計算材料科學理論與實踐

第 一部分 綜 述
第 1章 計算材料科學3
第 2章 材料計算方法4
2．1 材料分類4
2．2 計算方法4
2．3 計算軟件6
第3章 計算材料科學實踐8
3．1 HPC計算8
3．2 高通量計算9
參考文獻10
第二部分 計算理論
第4章 密度泛函理論基礎(chǔ)13
4．1 Hohenberg-Kohn定理13
4．2 Kohn-Sham方程15
4．3 交換 相關(guān)能泛函16
4．3．1 局域密度近似和LDA泛函17
4．3．2 梯度校正和GGA泛函19
4．3．3 meta-GGA泛函20
4．3．4 雜化泛函21
第5章 周期勢中電子計算方法24
5．1 Muffin-Tin近似與非Muffin-Tin校正24
5．2 基態(tài)總能量表達式27
5．3 正交平面波方法29
5．4 贗勢方法30
5．4．1 模守恒贗勢33
5．4．2 超軟贗勢34
5．5 線性綴加平面波方法35
5．5．1 APW與LAPW35
5．5．2 FP-LAPW的總能計算38
5．6 KKR方法、Muffin-Tin軌道和LMTO42
5．6．1 KKR方法42
5．6．2 MTO與LMTO45
5．7 投影子綴加波方法53
5．7．1 PAW方法的基本思想53
5．7．2 PAW表示下的能量表示與補償電荷54
5．7．3 PAW方法的Kohn-Sham方程與原子分波、投影函數(shù)56
5．7．4 PAW方法與USPP的內(nèi)在聯(lián)系60
5．7．5 PAW原子數(shù)據(jù)集66
第6章 簡約波矢 的物理意義和 空間積分68
6．1 簡約波矢 68
6．2 -空間積分69
6．2．1 簡單分布函數(shù)與逼近70
6．2．2 特殊點方法與Monkhorst-Pack布點方案72
6．2．3 線性插值與四面體方法77
6．2．4 改進的四面體方法與誤差修正79
第7章 LDA+U和GW近似84
7．1 LDA+U方法84
7．2 電子激發(fā)與GW近似87
7．3 LDA+U和GWA校正的關(guān)系91
第8章 分子動力學95
8．1 導(dǎo)論95
8．1．1 MD原子相互作用模型95
8．1．2 經(jīng)典力學96
8．1．3 分子動力學96
8．2 勢函數(shù) 力場97
8．2．1 對勢98
8．2．2 嵌入原子勢100
8．2．3 Tersoff勢102
8．2．4 離子固體勢102
8．2．5 反應(yīng)力場勢103
8．3 經(jīng)典力學方程的求解算法103
8．3．1 N原子體系103
8．3．2 Verlet算法104
8．3．3 速度Verlet算法105
8．3．4 預(yù)測 校正算法106
8．4 初始化107
8．4．1 預(yù)置107
8．4．2 初始化110
8．5 積分 判斷動力學平衡112
8．5．1 模擬過程中的溫度與壓力控制112
8．5．2 分子動力學模擬過程中的最小化能量搜索113
8．6 數(shù)據(jù)生成114
8．6．1 分子動力學軟件運行分析114
8．6．2 結(jié)構(gòu)性質(zhì)116
8．6．3 能量、熱力學性質(zhì)及其他118
參考文獻119
第三部分 高性能計算環(huán)境搭建
第9章 高性能計算131
9．1 高性能的發(fā)展131
9．2 高性能的關(guān)鍵技術(shù)133
9．2．1 大規(guī)模并行134
9．2．2 計算單元135
9．2．3 計算網(wǎng)絡(luò)136
9．2．4 存儲系統(tǒng)138
9．2．5 并行計算環(huán)境141
第 10章 高性能計算集群搭建實踐144
10．1 材料計算典型集群架構(gòu)144
10．2 基礎(chǔ)環(huán)境安裝145
10．2．1 安裝前的準備146
10．2．2 安裝步驟146
10．3 集群用戶管理搭建實踐174
10．3．1 服務(wù)器端安裝步驟174
10．3．2 客戶端安裝183
10．4 文件系統(tǒng)搭建實踐189
10．4．1 安裝前的準備工作190
10．4．2 安裝GPFS軟件194
10．4．3 搭建GPFS cluster集群204
10．4．4 配置NSD和創(chuàng)建文件系統(tǒng)205
10．4．5 調(diào)試GPFS集群相關(guān)配置信息210
10．4．6 查看及檢查GPFS集群狀態(tài)213
10．4．7 配置GPFS客戶端為集群計算節(jié)點掛載文件系統(tǒng)215
10．5 編譯環(huán)境搭建實踐217
10．5．1 GCC編譯器安裝步驟218
10．5．2 intel并行編譯環(huán)境安裝221
參考文獻227
第四部分 計算實踐
第 11章 VASP的安裝與應(yīng)用示例231
11．1 VASP概覽231
11．2 VASP的安裝232
11．2．1 軟件編譯的一般過程232
11．2．2 VASP的編譯234
11．2．3 VASP的編譯選項235
11．3 原子 分子計算239
11．3．1 輸入文件239
11．3．2 VASP的運行241
11．3．3 VASP的結(jié)果242
11．4 面心立方Pt晶胞計算246
11．4．1 輸入文件246
11．4．2 用shell腳本運行VASP計算248
11．4．3 計算結(jié)果249
11．5 收斂測試250
11．5．1 能量收斂測試251
11．5．2 點收斂測試253
11．6 Pt超晶胞計算254
11．6．1 內(nèi)聚能255
11．6．2 Pt的空位生成能計算256
11．6．3 空位形成能256
11．6．4 CHGCAR257
11．7 Pt（111）表面的計算258
11．7．1 Pt（111）表面258
11．7．2 吸附能261
11．7．3 功函數(shù)的計算與偶極校正263
11．8 NEB方法與反應(yīng)過渡態(tài)搜索265
11．8．1 NEB的基本原理265
11．8．2 NEB方法的計算過程266
11．8．3 Pt（111）-O-NEB267
11．9 Pt（111）表面催化的計算270
11．9．1 催化劑270
11．9．2 態(tài)密度271
11．9．3 Pt(111)-slab-O-DoS計算271
11．10 Si的能帶結(jié)構(gòu)273
11．10．1 靜態(tài)計算273
11．10．2 能帶結(jié)構(gòu)計算274
11．11 Si的聲子計算276
11．11．1 構(gòu)建輸入文件277
11．11．2 聲子計算277
11．11．3 INPHON278
11．12 其他計算279
11．12．1 LDA+U計算279
11．12．2 光學介電函數(shù)的計算283
11．12．3 GW計算286
第 12章 XMD和LAMMPS的應(yīng)用示例289
12．1 銅的晶格常數(shù)的計算289
12．1．1 輸入文件289
12．1．2 結(jié)果290
12．2 銅的熱膨脹系數(shù)的計算290
12．2．1 輸入文件290
12．2．2 結(jié)果292
12．3 銅熔化過程的分子動力學模擬292
12．3．1 輸入文件293
12．3．2 輸出結(jié)果294
12．3．3 結(jié)果295
12．4 鋁的勢函數(shù)曲線297
12．4．1 輸入文件297
12．4．2 運行299
12．4．3 結(jié)果299
12．5 鎳團簇的熔融301
12．5．1 運行文件301
12．5．2 結(jié)果302
12．6 鎳納米粒子的燒結(jié)303
12．6．1 輸入文件303
12．6．2 結(jié)果305
12．7 氬氣速度分布的計算機實驗306
12．7．1 輸入文件307
12．7．2 結(jié)果309
12．8 Si（001）上的SiC沉積309
12．8．1 輸入文件310
12．8．2 結(jié)果312
12．9 Au納米線屈服機制313
12．9．1 輸入文件314
12．9．2 結(jié)果315
12．9．3 結(jié)論315
12．10 石墨烯納米帶包裹的納米液滴315
12．10．1 輸入文件316
12．10．2 結(jié)果318
12．10．3 結(jié)論319
12．11 碳納米管張力319
12．11．1 簡介319
12．11．2 輸入文件319
12．11．3 readdata．CNT321
12．11．4 CH．old．a(chǎn)irebo322
12．11．5 結(jié)果322
12．12 硅拉伸323
12．12．1 介紹323
12．12．2 輸入文件324
12．12．3 結(jié)果326
12．13 拉伸下的Si-CNT復(fù)合材料327
12．13．1 介紹327
12．13．2 勢函數(shù)329
12．13．3 輸入文件329
12．13．4 運行332
12．13．5 結(jié)果332
12．13．6 結(jié)論333
12．14 ZrO2-Y2O3-MSD333
12．14．1 介紹334
12．14．2 輸入文件334
12．14．3 運行336
12．14．4 結(jié)果336
參考文獻338