具体描述
《密度泛函理论：量子化学与材料科学的基石》 这本书是一部深入探讨密度泛函理论（DFT）的权威著作，旨在为读者提供对这一强大计算工具的全面理解。DFT已成为现代量子化学、凝聚态物理、材料科学以及化学领域的基石，因为它提供了一种在计算上可行的途径来精确描述多电子体系的电子结构和性质。本书将引导读者从DFT的基本原理出发，逐步深入到其在解决复杂科学问题中的实际应用。 核心概念与理论基础： 本书伊始，我们将从量子力学的基本框架出发，回顾波函数理论的局限性，并引出 Hohenberg-Kohn 定理，这是DFT的理论基石。我们将详细阐述 Hohenberg-Kohn 定理如何揭示体系的基态能量完全由其基态电子密度唯一确定，从而将计算难度从三维空间中的波函数降维到一维空间中的电子密度。 随后，我们将深入探讨 Kohn-Sham 方程，这是DFT计算的核心。我们将详细介绍 Kohn-Sham 轨道的概念，以及它们如何被视为模拟囚禁在外部势场（包括原子核和平均电子相互作用）中的非相互作用电子的轨道。本书将重点关注交换-关联泛函的性质及其对计算精度的至关重要性。我们将梳理各种重要的交换-关联泛函，从局域密度近似（LDA）到广义梯度近似（GGA），再到后GGA方法（如元GGA和混合泛函）。对于每种泛函，我们都会探讨其理论依据、优缺点以及在不同体系中的适用性，帮助读者选择最适合其研究问题的泛函。 计算方法与实现： 理解 DFT 的理论基础之后，本书将转向实际的计算方法和实现。我们将讨论构建和求解 Kohn-Sham 方程的各种数值技巧，包括平面波基组、原子轨道基组、赝势方法（包括初级赝势和从头计算赝势）等。我们还会介绍如何处理周期性体系，这在凝聚态物理和材料科学研究中尤为重要。 本书将详细介绍如何使用流行的 DFT 计算软件包，例如 VASP、Quantum ESPRESSO、ABINIT、Gaussian 等。我们将提供关于如何设置计算输入文件、理解计算输出结果以及进行系统性参数测试的指导。此外，我们还将讨论如何进行收敛性测试、k 点采样优化以及几何优化等关键步骤，以确保计算结果的可靠性和准确性。 应用领域与前沿研究： 《密度泛函理论：量子化学与材料科学的基石》将 DFT 的强大之处体现在其广泛的应用领域。我们将通过大量的实例，展示 DFT 在以下方面的卓越表现： 材料性质预测： 预测材料的结构、电子能带结构、光学性质、磁性、弹性模量等。例如，我们将深入探讨如何利用 DFT 研究半导体材料的带隙，金属的结合能，以及氧化物的铁电性和压电性。 化学反应机理研究： 计算化学反应的过渡态、活化能，阐明催化反应机理，预测反应产物。我们将展示 DFT 如何揭示酶催化、有机合成反应以及表面吸附反应的细节。 分子模拟与光谱学： 计算分子的几何构型、振动光谱、核磁共振（NMR）谱、紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱等。本书将介绍如何利用 DFT 解释实验光谱数据，并预测未知分子的光谱特征。 表面科学与纳米材料： 研究固体表面的吸附、扩散、反应过程，以及纳米材料的独特性质。我们将探讨界面电子结构、异质结的形成，以及纳米粒子催化活性等主题。 强关联体系研究： 尽管 DFT 在描述强关联体系方面存在挑战，本书也将探讨一些改进的 DFT 方法（如 DFT+U、混合泛函）以及它们在研究过渡金属氧化物、稀土材料等强关联体系中的应用。 进阶主题与未来展望： 除了核心内容，本书还将涉及一些进阶主题，为读者提供更广阔的视野。我们将讨论激发态性质的计算（如 TD-DFT），自由能计算，以及如何将 DFT 与其他计算方法（如动力学模拟、蒙特卡洛方法）相结合以解决更复杂的问题。 最后，本书将展望 DFT 的未来发展方向，包括更精确的交换-关联泛函的开发、对长程相互作用的改进描述、以及在人工智能和机器学习辅助下的 DFT 计算等。我们将强调 DFT 作为一种不断发展的理论工具，在未来科学研究中将持续扮演着至关重要的角色。 本书适合从事物理、化学、材料科学、生物化学以及相关交叉学科的本科生、研究生和研究人员。无论您是初学者还是有经验的 DFT 用户，本书都将为您提供深入的知识和实用的指导，帮助您在自己的研究领域取得突破。
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