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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A30

附录B31

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