计算材料学

计算材料学

计算材料学是近20年里发展起来的一门边缘学科. 它运用固体物理理论, 理论化学和计算机算法来研究材料里的一些实验研究有困难的课题. 它是材料研究里的"计算机实验". 本课程主要介绍计算材料学里的原子和纳米尺度模拟的一些常用方法, 如原子相互作用势、最小能量法、分子动力学、蒙特卡洛方法, 也简单介绍了电子－原子尺度的模拟方法、微观－介观尺度的模拟方法、介观－宏观尺度的模拟方法和跨尺度模拟方法. 本课程还采用材料研究中的实际例子来说明这些方法的运用.

课程性质：

学时：32

对象：研究生

教学用语：中文/英语

先修课要求：高等数学, 大学物理, 量子与统计，固体物理

教学内容

1．绪论(2学时)

1.1 计算材料学的发展概况

1.2 计算材料学的范围与层次

2．原子相互作用势(4学时)

2.1 原子相互作用势的一般形式

2.2经验性对势

2.3 多体势

2.4 壳模型

2.5 键级势

3．最小能量法(6学时)

3.1 完整晶体结构模拟

3.2 缺陷模拟

3.3 自由能最小能量法

3.4 表面结构模拟

4．分子动力学方法(6学时) 4.1 原子系统的运动方程

4.2 运动方程的积分

4.3 边界条件

4.4 分子动力学方法在材料科学中的应用

5．蒙特卡洛方法(6学时) 5.1 随机数

5.2 蒙特卡洛积分

5.3 Metropolis蒙特卡洛方法

5.4蒙特卡洛方法的误差

5.5 蒙特卡洛方法在材料科学中的应用

6．电子－原子尺度的模拟方法简介(3学时) 6.1 Hartree-Fock 方法

6.2 分子轨道理论

6.3 从头计算法

6.4 紧束缚势方法

6.5 局域电子密度泛函理论

7．微观－介观尺度的模拟方法简介(3学时) 7.1 离散位错静力学和动力学

7.2 Ginzburg-Landau相场动力学模型

7.3 元胞自动机（CA）方法

7.4 介观尺度动力学蒙特卡洛和波茨模型

8．介观-宏观尺度的模拟方法简介(2学时)

8.1 介观-宏观尺度上的有限元方法

8.2 在宏观尺度上的有限差分方法

8.3 多晶体弹性及塑性模型

8.4 模型化与模拟的集成化

教材：自编讲义

参考书

1．D. 罗伯编著《计算材料学》，化学工业出版社 2002年。

2．Dierk Raabe, Computational Materials Science: The Simulation of Materials Microstructures and Properties, Wiley-VCH, 1998.

3．K. Ohno, K. Esfarjani, Y. Kawazoe, Computational Materials Science: From Ab Initio to Monte Carlo Methods, Springer , 1999.

4．Andrew R Leach, Molecular Modeling: Principle and Application, Longman, 1996.

5．熊家炯主编《材料设计》，天津大学出版社， 2000年。

6．马文淦编著，《计算物理学》，中国科技大学出版社， 2001年。