本書的主要內容有：材料設計基本概念；高性能計算和Linux操作系統(tǒng)介紹；晶體結構基礎知識；能帶理論；密度泛函理論；OpenMX和VASP程序使用；分子動力學和模特卡羅簡介。本書從基本的晶體結構出發(fā)，逐步介紹晶體電子結構的基本理論和實際計算方法。特別地，本書詳細地介紹了兩個密度泛函理論程序的使用。通過本書，學生不但能掌握基本的理論背景，還初步掌握密度泛函程序的使用，從而可以進行實際材料電子結構的研究。
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目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 材料設計簡介 1
1.1.1 背景介紹 1
1.1.2 材料數(shù)據(jù)庫 2
1.1.3 材料數(shù)據(jù)庫的應用 5
1.1.4 存在的問題 5
1.1.5 展望和總結 7
1.2 材料計算簡介 8
1.2.1 材料計算的基本內容 8
1.2.2 晶體的微觀結構和宏觀性質 10
1.3 高性能計算和Linux系統(tǒng) 10
1.3.1 高性能計算 10
1.3.2 Linux基礎知識 12
第2章 晶體結構和晶體對稱性 13
2.1 常見材料的晶體結構 13
2.1.1 平移周期性 13
2.1.2 三維晶體 14
2.1.3 二維晶體 22
2.1.4 一維晶體 24
2.1.5 零維材料 25
2.2 點陣和元胞 26
2.2.1 基元、結點和點陣 26
2.2.2 元胞的取法 31
2.2.3 常見三維點陣的元胞 32
2.3 對稱操作和點群 34
2.3.1 對稱操作 34
2.3.2 分子和晶體中的對稱性 35
2.3.3 變換矩陣 38
2.3.4 對稱操作的集合 40
2.3.5 點群和空間群 41
2.3.6 點群和空間群的命名 42
2.4 晶系和點陣 44
2.4.1 七大晶系 44
2.4.2 14種點陣 45
2.4.3 32個點群 46
2.5 原子坐標 48
2.5.1 分數(shù)坐標和直角坐標 48
2.5.2 分數(shù)坐標和直角坐標的轉換 49
2.5.3 Wycko位置 50
2.6 晶體的倒易空間 51
2.6.1 倒易空間和倒易點陣 51
2.6.2 體心立方和面心立方的倒易點陣 53
2.6.3 布里淵區(qū) 54
第3章 電子能帶結構 57
3.1 引言 57
3.2 布洛赫定理 59
3.2.1 布洛赫定理的證明 59
3.2.2 玻恩-馮·卡門邊界條件 61
3.3 本征方程 63
3.3.1 本征方程的推導 63
3.3.2 能量本征值的對稱性 65
3.4 緊束縛近似 68
3.4.1 緊束縛近似方法 68
3.4.2 一維聚乙炔的能帶 72
3.4.3 二維石墨烯的能帶 75
第4章 密度泛函理論 79
4.1 波函數(shù)方法 79
4.1.1 多粒子哈密頓 79
4.1.2 Hartree方程 79
4.1.3 Hartree-Fock方法 81
4.2 密度泛函理論基礎 86
4.2.1 Thomas-Fermi-Dirac近似 86
4.2.2 Hohenberg-Kohn定理 87
4.2.3 Kohn-Sham方程 88
4.3 基函數(shù) 93
4.3.1 平面波基組 93
4.3.2 數(shù)值原子軌道基組 98
4.3.3 綴加波方法 99
4.4 贗勢方法 104
4.4.1 正交化平面波 104
4.4.2 贗勢 105
4.4.3 模守恒贗勢和超軟贗勢 107
4.4.4 PAW 法 109
4.5 交換關聯(lián)勢 111
第5章 密度泛函計算程序 VASP 114
5.1 VASP程序簡介 114
5.2 四個重要輸入文件 115
5.2.1 POSCAR 116
5.2.2 KPOINTS 118
5.2.3 POTCAR 120
5.2.4 INCAR 121
5.3 其他輸入輸出文件介紹 121
5.4 INCAR文件介紹 123
5.5 常見功能設置 128
5.6 幾個實例 130
5.6.1 非磁性材料計算——-BaTiO3的電子結構 130
5.6.2 磁性材料計算——-CrCl3的電子結構 134
5.6.3 雜化密度泛函計算——-MoS2單層的帶隙計算 137
5.6.4 硅的點聲子頻率計算 140
5.6.5 硅的聲子能帶和態(tài)密度 142
第6章 拓撲材料計算實例 145
6.1 拓撲材料簡介 145
6.1.1 拓撲量子物態(tài) 145
6.1.2 Berry相位與拓撲物態(tài)模型 148
6.1.3 最大局域化 Wannier函數(shù)方法 150
6.2 二維量子自旋霍爾效應體系 BiSiC的電子結構計算 151
6.2.1 BiSiC 的晶體結構 152
6.2.2 Bi-Bi-HSi(111)的能帶結構 153
6.2.3 Bi-Bi-HSi(111)的量子自旋霍爾效應 154
6.2.4 Bi-Vac-VacSi(111)的量子自旋霍爾效應 156
6.3 K0:5RhO2中量子反�；魻栃牡谝恍栽碛嬎� 159
6.3.1 K0:5RhO2的晶體結構 159
6.3.2 K0:5RhO2的非共面反鐵磁基態(tài) 160
6.3.3 K0:5RhO2的能帶 164
6.4 三維拓撲絕緣體 Bi2Se3的第一性原理計算 167
6.4.1 Bi2Se3的晶體結構 167
6.4.2 Bi2Se3的體相能帶結構 168
6.5 展望 171
參考文獻 172
附錄一 泛函及其導數(shù) 180
附錄二 元胞和布里淵區(qū)的標準取法 181
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