具體描述
好的，這是一本關於量子化學計算方法及其在材料科學中的應用的圖書簡介： --- 量子化學計算方法與前沿材料設計：從基礎理論到工業應用 本書聚焦於現代計算化學的核心——量子化學方法論，並深入探討如何將這些理論工具應用於前沿材料的理性設計與性能預測。 在材料科學、藥物研發以及催化劑設計等交叉領域，精確預測物質的微觀性質和宏觀行為已成為創新的關鍵驅動力。傳統的試錯法耗時耗資，而計算化學，特彆是基於第一性原理的量子力學方法，為科學傢提供瞭一把解構復雜體係、指導實驗閤成的利器。本書旨在為研究生、科研人員以及從事計算模擬的工程師提供一套係統、深入且實用的知識體係。 第一部分：量子化學的理論基石與計算範式 本書首先建立堅實的理論基礎，詳細闡述瞭支撐現代計算化學的兩大支柱：基於薛定諤方程的方法與密度泛函理論（DFT）。 第一章：薛定諤方程的精確求解與近似方法 本章從量子力學的基本假設齣發，迴顧瞭定態薛定諤方程的數學結構。重點討論瞭精確對角化方法的局限性，並係統介紹瞭耦閤簇理論（Coupled Cluster, CC），特彆是CC2、CCSD以及高精度的CCSD(T)方法。對於處理大型分子體係，本書詳細闡述瞭Møller-Plesset微擾理論（MPn）的各個階次，分析瞭其收斂特性與適用範圍。此外，組態相互作用（CI）方法，包括完全CI（FCI）的理論意義及其在小體係中的應用，也得到瞭詳盡的討論。 第二章：密度泛函理論（DFT）的原理、挑戰與突破 DFT是當前計算化學領域應用最廣泛的工具。本章深入剖析瞭 Hohenberg-Kohn 定理，解釋瞭能量與電子密度之間的函數關係。隨後，本書詳盡梳理瞭發展至今的密度泛函傢族： 局域密度近似（LDA）和一般梯度近似（GGA）：闡述瞭 Kohn-Sham 理論框架下的這些經典泛函，並分析瞭它們在描述鍵閤和結構優化中的優缺點。 後-GGA 方法與混閤泛函（Meta-GGA & Hybrid Functionals）：重點介紹瞭 PBE0、B3LYP 等被廣泛接受的混閤泛函，並分析瞭引入 Hartree-Fock (HF) 交換的物理意義，即如何平衡計算效率與精度。 高精度與長程校正泛函：針對傳統DFT在處理長程相互作用（如範德華力）和電荷轉移問題上的不足，本書專門介紹瞭 Range-Separated Hybrids (RSH)、Dispersion Corrections (如 DFT-D3/D4) 以及最新的 Double Hybrid (DH) 泛函，為處理復雜分子間相互作用提供瞭尖端工具。 第三章：基組的構造、選擇與收斂性分析 選擇閤適的原子軌道基組是確保計算結果可靠性的前提。本章講解瞭高斯型函數（Gaussian Type Orbitals, GTOs）的數學形式及其在實際計算中的優勢。係統分類介紹瞭分裂價層基組（Split-Valence Sets）（如 6-31G 體係）、極化函數和彌散函數的引入及其對模擬高精度結構、電荷分布和激發態的必要性。此外，還提供瞭判斷計算結果是否達到基組收斂極限的實用準則。 第二部分：從分子到周期性體係的過渡 本部分將理論計算拓展至更具實際工程意義的宏觀係統，涵蓋瞭固體物理和錶麵化學的核心計算挑戰。 第四章：周期性邊界條件與晶格動力學 對於晶體、薄膜和納米結構，必須采用周期性邊界條件。本章詳述瞭K-點抽樣方法（如 Monkhorst-Pack 網格）在布裏淵區積分中的應用及其對能帶計算精度的影響。隨後，本書轉嚮處理晶體的動態特性，係統介紹瞭基於密度泛函微擾理論（DFPT）的聲子計算方法，如何計算晶格振動頻率、熱容以及理解晶體穩定性和相變過程。 第五章：電子結構計算與能帶結構可視化 準確描述固體材料的電子性質是材料設計的基礎。本章深入解析瞭電子結構的計算流程，包括能帶結構（Band Structure）的繪製、費米麵的識彆，以及態密度（Density of States, DOS）和分波態密度（Projected DOS, PDOS）的物理含義，如何用它們來解釋材料的導電性、光吸收特性和原子軌道貢獻。 第六章：從分子到固體：連接計算化學與固體物理的橋梁 許多重要材料（如金屬有機骨架MOFs、分子晶體）的性質取決於分子間相互作用。本章探討瞭如何將針對孤立分子的計算方法（如高精度CC方法）應用於有限尺寸的周期性體係，以及如何利用簇模型（Cluster Model）來模擬催化劑活性位點或材料錶麵的復雜環境，並評估其與全晶胞模型的差異。 第三部分：前沿材料設計中的關鍵應用案例 本書的最後部分將理論工具與當前的材料科學熱點緊密結閤，展示計算化學如何引領創新。 第七章：反應性與催化劑性能預測 催化劑設計是應用量子化學最活躍的領域之一。本章重點介紹如何使用過渡態搜索算法（如優化路徑搜索、同步優化）來定位反應的能壘和鞍點。內容包括： 計算反應機理：通過勢能麵掃描確定反應路徑和主導能壘。 吸附與錶麵反應：應用Hubbard U 修正項來準確描述 d/f 電子體係（如過渡金屬氧化物）的強關聯效應。 評估催化活性：利用描述符（Descriptors），如ΔEa、ΔEads，結閤Sabatier 原理來理性篩選高效催化劑。 第八章：光電功能材料的模擬前沿 隨著能源和信息技術的快速發展，對光電材料的需求日益迫切。本書針對這些挑戰，詳細介紹瞭處理激發態和電子傳輸的計算方法： 激發態計算：係統梳理瞭時間依賴性密度泛函理論（TD-DFT）的原理和局限性，並介紹瞭GW近似在高精度預測半導體光學帶隙和激子束縛能中的優勢。 電荷傳輸與載流子動力學：探討瞭如何利用態密度分析材料的電子注入和傳輸機製，以及如何利用分子動力學（MD）模擬輔助理解離子導電性。 半導體缺陷工程：闡述瞭如何通過計算引入晶格空位、間隙原子或雜質，精確計算其形成能和能級位置，從而實現對材料性能的“原子級彆調控”。 第九章：高通量計算與材料數據挖掘 麵嚮未來，本書最後展望瞭高通量計算（High-Throughput Screening）的實踐。介紹瞭如何結閤數據庫（如 Materials Project, OQMD），利用自動化腳本和雲計算資源，對數韆種候選材料進行快速篩選。內容涵蓋： 穩定性判據：基於能量與化學勢的相圖分析。 數據驅動的材料發現：如何利用機器學習（ML）模型結閤已計算的量子化學特徵（Features），加速預測新材料的特定性能（如硬度、帶隙）。 --- 本書特色： 本書不僅僅停留在理論介紹，更強調方法論的選擇與權衡。每一章都配有大量的實例分析，並明確指齣在不同體係（小分子、金屬簇、無機晶體、有機半導體）中應優先考慮的計算方法、適用的商業/開源軟件（如 VASP, Gaussian, Quantum ESPRESSO, FHI-aims）的核心設置參數，以及如何對結果進行批判性評估，確保計算結果的可靠性和工業可轉化性。讀者通過本書，將能夠獨立構建並執行復雜材料體係的量子化學計算流程。
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