数 175
6.4.2 分子力场 175
6.5 数值方法与编程技巧 178
6.5.1 边界条件 178
6.5.2 时间积分处理 180
6.6 计算结果的解析方法 183
6.6.1 宏观参量的统计平均 184
6.6.2 三种形式的统计平均值处理方法 185
6.7 分子动力学计算实例 187
6.7.1 碳纳米管CNT的特性 187
6.7.2 Materials Explorer介绍 188
6.7.3 利用Materials Explorer软件模拟的操作流程 189
6.8 习题 195
6.9 推荐阅读材料 195
第7章 第一性原理分子动力学 196
7.1 第一性原理分子动力学理论基础 196
7.1.1 从头计算分子动力学 197
7.1.2 波恩-奥本海默分子动力学 198
7.1.3 Car-Parrinello分子动力学 198
7.2 第一性原理分子动力学计算框架 200
7.3 CPMD数值算法 201
7.3.1 Car-Parrinello拉格朗日函数表达式 201
7.3.2 Car-Parrinello运动方程 202
7.3.3 正交归一化处理 203
7.4 基于CPMD软件包计算实例 205
7.4.1 CPMD软件包简介 205
7.4.2 计算氢分子的输入文件格式 206
7.4.3 输出文件格式 208
7.4.4 几何优化 212
7.4.5 Car-Parrinello分子动力学 214
7.4.6 进一步计算任务 216
7.5 习题 217
7.6 推荐阅读材料 217
第8章 蒙特卡罗方法 219
8.1 引言 219
8.1.1 发展历史和分类 219
8.1.2 蒙特卡罗方法和分子动力学方法比较 221
8.2 蒙特卡罗方法计算框架 222
8.2.1 基本思想 222
8.2.2 计算流程 223
8.3 蒙特卡罗基本原理 225
8.3.1 随机过程 225
8.3.2 马尔科夫过程 226
8.3.3 各态历经假说 227
8.3.4 抽样方法 229
8.3.5 细致平衡原理（微观可逆性原理） 232
8.4 数值算法与编程技巧 234
8.4.1 产生随机数 234
8.4.2 边界条件 236
8.4.3 截断 237
8.4.4 初始化 240
8.4.5 约化单位 240
8.5 蒙特卡罗方法的应用 241
8.5.1 电场作用下载流子输运 241
8.5.2 自旋模型 244
8.5.3 固体表面上粒子扩散 250
8.6 磁性薄膜自旋重取向蒙特卡罗模拟 252
8.6.1 物理模型与算法构建 252
8.6.2 程序的几个关键技术 253
8.6.3 用户界面介绍 255
8.6.4 软件的基本操作方法 257
8.6.5 模拟结果及分析 258
8.7 习题 260
8.8 推荐阅读材料 260
第9章 有限元方法在微磁学中的应用 261
9.1 有限元方法的提出 261
9.1.1 基本思想 261
9.1.2 求解步骤 262
9.1.3 与其他方法比较 263
9.2 微磁学理论基础 264
9.2.1 引言 264
9.2.2 Landau-Lifshitz-Gilbert方程 265
9.2.3 离散化处理 266
9.2.4 表面各向异性能 269
9.3 纳米膜磁导率模拟系统简介 270
9.3.1 系统软件框架 270
9.3.2 建模并划分网格 271
9.3.3 数据处理 272
9.4 单颗粒的表面各向异性 272
9.4.1 Aharoni表面各向异性的微磁学计算 273
9.4.2 奈尔表面各向异性 274
9.5 单相颗粒膜数值模拟 280
9.5.1 静态特性 281
9.5.2 动态特性 284
9.6 习题 286
9.7 推荐阅读材料 286
附录A 常用缩写术语对照表 288
附录B 常用材料设计软件简介 290
附录C 常用Linux命令 297
附录D 原始文献汇编 303
附录E 设计实践专题 312
附录F 参考书目 326
后记 328