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计算材料科学理论与实践
作者：赵琉涛，姜骏，王彩群，潘勇，潘震西
出版社：人民邮电出版社
出版时间：2021-06-01
ISBN：9787115560513
定价：¥199.80
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内容简介
本书主要涉及计算材料科学中第一性原理计算、高性能计算技术，材料数值模拟算法在高性能计算平台上的实现、应用与实践。全书共4个部分。第一部分是综述，主要对计算材料科学的基本概念、材料计算方法和计算材料科学实践进行了介绍。第二部分是计算理论，系统阐述了密度泛函理论基础，周期势中电子计算方法，简约波矢 的物理意义和 空间积分，LDA+U和GW近似，以及分子动力学。第三部分是高性能计算环境搭建，主要介绍了高性能计算基本原理与高性能计算集群搭建实践。第四部分是计算实践，描述了VASP的安装与应用示例、XMD和LAMMPS的应用示例。本书可作为希望快速了解计算材料学知识的本科生、研究生的参考书，也可以供物理、化学、材料计算等领域对高并发计算集群中材料模拟计算感兴趣的理论研究者及工程技术人员使用。
作者简介
赵琉涛 北京市计算中心党总支纪检委员、北京市计算中心副主任，中关村云计算产业联盟云计算专家；北京工业大学硕士研究生兼职导师；北京理工大学硕士专业学位研究生兼职指导老师。 长期从事高性能计算、云计算等计算集群相关工作，精通材料计算科学在超算集群中的实践与应用，能够实现材料计算科学理论在超算集群的高性能并发工作。 姜骏 获北京市科学技术研究院“2018年院青年骨干项目”。 长期从事物理和化学基础理论研究工作，熟悉材料计算科学基础理论知识与经典计算方法，并精通各类型计算工具软件与流程设计。 王彩群 主要从事云计算、高性能计算等相关工作。在研内容包括材料数据汇交、材料结果可视化分析等研究工作。
目录
第 一部分 综 述
第 1章 计算材料科学3
第 2章 材料计算方法4
2．1 材料分类4
2．2 计算方法4
2．3 计算软件6
第3章 计算材料科学实践8
3．1 HPC计算8
3．2 高通量计算9
参考文献10
第二部分 计算理论
第4章 密度泛函理论基础13
4．1 Hohenberg-Kohn定理13
4．2 Kohn-Sham方程15
4．3 交换 相关能泛函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 杂化泛函21
第5章 周期势中电子计算方法24
5．1 Muffin-Tin近似与非Muffin-Tin校正24
5．2 基态总能量表达式27
5．3 正交平面波方法29
5．4 赝势方法30
5．4．1 模守恒赝势33
5．4．2 超软赝势34
5．5 线性缀加平面波方法35
5．5．1 APW与LAPW35
5．5．2 FP-LAPW的总能计算38
5．6 KKR方法、Muffin-Tin轨道和LMTO42
5．6．1 KKR方法42
5．6．2 MTO与LMTO45
5．7 投影子缀加波方法53
5．7．1 PAW方法的基本思想53
5．7．2 PAW表示下的能量表示与补偿电荷54
5．7．3 PAW方法的Kohn-Sham方程与原子分波、投影函数56
5．7．4 PAW方法与USPP的内在联系60
5．7．5 PAW原子数据集66
第6章 简约波矢 的物理意义和 空间积分68
6．1 简约波矢 68
6．2 -空间积分69
6．2．1 简单分布函数与逼近70
6．2．2 特殊点方法与Monkhorst-Pack布点方案72
6．2．3 线性插值与四面体方法77
6．2．4 改进的四面体方法与误差修正79
第7章 LDA+U和GW近似84
7．1 LDA+U方法84
7．2 电子激发与GW近似87
7．3 LDA+U和GWA校正的关系91
第8章 分子动力学95
8．1 导论95
8．1．1 MD原子相互作用模型95
8．1．2 经典力学96
8．1．3 分子动力学96
8．2 势函数 力场97
8．2．1 对势98
8．2．2 嵌入原子势100
8．2．3 Tersoff势102
8．2．4 离子固体势102
8．2．5 反应力场势103
8．3 经典力学方程的求解算法103
8．3．1 N原子体系103
8．3．2 Verlet算法104
8．3．3 速度Verlet算法105
8．3．4 预测 校正算法106
8．4 初始化107
8．4．1 预置107
8．4．2 初始化110
8．5 积分 判断动力学平衡112
8．5．1 模拟过程中的温度与压力控制112
8．5．2 分子动力学模拟过程中的最小化能量搜索113
8．6 数据生成114
8．6．1 分子动力学软件运行分析114
8．6．2 结构性质116
8．6．3 能量、热力学性质及其他118
参考文献119
第三部分 高性能计算环境搭建
第9章 高性能计算131
9．1 高性能的发展131
9．2 高性能的关键技术133
9．2．1 大规模并行134
9．2．2 计算单元135
9．2．3 计算网络136
9．2．4 存储系统138
9．2．5 并行计算环境141
第 10章 高性能计算集群搭建实践144
10．1 材料计算典型集群架构144
10．2 基础环境安装145
10．2．1 安装前的准备146
10．2．2 安装步骤146
10．3 集群用户管理搭建实践174
10．3．1 服务器端安装步骤174
10．3．2 客户端安装183
10．4 文件系统搭建实践189
10．4．1 安装前的准备工作190
10．4．2 安装GPFS软件194
10．4．3 搭建GPFS cluster集群204
10．4．4 配置NSD和创建文件系统205
10．4．5 调试GPFS集群相关配置信息210
10．4．6 查看及检查GPFS集群状态213
10．4．7 配置GPFS客户端为集群计算节点挂载文件系统215
10．5 编译环境搭建实践217
10．5．1 GCC编译器安装步骤218
10．5．2 intel并行编译环境安装221
参考文献227
第四部分 计算实践
第 11章 VASP的安装与应用示例231
11．1 VASP概览231
11．2 VASP的安装232
11．2．1 软件编译的一般过程232
11．2．2 VASP的编译234
11．2．3 VASP的编译选项235
11．3 原子 分子计算239
11．3．1 输入文件239
11．3．2 VASP的运行241
11．3．3 VASP的结果242
11．4 面心立方Pt晶胞计算246
11．4．1 输入文件246
11．4．2 用shell脚本运行VASP计算248
11．4．3 计算结果249
11．5 收敛测试250
11．5．1 能量收敛测试251
11．5．2 点收敛测试253
11．6 Pt超晶胞计算254
11．6．1 内聚能255
11．6．2 Pt的空位生成能计算256
11．6．3 空位形成能256
11．6．4 CHGCAR257
11．7 Pt（111）表面的计算258
11．7．1 Pt（111）表面258
11．7．2 吸附能261
11．7．3 功函数的计算与偶极校正263
11．8 NEB方法与反应过渡态搜索265
11．8．1 NEB的基本原理265
11．8．2 NEB方法的计算过程266
11．8．3 Pt（111）-O-NEB267
11．9 Pt（111）表面催化的计算270
11．9．1 催化剂270
11．9．2 态密度271
11．9．3 Pt(111)-slab-O-DoS计算271
11．10 Si的能带结构273
11．10．1 静态计算273
11．10．2 能带结构计算274
11．11 Si的声子计算276
11．11．1 构建输入文件277
11．11．2 声子计算277
11．11．3 INPHON278
11．12 其他计算279
11．12．1 LDA+U计算279
11．12．2 光学介电函数的计算283
11．12．3 GW计算286
第 12章 XMD和LAMMPS的应用示例289
12．1 铜的晶格常数的计算289
12．1．1 输入文件289
12．1．2 结果290
12．2 铜的热膨胀系数的计算290
12．2．1 输入文件290
12．2．2 结果292
12．3 铜熔化过程的分子动力学模拟292
12．3．1 输入文件293
12．3．2 输出结果294
12．3．3 结果295
12．4 铝的势函数曲线297
12．4．1 输入文件297
12．4．2 运行299
12．4．3 结果299
12．5 镍团簇的熔融301
12．5．1 运行文件301
12．5．2 结果302
12．6 镍纳米粒子的烧结303
12．6．1 输入文件303
12．6．2 结果305
12．7 氩气速度分布的计算机实验306
12．7．1 输入文件307
12．7．2 结果309
12．8 Si（001）上的SiC沉积309
12．8．1 输入文件310
12．8．2 结果312
12．9 Au纳米线屈服机制313
12．9．1 输入文件314
12．9．2 结果315
12．9．3 结论315
12．10 石墨烯纳米带包裹的纳米液滴315
12．10．1 输入文件316
12．10．2 结果318
12．10．3 结论319
12．11 碳纳米管张力319
12．11．1 简介319
12．11．2 输入文件319
12．11．3 readdata．CNT321
12．11．4 CH．old．airebo322
12．11．5 结果322
12．12 硅拉伸323
12．12．1 介绍323
12．12．2 输入文件324
12．12．3 结果326
12．13 拉伸下的Si-CNT复合材料327
12．13．1 介绍327
12．13．2 势函数329
12．13．3 输入文件329
12．13．4 运行332
12．13．5 结果332
12．13．6 结论333
12．14 ZrO2-Y2O3-MSD333
12．14．1 介绍334
12．14．2 输入文件334
12．14．3 运行336
12．14．4 结果336
参考文献338
第 1章 计算材料科学3
第 2章 材料计算方法4
2．1 材料分类4
2．2 计算方法4
2．3 计算软件6
第3章 计算材料科学实践8
3．1 HPC计算8
3．2 高通量计算9
参考文献10
第二部分 计算理论
第4章 密度泛函理论基础13
4．1 Hohenberg-Kohn定理13
4．2 Kohn-Sham方程15
4．3 交换 相关能泛函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 杂化泛函21
第5章 周期势中电子计算方法24
5．1 Muffin-Tin近似与非Muffin-Tin校正24
5．2 基态总能量表达式27
5．3 正交平面波方法29
5．4 赝势方法30
5．4．1 模守恒赝势33
5．4．2 超软赝势34
5．5 线性缀加平面波方法35
5．5．1 APW与LAPW35
5．5．2 FP-LAPW的总能计算38
5．6 KKR方法、Muffin-Tin轨道和LMTO42
5．6．1 KKR方法42
5．6．2 MTO与LMTO45
5．7 投影子缀加波方法53
5．7．1 PAW方法的基本思想53
5．7．2 PAW表示下的能量表示与补偿电荷54
5．7．3 PAW方法的Kohn-Sham方程与原子分波、投影函数56
5．7．4 PAW方法与USPP的内在联系60
5．7．5 PAW原子数据集66
第6章 简约波矢 的物理意义和 空间积分68
6．1 简约波矢 68
6．2 -空间积分69
6．2．1 简单分布函数与逼近70
6．2．2 特殊点方法与Monkhorst-Pack布点方案72
6．2．3 线性插值与四面体方法77
6．2．4 改进的四面体方法与误差修正79
第7章 LDA+U和GW近似84
7．1 LDA+U方法84
7．2 电子激发与GW近似87
7．3 LDA+U和GWA校正的关系91
第8章 分子动力学95
8．1 导论95
8．1．1 MD原子相互作用模型95
8．1．2 经典力学96
8．1．3 分子动力学96
8．2 势函数 力场97
8．2．1 对势98
8．2．2 嵌入原子势100
8．2．3 Tersoff势102
8．2．4 离子固体势102
8．2．5 反应力场势103
8．3 经典力学方程的求解算法103
8．3．1 N原子体系103
8．3．2 Verlet算法104
8．3．3 速度Verlet算法105
8．3．4 预测 校正算法106
8．4 初始化107
8．4．1 预置107
8．4．2 初始化110
8．5 积分 判断动力学平衡112
8．5．1 模拟过程中的温度与压力控制112
8．5．2 分子动力学模拟过程中的最小化能量搜索113
8．6 数据生成114
8．6．1 分子动力学软件运行分析114
8．6．2 结构性质116
8．6．3 能量、热力学性质及其他118
参考文献119
第三部分 高性能计算环境搭建
第9章 高性能计算131
9．1 高性能的发展131
9．2 高性能的关键技术133
9．2．1 大规模并行134
9．2．2 计算单元135
9．2．3 计算网络136
9．2．4 存储系统138
9．2．5 并行计算环境141
第 10章 高性能计算集群搭建实践144
10．1 材料计算典型集群架构144
10．2 基础环境安装145
10．2．1 安装前的准备146
10．2．2 安装步骤146
10．3 集群用户管理搭建实践174
10．3．1 服务器端安装步骤174
10．3．2 客户端安装183
10．4 文件系统搭建实践189
10．4．1 安装前的准备工作190
10．4．2 安装GPFS软件194
10．4．3 搭建GPFS cluster集群204
10．4．4 配置NSD和创建文件系统205
10．4．5 调试GPFS集群相关配置信息210
10．4．6 查看及检查GPFS集群状态213
10．4．7 配置GPFS客户端为集群计算节点挂载文件系统215
10．5 编译环境搭建实践217
10．5．1 GCC编译器安装步骤218
10．5．2 intel并行编译环境安装221
参考文献227
第四部分 计算实践
第 11章 VASP的安装与应用示例231
11．1 VASP概览231
11．2 VASP的安装232
11．2．1 软件编译的一般过程232
11．2．2 VASP的编译234
11．2．3 VASP的编译选项235
11．3 原子 分子计算239
11．3．1 输入文件239
11．3．2 VASP的运行241
11．3．3 VASP的结果242
11．4 面心立方Pt晶胞计算246
11．4．1 输入文件246
11．4．2 用shell脚本运行VASP计算248
11．4．3 计算结果249
11．5 收敛测试250
11．5．1 能量收敛测试251
11．5．2 点收敛测试253
11．6 Pt超晶胞计算254
11．6．1 内聚能255
11．6．2 Pt的空位生成能计算256
11．6．3 空位形成能256
11．6．4 CHGCAR257
11．7 Pt（111）表面的计算258
11．7．1 Pt（111）表面258
11．7．2 吸附能261
11．7．3 功函数的计算与偶极校正263
11．8 NEB方法与反应过渡态搜索265
11．8．1 NEB的基本原理265
11．8．2 NEB方法的计算过程266
11．8．3 Pt（111）-O-NEB267
11．9 Pt（111）表面催化的计算270
11．9．1 催化剂270
11．9．2 态密度271
11．9．3 Pt(111)-slab-O-DoS计算271
11．10 Si的能带结构273
11．10．1 静态计算273
11．10．2 能带结构计算274
11．11 Si的声子计算276
11．11．1 构建输入文件277
11．11．2 声子计算277
11．11．3 INPHON278
11．12 其他计算279
11．12．1 LDA+U计算279
11．12．2 光学介电函数的计算283
11．12．3 GW计算286
第 12章 XMD和LAMMPS的应用示例289
12．1 铜的晶格常数的计算289
12．1．1 输入文件289
12．1．2 结果290
12．2 铜的热膨胀系数的计算290
12．2．1 输入文件290
12．2．2 结果292
12．3 铜熔化过程的分子动力学模拟292
12．3．1 输入文件293
12．3．2 输出结果294
12．3．3 结果295
12．4 铝的势函数曲线297
12．4．1 输入文件297
12．4．2 运行299
12．4．3 结果299
12．5 镍团簇的熔融301
12．5．1 运行文件301
12．5．2 结果302
12．6 镍纳米粒子的烧结303
12．6．1 输入文件303
12．6．2 结果305
12．7 氩气速度分布的计算机实验306
12．7．1 输入文件307
12．7．2 结果309
12．8 Si（001）上的SiC沉积309
12．8．1 输入文件310
12．8．2 结果312
12．9 Au纳米线屈服机制313
12．9．1 输入文件314
12．9．2 结果315
12．9．3 结论315
12．10 石墨烯纳米带包裹的纳米液滴315
12．10．1 输入文件316
12．10．2 结果318
12．10．3 结论319
12．11 碳纳米管张力319
12．11．1 简介319
12．11．2 输入文件319
12．11．3 readdata．CNT321
12．11．4 CH．old．airebo322
12．11．5 结果322
12．12 硅拉伸323
12．12．1 介绍323
12．12．2 输入文件324
12．12．3 结果326
12．13 拉伸下的Si-CNT复合材料327
12．13．1 介绍327
12．13．2 势函数329
12．13．3 输入文件329
12．13．4 运行332
12．13．5 结果332
12．13．6 结论333
12．14 ZrO2-Y2O3-MSD333
12．14．1 介绍334
12．14．2 输入文件334
12．14．3 运行336
12．14．4 结果336
参考文献338
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