计算材料学:从算法原理到代码实现

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作者：单斌,陈征征,陈蓉

出版社：华中科技大学出版社

本类榜单：工业技术

分类：工业技术 > 一般工业技术

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ISBN：9787577200446
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
开本：16开
页数：572
出版时间：2023-11-01
条形码：9787577200446 ; 978-7-5772-0044-6

本书特色

本教材特点：提供全面的计算材料学相关知识的详细讲解，以其全面性、实用性和前瞻性成为计算材料学教材领域的标杆。本书不仅综合了物理、化学和计算科学，还融合了*新的机器学习和人工智能技术，实现了从理论到应用的无缝衔接。全书具有以下四个特点全面性：该书涵盖了从基础数学和量子理论到复杂模拟算法和软件实践的所有方面。这种全面的知识覆盖使读者能够获得一个系统而完整的认识，有助于培养能适应不断变化科学界需求的全面素质。实用性：与传统的纯理论教材不同，该书特别强调了计算模型到实际应用的转换。对于每一种理论和模型，都提供了相应的Python代码和实际应用实例。这种实用导向的教学方式不仅提升了教材的应用价值，也大大促进了学生的学习兴趣和实践能力。前瞻性：书中深入探讨了机器学习和人工智能在计算材料学中的应用。它不仅展示了这些先进技术如何优化传统计算方法，还预示了它们将如何推动材料科学的未来发展。这为读者提供了一个独特的、更新的知识视角，有助于他们跟上快速发展的科技潮流。互动性：教材还提供了二维码，读者扫描后可下载相关教学资源，还附有讲解视频和丰富的实例，增加了教材的互动性和趣味性。

内容简介

本书主要介绍计算材料学中比较常用的微观尺度模拟方法的基本理论，深入讨论各种模拟方法的数值化实现、数值算法的收敛性及稳定性等，综述近年来计算材料学国内外近期新研究成果。本书共八章。第1章介绍必要的数学基础，包括线性代数、插值与拟合、优化算法、数值积分及群论等方面内容。第2章介绍量子力学、晶体点群及固体理论基础。第3章介绍**性原理，主要包括HartreeFock方法和密度泛函理论，同时详细讨论了如何利用平面波赝势方法求解体系总能和本征波函数，并简要介绍了近年来发展比较迅速的准粒子近似和激发态算法。第4章介绍VASP计算模拟实例，包括VASP程序、小分子气体能量计算等内容。第5章介绍紧束缚方法，重点推导了SlaterKoster双中心近似下哈密顿矩阵元的普遍表达式、原子受力的计算方法，以及紧束缚模型自洽化的方法。第6章介绍分子动力学方法，包括原子经验势的种类、微正则系综下分子动力学的实现算法，同时详细讨论了微正则系综向正则系综的变换，以及近年来发展起来的**性原理分子动力学的理论基础。第7章介绍LAMMPS分子动力学实例，包括LAMMPS程序、惰性气体的扩散运动与平衡速率分布等内容。第8章介绍蒙特卡罗方法，包括随机数采样策略及不同系综下的蒙特卡罗算法，以及连接微观与宏观现象的动力学蒙特卡罗方法。附录对正文中涉及的若干数学算法进行了详细讨论。本书可作为材料专业、物理专业、化学专业及相关专业高年级本科生及研究生的教材或高校教师的参考书，也可作为从事计算材料学研究的科技工作者的参考资料。

目录：第1章数学基础(1)1.1矩阵运算(1)1.1.1行列式(1)1.1.2矩阵的本征值问题(4)1.1.3矩阵分解(5)1.1.4幺正变换(8)1.2群论基础(10)1.2.1群的定义(10)1.2.2子群、陪集、正规子群与商群(10)1.2.3直积群(11)1.2.4群的矩阵表示(11)1.2.5三维转动反演群O(3)(12)1.3*优化方法(12)1.3.1*速下降法(13)1.3.2共轭梯度法(16)1.3.3牛顿法与拟牛顿法(22)1.3.4一维搜索算法(32)1.3.5单纯形法(35)1.3.6*小二乘法(36)1.3.7拉格朗日乘子法(44)1.4矢量正交化(47)1.4.1施密特正交化(47)1.4.2正交多项式(48)1.5积分方法(49)1.5.1矩形积分法(50)1.5.2梯形积分法(51)1.5.3辛普森积分法(52)1.5.4高斯积分法(55)1.5.5蒙特卡罗积分方法(58)习题(61)第2章量子力学和固体物理基础(62)2.1量子力学(62)2.1.1量子力学简介(62)2.1.2薛定谔方程(64)2.1.3波函数的概率诠释(65)2.1.4力学量算符和表象变换(67)2.1.5一维方势阱(70)2.1.6方势垒的隧穿(72)2.1.7WKB方法(74)2.1.8传递矩阵方法(77)2.1.9氢原子(80)2.1.10变分法(86)2.2晶体对称性(88)2.2.1晶体结构和点群(88)2.2.2常见晶体结构和晶面(100)2.2.3结构缺陷(102)2.3晶体的力学性质(106)2.3.1状态方程(106)2.3.2应变与应力(107)2.3.3弹性常数(108)2.4固体能带论(110)2.4.1周期边界、倒空间与Blch定理(111)2.4.2空晶格模型与**布里渊区(114)2.4.3近自由电子近似与能带间隙(117)2.4.4晶体能带结构(119)2.4.5介电函数(120)2.5晶格振动与声子谱(123)习题(126)第3章**性原理的微观计算模拟(128)3.1分子轨道理论(128)3.1.1玻恩奥本海默近似(128)3.1.2平均场的概念(130)3.1.3电子的空间轨道与自旋轨道(131)3.1.4HartreeFock方法(131)3.1.5HartreeFock近似下的单电子自洽场方程(133)3.1.6

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作者简介

单斌，华中科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，兼任中国科学院宁波材料所客座研究员。教育部新世纪优秀人才支持计划获得者，湖北省特聘教授，湖北省杰出青年基金获得者，中国稀土学会催化专业委员会委员。主要研究方向是计算材料学、先进催化与原子层沉积的跨尺度模拟，以及人工智能在材料中的应用。主持和参与了包括国家自然科学基金重点项目、面上项目、国家重大科学研究计划项目、湖北省杰出青年基金项目在内的多项国家级及省部级项目。在Science、Nature Communication、Angewandte Chemie International Edition、Physical Review Letters等国际权威杂志上发表论文150余篇，他引超过8000余次；获发明专利授权40余项；荣获日内瓦国际发明展特别金奖、湖北省技术发明奖一等奖、中国稀土学会科学技术奖二等奖、湖北省专利奖银奖等奖项。陈征征，2006年清华大学物理系毕业，获理学博士学位。曾任美国加利福尼亚州立大学北岭分校物理系助理研究员，现任教育机构ScholarOne董事长。主要研究方向为基于**性原理计算的难熔金属辐照损伤模拟、新型催化剂设计以及表面催化的微观动力学模拟。已于Physical Review Letters、ACS Nano、Chemical Science等相关领域顶级杂志上发表论文30篇。担任Physical Review Letters、PHYSICAL REVIEW B以及Journal of Physical Chemistry等杂志的特约审稿人。陈蓉，华中科技大学机械科学与工程学院教授、博士生导师，华中科技大学柔性电子研究中心副主任。国家级创新领军人才、国家海外高层次青年人才、中国工程院-中国工程前沿杰出青年学者等。主要研究方向为原子层沉积原理方法与工艺装备。主持国家重点研发计划颠覆性技术创新项目、国家基金重点项目、973计划青年科学家专题项目等多项微电子与新能源相关项目，在Nature Communication、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Small、Engineering、Science Bulletin等国内外期刊上发表SCI论文170余篇，主编/撰写中英文出版物4部，获专利授权100余项

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