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第1章 导论1

1.1 计算凝聚态物理简介1

1.1.1 计算凝聚态物理的发展历程1

1.1.2 计算凝聚态物理方法概述3

1.1.3 计算凝聚态物理的发展趋势5

1.2 纳米材料简介6

1.2.1 纳米材料的发展简介6

1.2.2 纳米材料的基本性质8

1.2.3 纳米材料的实验制备9

1.3 计算凝聚态物理在纳米材料设计中的应用12

1.3.1 分子动力学方法在纳米材料科学中的应用14

1.3.2 第一性原理方法在纳米材料科学中的应用14

1.3.3 蒙特卡罗方法在纳米材料设计中的应用15

第2章 蒙特卡罗方法17

2.1 蒙特卡罗方法概述17

2.1.1 基本思想17

2.1.2 理论依据20

2.1.3 蒙特卡罗方法的收敛性与误差21

2.1.4 蒙特卡罗方法的特点22

2.1.5 蒙特卡罗方法的主要应用范围23

2.2 随机数与伪随机数24

2.2.1 随机数的定义及产生方法24

2.2.2 伪随机数序列的统计检验26

2.2.3 伪随机数的问题与分析27

2.3 任意分布随机变量的抽样28

2.3.1 离散型随机变量的直接抽样29

2.3.2 连续型随机变量的抽样29

2.4 动力学蒙特卡罗方法32

2.4.1 KMC方法的基本原理32

2.4.2 指数分布与KMC方法的时间步长32

2.4.3 跃迁速率的计算33

2.4.4 KMC方法实现的几种算法35

2.5 蒙特卡罗方法的应用38

2.5.1 蒙特卡罗方法在统计物理中的应用38

2.5.2 基于DLA模型的薄膜生长的蒙特卡罗模拟43

第3章 经典分子动力学方法49

3.1 分子动力学运动方程数值求解49

3.2 原胞与边界条件55

3.3 势函数58

3.4 分子动力学模拟的基本步骤64

3.5 平衡态分子动力学模拟66

3.6 分子动力学模拟实例69

第4章 第一性原理方法73

4.1 Born-Oppenheimer绝热近似73

4.2 Hartree-Fock近似74

4.3 密度泛函理论75

4.3.1 Hohenberg-Kohn定理75

4.3.2 Kohn-Sham方程76

4.4 交换关联泛函78

4.4.1 Slater平均交换势78

4.4.2 局域密度泛函78

4.5 全电子势线性缀加平面波方法与平面波赝势方法简介79

4.6 全电子势线性缀加平面波方法的计算实例与分析81

第5章 智能优化方法88

5.1 智能优化方法概述88

5.2 遗传算法89

5.2.1 遗传算法的基本思想89

5.2.2 遗传算法的算法流程90

5.2.3 遗传算法的特点93

5.3 模拟退火算法93

5.3.1 模拟退火算法的基本原理94

5.3.2 模拟退火算法的流程94

5.3.3 模拟退火算法关键参数和操作的设计95

5.4 模拟退火算法优化硅纳米线结构96

第6章 格林函数方法100

6.1 格林函数及两种表象100

6.1.1 格点表象101

6.1.2 混合表象102

6.2 两种表象之间的转换105

6.2.1 表象之间的转换关系105

6.2.2 递归格林函数方法105

6.3 格林函数的应用实例107

第7章 纳米团簇的结构与性能设计113

7.1 金属和半导体纳米团簇113

7.1.1 金属纳米团簇113

7.1.2 半导体纳米颗粒114

7.2 过渡金属合金纳米团簇115

7.2.1 合金纳米颗粒结构115

7.2.2 原子分离情况研究120

第8章 碳纳米管复合材料的结构与性能设计125

8.1 碳纳米管简介125

8.1.1 单壁碳纳米管的几何结构125

8.1.2 碳纳米管的稳定性127

8.1.3 碳纳米管复合体系129

8.2 碳纳米管的熔化与预熔化132

8.2.1 纳米体系熔化判据132

8.2.2 标准碳纳米管的熔化133

8.2.3 缺陷对碳纳米管预熔化的影响136

8.2.4 结论143

8.3 碳纳米管填充金属纳米线的结构特性与热稳定性144

8.3.1 细小金属纳米线的壳层螺旋结构144

8.3.2 （8,8）碳纳米管内Au纳米线的壳层螺旋结构144

8.3.3 （8,8）碳纳米管内Au纳米线的热稳定性147

8.3.4 不同类型碳纳米管内Au纳米线的热稳定性比较149

8.4 Si纳米颗粒在碳纳米管表面的生长153

8.4.1 分子动力学模拟参数与势模型153

8.4.2 超小Si纳米颗粒（10≤n≤30）154

8.4.3 小Si纳米颗粒（n=60,123,191）155

8.4.4 大Si纳米颗粒（n=281,417）156

第9章 石墨烯纳米结构的生长与形貌控制167

9.1 石墨烯的结构与特征167

9.2 碳化硅（SiC）晶体表面石墨烯纳米结构的生长171

9.2.1 计算方法和模型171

9.2.2 6H-SiC（0001）表面石墨烯的生长与形貌演化172

9.3 碳化硅（SiC）晶体表面石墨烯纳米结构形貌的动力学模拟176

9.3.1 计算方法与模型176

9.3.2 碳化硅晶体表面石墨烯纳米薄膜的结构形貌177

9.3.3 SiC晶体表面石墨烯纳米条带的褶皱形貌：温度与尺寸效应183

第10章 石墨烯纳米条带电子输运的调控192

10.1 石墨烯及氮化硼纳米条带192

10.2 复合结构对石墨烯及氮化硼纳米条带电子输运的调制效应194

10.3 褶皱对石墨烯纳米条带电子输运的调制效应201

第11章 二维纳米材料的电子性质调控209

11.1 缺陷对石墨烯电子性质的调控209

11.1.1 缺陷的产生和分类209

11.1.2 缺陷对电子态的调控210

11.2 应变对石墨烯电子结构的调制效应217

11.2.1 计算方法与模型217

11.2.2 无应变下Graphene的电子结构218

11.2.3 对称应变下Graphene的电子结构218

11.3 应变对二维BN电子结构的调制效应219

11.3.1 空间结构220

11.3.2 电子结构221

第12章 低维纳米材料的掺杂效应226

12.1 石墨烯的发现及其研究现状226

12.2 3d过渡金属在单层石墨烯表面的吸附231

12.2.1 计算方法和理论模型231

12.2.2 石墨烯吸附3d过渡金属研究231

12.3 掺杂对双层石墨烯结构和性能的影响235

12.3.1 理论模型和计算方法235

12.3.2 Au掺杂双层石墨烯量子结构235

12.3.3 分区掺杂的可行性237

12.4 碳纳米管中3d过渡金属掺杂的能带特征238

第13章 新型石墨烯纳米结构的电声子输运246

13.1 不对称T型石墨纳米带的不对称输运特性246

13.2 Z型石墨纳米带中的共振输运和量子束缚态249

13.3 周期T型石墨纳米带中的声子共振劈裂253

13.4 锯齿型同位素超晶格石墨纳米带的热输运258

附录1 并行计算266

附录2 数值计算基础279

后记301