本书适应高校创新实践教学改革的需要，力争实现理论教学和实践教学有机结合，大力推进以学习者为中心的先进教学理念，培养学生的团队精神和科学创新精神，从而构建群体创新人才培养模式。本书在第1版的基础上进行了修订，新增了紧束缚密度泛函方法、电磁散射控制材料雷达散射截面计算、机器学习与材料智能设计以及大量的计算案例等内容。全书系统地介绍了计算材料学的发展现状、主要理论框架和设计实践方法，结合典型案例阐述设计流程、建模方法、算法实现、数值处理技巧及其应用特色。全书共分11章，包括计算材料学导论、密度泛函理论基础、赝势平面波方法（Ⅰ）、赝势平面波方法（Ⅱ）、全势线性缀加平面波方法、紧束缚密度泛函方法、分子动力学方法、第一性原理分子动力学方法、蒙特卡罗方法、宏观尺度计算方法与电磁散射控制材料设计以及机器学习与材料智能设计。本书各章设有实践指南，并配有习题，以帮助学习者巩固学习重点。本书还包括多篇附录。

本书可作为普通高等学校电子信息类、材料类、物理类和化学类等专业高年级本科生相关课程的教材及研究生的教学参考书，也可作为从事相关领域研究的科研工作者的参考书。

前辅文
第1章 计算材料学导论
  1.1 引言
   1.1.1 计算物理概述
   1.1.2 量子计算化学概述
   1.1.3 材料设计理念
   1.1.4 计算材料学
  1.2 计算材料学的理论体系
   1.2.1 计算尺度
   1.2.2 基于量子力学第一性原理的电子结构计算
   1.2.3 基于统计力学的分子（原子）演化结构计算
   1.2.4 基于连续介质力学的本体结构计算
   1.2.5 多层次研究对象与计算方法的关系
   1.2.6 计算框架和数值处理方法
  1.3 计算材料学的研究动态与展望
   1.3.1 第一性原理计算方法
   1.3.2 分子动力学方法
   1.3.3 蒙特卡罗方法
   1.3.4 跨尺度计算方法的耦合与集成
   1.3.5 先进材料和纳器件的计算与设计
   1.3.6 计算材料学的发展趋势
  1.4 设计实践方法学
   1.4.1 基于专业设计软件的实践方法
   1.4.2 基于自编程的实践方法
   1.4.3 基于计算方法耦合与集成的实践方法
  1.5 习题
第2章 密度泛函理论基础
  2.1 引言
   2.1.1 密度泛函理论的提出
   2.1.2 第一性原理计算方法
   2.1.3 第一性原理计算中的近似
  2.2 密度泛函理论
   2.2.1 HohenbergKohn定理
   2.2.2 KohnSham方程
   2.2.3 交换关联泛函
   2.2.4 自洽计算
  2.3 基矢展开与计算方案
   2.3.1 基矢展开
   2.3.2 计算方案分类
   2.3.3 密度泛函计算框架分析
  2.4 材料计算与设计实践指南
   2.4.1 材料计算的流程
   2.4.2 基于密度泛函理论的计算软件包
   2.4.3 常用材料数据库介绍
   2.4.4 物理性质分析
  2.5 习题
第3章 赝势平面波方法(Ⅰ)
  3.1 基本原理
   3.1.1 平面波展开与截断能
   3.1.2 赝势
   3.1.3 模守恒赝势
   3.1.4 超软赝势
   3.1.5 HellmannFeynman力
  3.2 数值处理方法与技巧
   3.2.1 超原胞方法
   3.2.2 自洽电子弛豫方法
   3.2.3 几何结构优化技术
   3.2.4 快速傅里叶变换
   3.2.5 k空间取样规则
   3.2.6 基于密度泛函理论的第一性原理计算框架及步骤
  3.3 基于Materials Studio的实践流程
   3.3.1 软件介绍及计算步骤
   3.3.2 几何结构的构建
   3.3.3 计算操作方法
  3.4 锐钛矿型TiO2(101)表面分析计算
   3.4.1 表面结构的建立
   3.4.2 参数设置
   3.4.3 表面原子几何结构
   3.4.4 表面能计算
   3.4.5 表面原子弛豫
   3.4.6 电子布居分析
   3.4.7 表面原子弛豫对电子结构的影响
  *3.5 锐钛矿型TiO2(101)表面缺陷结构的计算
   3.5.1 表面缺陷模型
   3.5.2 表面缺陷原子几何结构
   3.5.3 点缺陷形成能
  3.6 习题
第4章 赝势平面波方法(Ⅱ)
  4.1 倒空间积分
   4.1.1 晶体平移对称性
   4.1.2 点群对称性
   4.1.3 布里渊区积分
  4.2 第一性原理的高效计算
   4.2.1 基于Linux平台的计算软件
   4.2.2 并行计算
   4.2.3 赝势平面波方法的计算软件
  4.3 VASP计算实践流程
   4.3.1 VASP软件包简介
   4.3.2 VASP基本计算
   4.3.3 电荷密度分布
   4.3.4 能带计算与分析
   4.3.5 态密度计算与分析
  4.4 PWmat计算实践流程
   4.4.1 PWmat软件包简介
   4.4.2 PWmat计算设置
   4.4.3 电子结构计算
   4.4.4 VASP、PWmat和Quantum ESPRESSO三种软件输入参数的比较分析
  4.5 赝势平面波方法计算流程小结
  4.6 习题
第5章 全势线性缀加平面波方法
  5.1 引言
  5.2 线性缀加平面波方法
   5.2.1 缀加平面波
   5.2.2 线性缀加平面波
   5.2.3 全势线性缀加平面波
  5.3 基于WIEN2K的计算流程
   5.3.1 计算流程图
   5.3.2 w2web用户界面
  5.4 基于WIEN2K的设计实践方法
   5.4.1 构建晶体结构
   5.4.2 计算的初始化
   5.4.3 电子自洽计算
   5.4.4 结果计算和分析
  5.5 纤锌矿ZnO的基本性质计算实例
   5.5.1 结构的建立
   5.5.2 参数设置
   5.5.3 计算结果与分析
  5.6 习题
第6章 紧束缚密度泛函方法
  6.1 引言
  6.2 紧束缚方法
  6.3 紧束缚密度泛函方法
  6.4 基于DFTB+的设计实践
   6.4.1 DFTB+简介
   6.4.2 Materials Studio中Windows版本支持的集成DFTB+模块
   6.4.3 Linux版本支持的DFTB+输入文件
   6.4.4 电子态密度计算分析
   6.4.5 能带结构计算分析
  6.5 习题
第7章 分子动力学方法
  7.1 引言
  7.2 分子动力学的计算框架
   7.2.1 基本思想
   7.2.2 计算流程
   7.2.3 经典分子动力学中的近似处理
  7.3 分子动力学的系综
   7.3.1 常用系综的分类
   7.3.2 NEV系综的基本方程
   7.3.3 NTP系综质点系的基本方程
  7.4 原子势函数和分子力场的构造
   7.4.1 经典理论的原子势函数
   7.4.2 分子力场
  7.5 数值方法与编程技巧
   7.5.1 边界条件
   7.5.2 时间积分处理
  7.6 计算结果的分析方法
  7.7 分子动力学计算实践流程
   7.7.1 LAMMPS介绍
   7.7.2 利用LAMMPS软件模拟的操作流程
  7.8 习题
第8章 第一性原理分子动力学方法
  8.1 第一性原理分子动力学的理论基础
   8.1.1 从头计算分子动力学
   8.1.2 玻恩-奥本海默分子动力学方法
   8.1.3 CarParrinello分子动力学
  8.2 第一性原理分子动力学计算框架
  8.3 CPMD数值算法
   8.3.1 CarParrinello拉格朗日函数表达式
   8.3.2 CarParrinello运动方程
   8.3.3 正交归一化处理
  8.4 基于CPMD软件包的计算实践流程
   8.4.1 CPMD软件包简介
   8.4.2 计算氢分子的输入文件格式
   8.4.3 输出文件格式
   8.4.4 几何优化
   8.4.5 CarParrinello分子动力学
   8.4.6 进一步的计算任务
  8.5 习题
第9章 蒙特卡罗方法
  9.1 引言
   9.1.1 发展历程和分类
   9.1.2 蒙特卡罗方法和分子动力学方法的比较
  9.2 蒙特卡罗方法的计算框架
   9.2.1 基本思想
   9.2.2 计算流程
  9.3 蒙特卡罗方法的基本原理
   9.3.1 随机过程
   9.3.2 马尔科夫过程
   9.3.3 各态历经假说
   9.3.4 抽样方法
   9.3.5 细致平衡原理（微观可逆性原理）
  9.4 数值算法与编程技巧
   9.4.1 产生随机数
   9.4.2 引入边界条件
   9.4.3 设置截断的规范
   9.4.4 选定初始化
   9.4.5 采用约化单位
  9.5 蒙特卡罗方法的应用
   9.5.1 电场作用下载流子的输运
   9.5.2 自旋模型
   9.5.3 固体表面上粒子的扩散
  9.6 磁性薄膜自旋重取向蒙特卡罗模拟实例分析
   9.6.1 物理模型与算法构建
   9.6.2 程序的实现技术
   9.6.3 用户界面介绍
   9.6.4 软件的基本操作方法
   9.6.5 软件模拟结果及分析
  9.7 习题
第10章 宏观尺度计算方法与电磁散射控制材料设计
  10.1 描述宏观尺度的麦克斯韦方程组
  10.2 频率选择表面的基本概念和电磁响应特性
  10.3 电磁散射理论计算与分析方法
   10.3.1 雷达散射截面的基本概念
   10.3.2 RCS计算方法与分类
   10.3.3 矩量法及多层快速多极子法
   10.3.4 有限元方法
  10.4 基于CST软件包的电磁仿真计算流程
  10.5 习题
第11章 机器学习与材料智能设计
  11.1 材料设计的大数据
   11.1.1 材料基因组工程
   11.1.2 计算材料数据库
   11.1.3 集成化材料计算设计平台
  11.2 机器学习的基本概念
   11.2.1 几类计算问题
   11.2.2 常用的机器学习算法
   11.2.3 神经网络与深度学习
   11.2.4 常见的机器学习编程框架
   11.2.5 GPU加速助力机器学习
   11.2.6 基本训练过程及超参数
  11.3 机器学习在材料计算设计中的典型应用领域
   11.3.1 晶体带隙预测
   11.3.2 催化活性预测
   11.3.3 分子力场构建
  11.4 习题
参考文献
附录A常用缩写术语对照表
附录B常用材料设计软件简介
附录C常用Linux命令
附录D计算材料学课程设计实践专题
附录E典型计算案例
附录F第一性原理计算方法新进展
附录G本书原始文献汇编