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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——C60295

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