本書從密度泛函理論出發(fā)，詳細介紹理論框架及其在材料計算中的應用。介紹密度泛函的基礎理論框架及計算編程思路，進而按照解決實際問題的思路，對熱門材料（包括半導體材料和儲能材料）進行具體的計算和分析。本書內(nèi)容由淺入深、逐步遞進，帶領讀者深入了解密度泛函理論的實際應用和階梯式計算研究的模式。
本書提供詳細的材料計算案例和分析，可以幫助讀者快速了解材料計算和模擬領域的前沿知識，進行實踐研究，適合材料計算和模擬領域的科研人員閱讀，也適合于物理化學、材料化學、計算物理等相關專業(yè)的師生閱讀。
結(jié)合已有研究成果，按照解決實際問題的思路，采用層層遞進的科學思維，詳細介紹密度泛函理論在計算材料學中的應用
密度泛函理論在材料等領域應用廣泛，許多前沿研究均用到了密度泛函理論的計算方法。
以科研中的實際材料體系的案例為基礎，介紹密度泛函的應用，針對性和指導性強。
主要作者之一為哈師大副校長，黑龍江省杰出青年基金獲得者，哈師大龍江學 者特聘教授。
溫靜 博士，現(xiàn)為哈爾濱師范大學光電帶隙材料教育 部重點實驗室教師，碩士生導師。研究方向為物理與材料計算，主要從事半導體材料晶體、電子結(jié)構(gòu)、電子輸運性質(zhì)以及儲能材料動力學的理論計算分析研究，發(fā)表SCI收錄論文30余篇，主持和參與國家項目3項。 張喜田 博士，現(xiàn)為哈爾濱師范大學副校長，教授，博士生導師，龍江學 者特聘教授，黑龍江省杰出青年科學基金獲得者，黑龍江省高等學�？萍紕�(chuàng)新團隊專 家。研究方向為材料合成及其物理化學性質(zhì)研究，主持國家項目10余項，發(fā)表SCI收錄論文100余篇。
第 1章 密度泛函基礎理論框架 1
1.1 薛定諤方程 1
1.2 交換關聯(lián)泛函 5
1.2.1 局域密度近似 6
1.2.2 廣義梯度近似 7
1.2.3 LDA(GGA) U軌道相關泛函 10
1.3 贗勢理論 13
1.3.1 Norm-conserving贗勢 13
1.3.2 Ultrasoft贗勢 16
1.3.3 PAW贗勢 17
1.4 KS方程的解法 19
1.5 晶體總能 21
1.5.1布里淵區(qū)積分 21
1.5.2密度自洽步進方法 23
1.5.3總能的計算 23
1.6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 24
1.7 電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu) 25
1.7.1 電子態(tài)密度 25
1.7.2 能帶結(jié)構(gòu) 26
第 2章 計算實例簡介 28
2.1 半導體材料 28
2.1.1 IMZOm的應用背景 28
2.1.2 IMZOm的實驗特征 33
2.1.3 IMZOm的計算研究概況 37
2.2 儲能材料 40
2.2.1 MXenes的應用背景 40
2.2.2 MXenes的計算研究概況 41
2.3實例計算內(nèi)容 43
2.3.1 IMZOm的計算內(nèi)容 43
2.3.2 MXenes的計算內(nèi)容 50
第3章 半導體材料晶體結(jié)構(gòu)計算 53
3.1 晶體結(jié)構(gòu)存在的問題 53
3.2 計算方法 55
3.3 IMZOm調(diào)制結(jié)構(gòu)模型和HRTEM模擬結(jié)果 56
3.4 IMZOm結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的第 一性原理研究 61
3.5 IZOm結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形成機制 64
3.5.1 IZOm的不同晶體結(jié)構(gòu)模型 64
3.5.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形成機制 66
3.6 計算結(jié)論 72
第4章 半導體材料電子結(jié)構(gòu)計算 74
4.1 體系結(jié)構(gòu)關聯(lián)的電子結(jié)構(gòu)特征 74
4.2 標準計算結(jié)構(gòu)模型 76
4.3 計算方法 77
4.4 計算結(jié)果分析 78
4.4.1 ZnO和In2O3的電子結(jié)構(gòu) 78
4.4.2 IZOm的態(tài)密度 80
4.4.3 IZOm的能帶結(jié)構(gòu) 82
4.4.4 IZOm的電子有效質(zhì)量和最優(yōu)化輸運路徑 85
4.5 計算結(jié)論 89
第5章 半導體納米結(jié)構(gòu)電子輸運性質(zhì)計算 90
5.1 半導體納米結(jié)構(gòu)電子輸運I-V曲線特征 90
5.2 納米線MSM結(jié)構(gòu)模型 94
5.2.1 空間電荷區(qū)的勢能分布 94
5.2.2 納米線的子帶結(jié)構(gòu) 97
5.3 金屬半導體接觸端的電子輸運特征 98
5.3.1 電流的能量分布 100
5.3.2 接觸端區(qū)域的電子輸運過程 103
5.4 MSM結(jié)構(gòu)I-V特性曲線特征 105
5.4.1 不同單元位置的電子輸運特征 105
5.4.2 I-V特性曲線 109
5.5 IZOm納米帶電子輸運特征 111
5.5.1 實驗結(jié)果 111
5.5.2 MSM結(jié)構(gòu)模擬 112
5.5.3 SCL輸運 113
5.5.4 跳躍輔助的束縛態(tài)電子能帶輸運模型 115
5.6 計算結(jié)論 118
第6章 儲能材料結(jié)構(gòu)形成機制 120
6.1 MXenes結(jié)構(gòu)形成存在的問題 120
6.2 計算方法 121
6.3 插層Ti3C2的結(jié)構(gòu)特性及形成機理 121
6.3.1純Ti3C2和Ti3C2嵌入單一原子的基態(tài)結(jié)構(gòu) 121
6.3.2 Ti3C2與單一原子相互作用的形成機理 124
6.3.3 Ti3C2與F和O相互作用的形成機理 128
6.3.4 Ti3C2與F、O以及H相互作用的形成機理 130
6.3.5 Li插層的形成及其電荷儲存機制 132
6.4計算結(jié)論 135
第7章 儲能材料結(jié)構(gòu)動力學變化 137
7.1 MXenes結(jié)構(gòu)變化問題 137
7.2 計算方法 137
7.3 含H基團對Ti3C2Tx結(jié)構(gòu)動力學的影響 138
7.3.1 表面官能團的形成機理 138
7.3.2 Ti3C2Tx的支柱 140
7.4 計算結(jié)論 145
第8章 二維儲能材料不同類型離子擴散機理 146
8.1 MXenes的離子擴散問題 146
8.2 計算方法 146
8.3 離子擴散勢能面 148
8.4 離子擴散分子動力學模擬 153
8.5 計算結(jié)論 156
參考文獻 157
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