《计算材料学》介绍了计算材料学的基本概念以及若干常用的计算方法，包括第一性原理密度泛函理论计算、分子动力学方法、蒙特卡罗方法、相场模拟方法以及光学超晶格、光子晶体、声子晶体的设计和计算。本书内容丰富，涉及了现代材料计算中常见的材料体系和模拟方法。在讲解计算方法时，注重理论和实践相结合，先从基本理论出发，然后结合程序给出若干计算实例，并给出可供下载的代码。此外，本书引入了较多科研前沿内容和实例，方便读者了解计算材料学的最新发展。
本书适合作为高等院校材料类和物理类专业高年级本科生或研究生的教材。

第1章 绪论
1.1 计算材料学简介
1.2 常见计算模拟方法
1.3 多尺度模拟
1.4 机器学习和计算材料学
1.5 展望
参考文献
第2章 第一性原理材料计算
2.1 第一性原理计算概述
2.2 晶体结构和对称性
2.2.1 点阵、基矢和元胞
2.2.2 点阵的分类
2.2.3 常见晶体结构
2.2.4 晶体对称性
2.2.5 点群和空间群
2.2.6 原子坐标
2.2.7 倒易点阵和布里渊区
2.3 电子能带结构概述
2.3.1 布洛赫定理
2.3.2 玻恩-冯·卡门边界条件
2.3.3 电子能带结构
2.4 密度泛函理论
2.4.1 绝热近似和单电子近似
2.4.2 Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程
2.4.3 交换关联势
2.4.4 平面波截断能
2.4.5 缀加平面波基组和原子轨道基组
2.4.6 正交化平面波和赝势方法
2.4.7 密度泛函程序
2.5 VASP程序介绍及计算例子
2.5.1 VASP程序简介
2.5.2 电子能带和态密度计算
2.5.3 声子能带和态密度计算
2.5.4 晶格热导率计算
2.6 Quantum ESPRESSO程序介绍及计算例子
2.6.1 Quantum ESPRESSO程序简介
2.6.2 电子能带和态密度程序简介
2.7 OpenMX程序介绍及计算例子
2.7.1 OpenMX程序简介
2.7.2 电子能带、态密度和费米面计算
2.7.3 光学性质计算
习题
参考文献
第3章 分子动力学
3.1 分子动力学概述
3.2 分子动力学基本知识
3.2.1 引言
3.2.2 分子动力学中的原子模型
3.2.3 分子动力学的工作原理
3.3 势能函数
3.3.1 两体势
3.3.2 无方向性多体势
3.3.3 考虑角度效应的多体势
3.3.4 势参数的确定
3.4 分子动力学方程的数值求解
3.4.1 N原子体系
3.4.2 Verlet算法
3.4.3 “跳蛙”算法
3.4.4 预测-校正算法
3.5 分子动力学的计算流程
3.5.1 预设置
3.5.2 初始条件设置
3.5.3 平衡
3.5.4 模拟结果分析
3.6 分子动力学应用举例
3.6.1 铝的势能曲线
3.6.2 镍团簇的熔化
3.6.3 镍纳米颗粒的烧结
3.6.4 氩气的速度分布
3.6.5 Si（001）表面上沉积SiC
3.6.6 金纳米线的屈服机制
3.6.7 石墨烯纳米带包裹的水纳米液滴
习题
参考文献
第4章 蒙特卡罗方法
4.1 蒙特卡罗方法概述
4.2 随机变量
4.3 大数定理和中心极限定理
4.4 随机数和随机抽样
4.4.1 随机数
4.4.2 离散型直接抽样法
4.4.3 连续型直接抽样法
4.4.4 变换抽样法
4.4.5 重要抽样法
4.5 蒙特卡罗方法的应用
4.5.1 数值积分
4.5.2 Metropolis算法
4.5.3 Ising模型
4.5.4 铁电相变模拟
4.5.5 有限尺寸效应
习题
参考文献
第5章 相场模拟
5.1 相场模拟的基本原理
5.2 相场模拟的物理与数学基础
5.2.1 朗道相变理论
5.2.2 弹性理论基础
5.2.3 变分问题
5.3 铁电材料的相场模型
5.4 相场方程的求解
5.4.1 有限差分法介绍
5.4.2 相场方程的有限差分格式
5.4.3 有限差分法求解相场方程的案例
5.5 相场模拟铁电畴结构演化
5.5.1 相场模拟验证实验结果
5.5.2 相场模拟引导实验方向
习题
参考文献
第6章 光学超晶格材料设计
6.1 非线性光学与非线性晶体材料
6.2 光学超晶格材料
6.3 准相位匹配方法的基本原理
6.4 超晶格结构设计与谐波耦合方程
6.5 准周期、双周期和非周期超晶格结构设计
6.6 新型相位匹配方法杂例
习题
参考文献
第7章 光/声子晶体能带计算
7.1 光/声子晶体概述
7.1.1 麦克斯韦方程组及其本征值问题
7.1.2 光子晶体中的布洛赫定理
7.1.3 声波波动方程与声子晶体
7.1.4 缩放定则与对称性
7.1.5 光/声子晶体系统与电子系统的比较
7.2 光/声子晶体能带计算方法
7.2.1 平面波展开
7.2.2 多重散射
7.2.3 差分转移矩阵
7.2.4 时域有限差分
7.2.5 有限元
7.2.6 紧束缚近似
7.2.7 k·p方法
7.3 一维周期系统
7.3.1 一维多层膜光子晶体能带
7.3.2 离轴传输与投影能带
7.3.3 导纳匹配与边界态
7.3.4 数值计算与超元胞法
7.4 二维光/声子晶体
7.4.1 线缺陷波导与点缺陷微腔
7.4.2 等频面与多类型折射
7.4.3 磁光光子晶体与量子霍尔效应
7.4.4 声能谷态
7.4.5 声量子自旋霍尔效应
7.5 本章小节
习题
参考文献