Density Functional Theory of Molecules, Clusters and Solids pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Ellis, D.E. 编

出品人:

页数:328

译者:

出版时间:1994-11

价格:$ 303.97

装帧:

isbn号码:9780792330837

丛书系列:

图书标签:

• Density Functional Theory
• Molecular Physics
• Solid State Physics
• Quantum Chemistry
• Computational Physics
• Materials Science
• Electronic Structure
• Clusters
• Condensed Matter
• DFT

凝聚态物理与材料科学中的电子结构计算方法 一、 理论基础与计算范式 本书深入探讨了理解和预测凝聚态物质（如晶体、薄膜、表面、界面以及复杂分子体系）的电子结构与性质的先进计算方法。全书以严谨的物理学原理为基石，详细阐述了量子力学在多体系统中的应用，并重点聚焦于如何将这些理论转化为可操作的数值计算方案。 1.1 量子多体问题与有效哈密顿量 本书首先回顾了描述电子和原子核相互作用的薛定谔方程，随后引入了多体系统的复杂性，强调了精确求解该方程的困难性。核心内容在于绝热近似（Born-Oppenheimer Approximation）的严格推导与应用，它使得将电子运动与原子核运动分离成为可能。在此基础上，详细讨论了如何构建适用于凝聚态系统的有效电子哈密顿量，包括动能项、原子核-电子库仑吸引项以及电子间的库仑排斥项。特别关注了周期性边界条件下的晶体系统，以及如何利用晶格周期性来简化问题。 1.2 电子之间的相互作用：从近似到精确 电子间的相互作用是凝聚态物理中最具挑战性的部分。本书系统地梳理了处理电子相关性的主要理论框架： 平均场近似（Mean-Field Theories）：详尽分析了Hartree-Fock (HF) 方法的原理、优势与局限性。HF方法虽然提供了电子结构的初步描述，但完全忽略了动态电子关联，这在处理强关联体系时显得力不从心。 超越Hartree-Fock的关联能计算：系统介绍了微扰论方法，特别是二阶微扰理论（Møller-Plesset perturbation theory, MP2），用于估算电子关联能。对于更高精度的要求，探讨了耦合簇理论（Coupled Cluster Theory, CC），特别是CCSD和CCSD(T)在小分子和受限晶体簇上的应用，强调了其对高精度化学基准的贡献。 高精度基组的构建与选择：深入讨论了用于描述原子和分子波函数（特别是价电子和芯电子）的数学函数集合，如高斯型轨道（Gaussian-Type Orbitals, GTOs）和平面波（Plane Waves, PWs）。分析了基组完备性对计算结果准确性的影响，以及如何根据体系特征（如过渡金属的d轨道或稀土元素的f轨道）选择合适的基组。 二、 周期性系统的电子结构计算：第一性原理方法 本书将大量的篇幅投入到第一性原理计算方法在固体物理中的实际应用，重点剖析了如何不依赖经验势能而直接从原子序数和电子数出发进行计算。 2.1 线性组合和波函数方法在晶体中的应用 尽管密度泛函理论（DFT）占据主导地位，但对于需要精确描述激发态和高度离域电子的体系，基于波函数的精确方法依然不可或缺。本书讨论了周期性边界条件下的Hartree-Fock（Periodic Hartree-Fock, PHF）方法，分析了其在计算能带结构和有效质量张量中的应用，以及如何处理周期性系统中的非局域哈密顿量。 2.2 超级电池与表面建模技术 对于非周期性结构，如表面、界面、缺陷和掺杂体系，本书详细介绍了超级电池（Supercell）的构建策略。这包括如何选择合适的晶胞大小以最小化周期性图像之间的耦合，以及如何对表面和缺陷进行适当的弛豫和收敛性测试。重点分析了表面吸附、界面能、界面电子转移以及在半导体异质结中构建势垒高度的计算流程。 三、 模拟的局限性与现代修正方法 现实中的电子系统，特别是那些包含强关联电子的材料（如过渡金属氧化物、稀土化合物），是标准第一性原理方法难以准确描述的。本书系统地介绍了为克服这些限制而发展的各种修正和混合方法。 3.1 修正的密度泛函（$E_{ ext{xc}}$的超越） 本书详细考察了标准LDA/GGA泛函在描述某些现象（如范德华相互作用、电子定位和带隙问题）上的不足。 范德华（vdW）校正：深入讲解了如何通过引入非局域的色散校正项（如DFT-D3、vdW-DF）来准确描述层状材料、分子晶体和吸附体系中的长程弱相互作用。 Hubbard U项的引入：系统分析了DFT+$U$方法，说明了如何通过对局部（如d或f轨道）电子的哈密顿量中加入一个经验性的Hubbard参数$U$来有效矫正局域电子的强关联效应，从而正确再现 Mott 绝缘体和高自旋态。 3.2 激发态物理与线性响应理论 描述材料对光、电场或磁场的响应需要超越基态计算。本书提供了线性响应理论（Linear Response Theory）的详细框架，这是计算激发态性质的基石。 电子-电子耦合：GW近似：详细推导并应用了GW近似。分析了其在精确计算半导体和绝缘体能带结构（特别是带隙）以及电子自我能量修正方面的关键作用。讨论了如何在高阶结构中使用GW方法，包括校正电子结构以及计算光学吸收谱。 晶格振动与电子-声子耦合：介绍了密度泛函微扰理论（DFPT），用以计算晶格动力学、软模以及电子-声子耦合效应，这对于理解超导电性、热力学性质和输运现象至关重要。 四、 结构弛豫与热力学性质计算 精确的结构是进行后续电子结构计算的前提。本书涵盖了高效优化原子结构的方法，并将其与电子结构计算相结合以探究宏观热力学行为。 4.1 结构优化算法与力学收敛 讨论了用于最小化体系总能量和应力的梯度下降法、牛顿法及其变种（如拟牛顿法BFGS）。强调了如何选择和收敛原子力和应力残差，以确保结构弛豫达到物理上正确的能量极小值。讨论了在周期性体系中精确计算应力和压强张量的方法。 4.2 统计力学与有限温度效应 为了模拟实际实验条件，必须考虑温度的影响。本书介绍了分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟在电子结构背景下的应用，特别是从头算分子动力学（Ab Initio MD, AIMD），它将DFT计算与牛顿运动方程相结合，用于模拟高温下的结构演化、相变以及计算温度相关的电子性质（如温度依赖的带隙）。此外，还简要回顾了如何利用统计力学方法，结合第一性原理计算的能量，推导晶体的弹性常数、热容和声子谱。 通过对这些前沿理论和计算实践的全面覆盖，本书旨在为读者提供一个坚实的基础，使其能够自信地应用先进的量子计算工具来解决凝聚态物理、材料科学、表面化学及相关交叉学科中的复杂电子结构问题。

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