密度泛函理论在材料计算中的应用

本书从密度泛函理论出发，详细介绍理论框架及其在材料计算中的应用。介绍密度泛函的基础理论框架及计算编程思路，进而按照解决实际问题的思路，对热门材料（包括半导体材料和储能材料）进行具体的计算和分析。本书内容由浅入深、逐步递进，带领读者深入了解密度泛函理论的实际应用和阶梯式计算研究的模式。

本书提供详细的材料计算案例和分析，可以帮助读者快速了解材料计算和模拟领域的前沿知识，进行实践研究，适合材料计算和模拟领域的科研人员阅读，也适合于物理化学、材料化学、计算物理等相关专业的师生阅读。

温静 博士，现为哈尔滨师范大学光电带隙材料教育 部重点实验室教师，硕士生导师。研究方向为物理与材料计算，主要从事半导体材料晶体、电子结构、电子输运性质以及储能材料动力学的理论计算分析研究，发表SCI收录论文30余篇，主持和参与国家项目3项。 张喜田 博士，现为哈尔滨师范大学副校长，教授，博士生导师，“龙江学 者”特聘教授，黑龙江省杰出青年科学基金获得者，黑龙江省高等学校科技创新团队专 家。研究方向为材料合成及其物理化学性质研究，主持国家项目10余项，发表SCI收录论文100余篇。

第 1章 密度泛函基础理论框架 1

1.1　薛定谔方程　1

1.2　交换关联泛函　5

1.2.1　局域密度近似　6

1.2.2　广义梯度近似　7

1.2.3　LDA(GGA) U轨道相关泛函　10

1.3　赝势理论　13

1.3.1　Norm-conserving赝势　13

1.3.2　Ultrasoft赝势　16

1.3.3　PAW赝势　17

1.4　KS方程的解法　19

1.5　晶体总能　21

1.5.1布里渊区积分　21

1.5.2密度自洽步进方法　23

1.5.3总能的计算　23

1.6　结构优化　24

1.7　电子态密度和能带结构　25

1.7.1　电子态密度　25

1.7.2　能带结构　26

第　2章 计算实例简介　28

2.1　半导体材料　28

2.1.1　IMZOm的应用背景　28

2.1.2　IMZOm的实验特征　33

2.1.3　IMZOm的计算研究概况　37

2.2　储能材料　40

2.2.1　MXenes的应用背景　40

2.2.2　MXenes的计算研究概况　41

2.3实例计算内容　43

2.3.1　IMZOm的计算内容　43

2.3.2　MXenes的计算内容　50

第3章　半导体材料晶体结构计算　53

3.1　晶体结构存在的问题　53

3.2　计算方法　55

3.3　IMZOm调制结构模型和HRTEM模拟结果　56

3.4　IMZOm结构稳定性的第 一性原理研究　61

3.5　IZOm结构稳定性和形成机制　64

3.5.1　IZOm的不同晶体结构模型　64

3.5.2　结构稳定性和形成机制　66

3.6　计算结论　72

第4章　半导体材料电子结构计算　74

4.1　体系结构关联的电子结构特征　74

4.2　标准计算结构模型　76

4.3　计算方法　77

4.4　计算结果分析　78

4.4.1　ZnO和In2O3的电子结构　78

4.4.2　IZOm的态密度　80

4.4.3　IZOm的能带结构　82

4.4.4　IZOm的电子有效质量和最优化输运路径　85

4.5　计算结论　89

第5章　半导体纳米结构电子输运性质计算　90

5.1　半导体纳米结构电子输运I-V曲线特征　90

5.2　纳米线MSM结构模型　94

5.2.1　空间电荷区的势能分布　94

5.2.2　纳米线的子带结构　97

5.3　金属半导体接触端的电子输运特征　98

5.3.1　电流的能量分布　100

5.3.2　接触端区域的电子输运过程　103

5.4　MSM结构I-V特性曲线特征　105

5.4.1　不同单元位置的电子输运特征　105

5.4.2　I-V特性曲线　109

5.5　IZOm纳米带电子输运特征　111

5.5.1　实验结果　111

5.5.2　MSM结构模拟　112

5.5.3　SCL输运　113

5.5.4　跳跃辅助的束缚态电子能带输运模型　115

5.6　计算结论　118

第6章　储能材料结构形成机制　120

6.1　MXenes结构形成存在的问题　120

6.2　计算方法　121

6.3　插层Ti3C2的结构特性及形成机理　121

6.3.1纯Ti3C2和Ti3C2嵌入单一原子的基态结构　121

6.3.2　Ti3C2与单一原子相互作用的形成机理　124

6.3.3　Ti3C2与F和O相互作用的形成机理　128

6.3.4　Ti3C2与F、O以及H相互作用的形成机理　130

6.3.5　Li插层的形成及其电荷储存机制　132

6.4计算结论　135

第7章　储能材料结构动力学变化　137

7.1　MXenes结构变化问题　137

7.2　计算方法　137

7.3　含H基团对Ti3C2Tx结构动力学的影响　138

7.3.1　表面官能团的形成机理　138

7.3.2　Ti3C2Tx的支柱　140

7.4　计算结论　145

第8章　二维储能材料不同类型离子扩散机理　146

8.1　MXenes的离子扩散问题　146

8.2　计算方法　146

8.3　离子扩散势能面　148

8.4　离子扩散分子动力学模拟　153

8.5　计算结论　156

参考文献　157

结合已有研究成果，按照解决实际问题的思路，采用层层递进的科学思维，详细介绍密度泛函理论在计算材料学中的应用

密度泛函理论在材料等领域应用广泛，许多前沿研究均用到了密度泛函理论的计算方法。

以科研中的实际材料体系的案例为基础，介绍密度泛函的应用，针对性和指导性强。

主要作者之一为哈师大副校长，黑龙江省杰出青年基金获得者，哈师大龙江学 者特聘教授。