具体描述
Positioning itself at the common boundaries of several disciplines, this work provides new perspectives on modern nanoscale problems where fundamental science meets technology and computer modeling. In addition to well-known computational techniques such as finite-difference schemes and Ewald summation, the book presents a new finite-difference calculus of Flexible Local Approximation Methods (FLAME) that qualitatively improves the numerical accuracy in a variety of problems.
好的，以下是一本名为《超越硅基：新型能源材料的计算模拟与设计》的图书简介，该书旨在深入探讨在后摩尔时代背景下，如何运用先进的计算方法来设计、预测和优化下一代能源转换与存储材料。 --- 图书名称：《超越硅基：新型能源材料的计算模拟与设计》 简介 在人类社会对可持续发展和能源独立的呼声日益高涨的今天，传统基于硅和化石燃料的能源体系正面临前所未有的瓶颈。从高效的太阳能捕获到长寿命的电池技术，再到环境友好的催化反应，核心的挑战在于如何快速、精准地发现并设计出具备卓越性能的新型功能材料。《超越硅基：新型能源材料的计算模拟与设计》 正是为应对这一时代需求而创作的专业性著作。 本书深度融合了凝聚态物理、材料科学、化学动力学与高精度计算科学，系统性地构建了一套从原子尺度到宏观性能预测的完整框架。它并非仅仅罗列现有的计算工具，而是侧重于如何将这些工具链条化、智能化，以期指导实验合成，加速新材料的研发进程。 本书的叙事主线紧密围绕“从第一性原理到工程应用”的转化过程展开，避免了对具体已成熟技术的简单复述，而是将重点放在当前研究的前沿挑战、计算方法的局限性及其突破方向上。 第一部分：计算基石与材料表征的精度革命 本部分奠定了理解高级模拟技术的基础，着重探讨如何通过提高计算精度来准确捕捉真实材料体系中的关键物理和化学现象。 第一章：密度泛函理论（DFT）的局限与超越 本章首先回顾了标准DFT方法在描述电子相关性和长程相互作用时的固有缺陷，特别是对于涉及d/f电子的过渡金属氧化物、稀土材料以及范德华异质结构中的能带结构和能隙计算。重点探讨了诸如Hubbard U项（DFT+U）、后DFT修正方法（如GW方法）以及量子蒙特卡罗（QMC）方法在精确预测激发态性质和电子结构方面的最新进展。讨论了如何通过选择合适的泛函（如混合泛函、范围分离泛函）来平衡计算成本与物理准确性，为后续的动力学模拟提供可靠的力场参数。 第二章：多尺度建模的桥接技术 能源材料的性能往往是跨尺度的涌现现象。本章聚焦于如何有效地连接微观模拟与宏观性能预测。详细分析了从原子分子动力学（AIMD）到介观尺度的相场（Phase-Field）模型的耦合策略。特别关注了如何利用机器学习势（Machine Learning Potentials, MLPs）作为AIMD的替代或补充，以实现对长程、长时间尺度上原子运动的精确模拟，这对于理解离子扩散路径、晶界迁移以及固态电解质中的电荷传输至关重要。 第二部分：能源转换材料的计算设计前沿 本部分聚焦于光电转换（如光伏、光催化）材料，强调计算设计如何指导寻找具有理想能带结构和高载流子迁移率的新结构。 第三章：非传统光吸收体的理论构造 本书深入探讨了如何利用计算筛选方法来设计非传统的太阳能材料，如有机-无机杂化钙钛矿、铜铟镓硒（CIGS）的缺陷工程，以及二维（2D）材料异质结。核心内容在于如何精确计算载流子的生成、分离和复合速率，特别是针对钙钛矿材料中存在的“慢离子迁移”和“界面陷阱”问题，提出了一套结合电荷转移态（CTs）分析和界面能带匹配的理论预测框架。 第四章：光催化剂的活性位点识别与设计 针对水分解和二氧化碳还原等光催化过程，本章着重于利用表面反应动力学模拟来识别和优化活性位点。详细介绍了如何运用反应路径搜索算法（如电势扫描路径搜索）来确定关键的能垒路径，并精确计算多电子转移反应中的过电位。重点分析了非贵金属催化剂（如基于单原子催化剂的氮化物和磷化物）的电子结构调控策略，以期在原子尺度上实现对反应选择性的精准控制。 第三部分：储能材料的结构-性能耦合预测 本部分转向电化学储能领域，核心在于预测离子输运的动力学特性以及界面稳定性，这是下一代电池（固态电池、锂硫电池）发展的关键瓶颈。 第五章：固态电解质的离子扩散机制模拟 本书摒弃了对现有材料性能的简单描述，转而深入探讨新型固态电解质（如石榴石型、硫化物型）中离子的异常扩散行为。利用准弹性中子散射（QENS）实验数据来验证和校准AIMD模拟结果，特别关注了在非晶态区域和晶界处离子跳跃机制的变化。探讨了如何利用计算方法来降低电导率激活能，并预测材料在实际工作温度和电场下的长期稳定性。 第六章：电化学界面（SEI/CEI）的非平衡态模拟 电池寿命和安全性的核心在于固体电解质界面（SEI/CEI）。本章关注计算模拟如何捕捉这些界面在充放电循环中的动态演化。采用非平衡态分子动力学（NEMD）结合电化学势场，模拟了电解液分解、薄膜沉积以及应力累积过程。讨论了如何通过计算设计添加剂（Additives）来引导形成更稳定、更均匀的界面钝化层，从而抑制枝晶生长和容量衰减。 第四部分：机器学习与高通量计算的未来范式 本书的最后部分展望了计算材料科学的未来方向，即如何利用数据驱动的方法来打破传统第一性原理计算在搜索空间上的限制。 第七章：数据驱动的材料信息学框架 本章系统介绍了高通量计算（High-Throughput Computing, HTC）的流程构建，以及如何构建可靠的材料数据库。核心内容是如何利用已有的、经过严格验证的计算数据，训练出能够快速预测复杂属性（如晶体稳定性、缺陷形成能）的机器学习模型（如高斯过程回归、神经网络）。强调了“可解释性AI”在材料科学中的重要性，即模型不仅要给出预测结果，还要能揭示背后的物理化学意义。 第八章：超越静态结构：动态预测与实时优化 本章探讨了如何将计算模拟与实时实验反馈相结合，实现闭环材料发现。讨论了利用实时反馈的实验数据（如原位X射线衍射、原位光谱）对计算模型进行在线修正和参数重构的策略。展望了基于贝叶斯优化和强化学习的自动化材料探索平台，旨在将新材料的发现周期从数年缩短至数月。 --- 本书的目标读者包括但不限于：从事新能源材料研发的高级研究生、博士后研究人员、计算物理与化学领域的专业学者，以及希望将先进计算方法应用于工业研发的工程师。它旨在提供一个严谨、前沿且具有前瞻性的视角，引导读者跨越现有技术的边界，真正实现“设计即制造”的材料科学新范式。全书内容高度聚焦于计算方法的创新应用和对前沿科学问题的深度解析，而非对现有成熟技术的简单综述。
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