第1章 导论 1
1.1 计算凝聚态物理简介 1
1.1.1 计算凝聚态物理的发展历程 1
1.1.2 计算凝聚态物理方法概述 3
1.1.3 计算凝聚态物理的发展趋势 5
1.2 纳米材料简介 6
1.2.1 纳米材料的发展简介 6
1.2.2 纳米材料的基本性质 8
1.2.3 纳米材料的实验制备 9
1.3 计算凝聚态物理在纳米材料设计中的应用 12
1.3.1 分子动力学方法在纳米材料科学中的应用 14
1.3.2 第一性原理方法在纳米材料科学中的应用 14
1.3.3 蒙特卡罗方法在纳米材料设计中的应用 15
第2章 蒙特卡罗方法 17
2.1 蒙特卡罗方法概述 17
2.1.1 基本思想 17
2.1.2 理论依据 20
2.1.3 蒙特卡罗方法的收敛性与误差 21
2.1.4 蒙特卡罗方法的特点 22
2.1.5 蒙特卡罗方法的主要应用范围 23
2.2 随机数与伪随机数 24
2.2.1 随机数的定义及产生方法 24
2.2.2 伪随机数序列的统计检验 26
2.2.3 伪随机数的问题与分析 27
2.3 任意分布随机变量的抽样 28
2.3.1 离散型随机变量的直接抽样 29
2.3.2 连续型随机变量的抽样 29
2.4 动力学蒙特卡罗方法 32
2.4.1 KMC方法的基本原理 32
2.4.2 指数分布与KMC方法的时间步长 32
2.4.3 跃迁速率的计算 33
2.4.4 KMC方法实现的几种算法 35
2.5 蒙特卡罗方法的应用 38
2.5.1 蒙特卡罗方法在统计物理中的应用 38
2.5.2 基于DLA模型的薄膜生长的蒙特卡罗模拟 43
第3章 经典分子动力学方法 49
3.1 分子动力学运动方程数值求解 49
3.2 原胞与边界条件 55
3.3 势函数 58
3.4 分子动力学模拟的基本步骤 64
3.5 平衡态分子动力学模拟 66
3.6 分子动力学模拟实例 69
第4章 第一性原理方法 73
4.1 Born-Oppenheimer绝热近似 73
4.2 Hartree-Fock近似 74
4.3 密度泛函理论 75
4.3.1 Hohenberg-Kohn定理 75
4.3.2 Kohn-Sham方程 76
4.4 交换关联泛函 78
4.4.1 Slater平均交换势 78
4.4.2 局域密度泛函 78
4.5 全电子势线性缀加平面波方法与平面波赝势方法简介 79
4.6 全电子势线性缀加平面波方法的计算实例与分析 81
第5章 智能优化方法 88
5.1 智能优化方法概述 88
5.2 遗传算法 89
5.2.1 遗传算法的基本思想 89
5.2.2 遗传算法的算法流程 90
5.2.3 遗传算法的特点 93
5.3 模拟退火算法 93
5.3.1 模拟退火算法的基本原理 94
5.3.2 模拟退火算法的流程 94
5.3.3 模拟退火算法关键参数和操作的设计 95
5.4 模拟退火算法优化硅纳米线结构 96
第6章 格林函数方法 100
6.1 格林函数及两种表象 100
6.1.1 格点表象 101
6.1.2 混合表象 102
6.2 两种表象之间的转换 105
6.2.1 表象之间的转换关系 105
6.2.2 递归格林函数方法 105
6.3 格林函数的应用实例 107
第7章 纳米团簇的结构与性能设计 113
7.1 金属和半导体纳米团簇 113
7.1.1 金属纳米团簇 113
7.1.2 半导体纳米颗粒 114
7.2 过渡金属合金纳米团簇 115
7.2.1 合金纳米颗粒结构 115
7.2.2 原子分离情况研究 120
第8章 碳纳米管复合材料的结构与性能设计 125
8.1 碳纳米管简介 125
8.1.1 单壁碳纳米管的几何结构 125
8.1.2 碳纳米管的稳定性 127
8.1.3 碳纳米管复合体系 129
8.2 碳纳米管的熔化与预熔化 132
8.2.1 纳米体系熔化判据 132
8.2.2 标准碳纳米管的熔化 133
8.2.3 缺陷对碳纳米管预熔化的影响 136
8.2.4 结论 143
8.3 碳纳米管填充金属纳米线的结构特性与热稳定性 144
8.3.1 细小金属纳米线的壳层螺旋结构 144
8.3.2 （8,8）碳纳米管内Au纳米线的壳层螺旋结构 144
8.3.3 （8,8）碳纳米管内Au纳米线的热稳定性 147
8.3.4 不同类型碳纳米管内Au纳米线的热稳定性比较 149
8.4 Si纳米颗粒在碳纳米管表面的生长 153
8.4.1 分子动力学模拟参数与势模型 153
8.4.2 超小Si纳米颗粒（10≤n≤30） 154
8.4.3 小Si纳米颗粒（n=60,123,191） 155
8.4.4 大Si纳米颗粒（n=281,417） 156
第9章 石墨烯纳米结构的生长与形貌控制 167
9.1 石墨烯的结构与特征 167
9.2 碳化硅（SiC）晶体表面石墨烯纳米结构的生长 171
9.2.1 计算方法和模型 171
9.2.2 6H-SiC（0001）表面石墨烯的生长与形貌演化 172
9.3 碳化硅（SiC）晶体表面石墨烯纳米结构形貌的动力学模拟 176
9.3.1 计算方法与模型 176
9.3.2 碳化硅晶体表面石墨烯纳米薄膜的结构形貌 177
9.3.3 SiC晶体表面石墨烯纳米条带的褶皱形貌：温度与尺寸效应 183
第10章 石墨烯纳米条带电子输运的调控 192
10.1 石墨烯及氮化硼纳米条带 192
10.2 复合结构对石墨烯及氮化硼纳米条带电子输运的调制效应 194
10.3 褶皱对石墨烯纳米条带电子输运的调制效应 201
第11章 二维纳米材料的电子性质调控 209
11.1 缺陷对石墨烯电子性质的调控 209
11.1.1 缺陷的产生和分类 209
11.1.2 缺陷对电子态的调控 210
11.2 应变对石墨烯电子结构的调制效应 217
11.2.1 计算方法与模型 217
11.2.2 无应变下Graphene的电子结构 218
11.2.3 对称应变下Graphene的电子结构 218
11.3 应变对二维BN电子结构的调制效应 219
11.3.1 空间结构 220
11.3.2 电子结构 221
第12章 低维纳米材料的掺杂效应 226
12.1 石墨烯的发现及其研究现状 226
12.2 3d过渡金属在单层石墨烯表面的吸附 231
12.2.1 计算方法和理论模型 231
12.2.2 石墨烯吸附3d过渡金属研究 231
12.3 掺杂对双层石墨烯结构和性能的影响 235
12.3.1 理论模型和计算方法 235
12.3.2 Au掺杂双层石墨烯量子结构 235
12.3.3 分区掺杂的可行性 237
12.4 碳纳米管中3d过渡金属掺杂的能带特征 238
第13章 新型石墨烯纳米结构的电声子输运 246
13.1 不对称T型石墨纳米带的不对称输运特性 246
13.2 Z型石墨纳米带中的共振输运和量子束缚态 249
13.3 周期T型石墨纳米带中的声子共振劈裂 253
13.4 锯齿型同位素超晶格石墨纳米带的热输运 258
附录1 并行计算 266
附录2 数值计算基础 279
后记 301