Theory and Applications of Density Functional Theory pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:L. J. Sham

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1989-02

价格:USD 38.00

装帧:Paperback

isbn号码:9789971506995

丛书系列:

图书标签:

• 第2本书
• Density Functional Theory
• Quantum Chemistry
• Computational Chemistry
• Electronic Structure
• Materials Science
• Physics
• Chemistry
• Solid State Physics
• Molecular Modeling
• DFT

《密度泛函理论：原理与实践》 概览 《密度泛函理论：原理与实践》是一部深入探讨密度泛函理论（DFT）的著作，旨在为理论化学、凝聚态物理、材料科学以及量子化学等领域的研究人员提供一套全面且实用的指导。本书的核心在于阐释DFT作为一种计算方法，如何通过局限于电子密度来近似解决多电子体系的薛定谔方程，从而以较低的计算成本获得高精度的能量和结构信息。本书不仅梳理了DFT的理论基石，更着重于其在不同研究方向的广泛应用，力求 bridging the gap between fundamental principles and practical implementation. 理论基础 本书的理论部分将从 Hohenberg-Kohn 定理出发，详细介绍 DFT 的核心思想。我们将深入剖析 Kohn-Sham (KS) 方程的由来及其在实际计算中的重要性，并对其中的关键组成部分——交换-关联泛函（exchange-correlation functional）进行详尽的讨论。本书将介绍一系列重要的泛函近似，包括 LDA (Local Density Approximation)、GGA (Generalized Gradient Approximation) 以及 meta-GGA 等，并分析它们各自的优势、局限性以及在不同体系中的适用性。此外，对于更高级的泛函，如混合泛函（hybrid functionals）及其在描述特定性质（例如，化学反应能、激发态性质）方面的卓越表现，也将进行深入的探讨。本书还将涉及自旋极化、非对地常态体系的 DFT 处理，以及基组的选择和收敛性判据等实际计算中不可或缺的细节。 计算方法与软件 在理论框架构建的同时，本书高度重视DFT在实际计算中的应用。我们将介绍常用的 DFT 计算软件，例如 VASP、Quantum ESPRESSO、Gaussian、Q-Chem 等，并提供关于如何有效地使用这些软件进行计算的指导。本书将详细阐述计算流程，包括几何优化、电子结构计算、性质分析等关键步骤。对于初学者，本书将提供循序渐进的入门指导，帮助其快速掌握 DFT 计算的基本操作。对于有经验的研究者，本书将深入探讨一些高级的计算技巧，例如赝势（pseudopotentials）的选择与构建、Bloch 展开的参数设置、以及如何处理周期性边界条件下的体系。此外，本书还将涉及如何进行收敛性测试，以确保计算结果的可靠性。 核心应用领域 本书的重点在于展示 DFT 的强大应用能力，覆盖了众多前沿研究领域。 凝聚态物理与材料科学: 晶体结构与性质预测: DFT 是预测新材料结构、稳定性和基本性质（如弹性模量、介电常数、磁性）的强大工具。本书将展示如何利用 DFT 计算晶格常数、原子位置，以及如何分析电子能带结构，从而理解材料的导电性、光学性质等。 表面与界面科学: 涉及吸附、催化、腐蚀等过程的表面与界面现象，是 DFT 应用的重要方向。本书将探讨如何模拟表面结构、吸附物种与表面的相互作用，并分析催化反应机理。 相变与缺陷: DFT 能够有效地模拟材料在不同温度和压力下的相变行为，并对点缺陷、位错等进行深入研究，从而理解其对材料性能的影响。 二维材料: 石墨烯、过渡金属硫化物等二维材料以其独特的电子和光学性质引起广泛关注。本书将重点介绍 DFT 在研究这些材料的电子结构、机械性能以及与其他物质的相互作用方面的应用。 电子器件设计: 从半导体材料的能带工程到有机电子器件的电荷传输机制，DFT 在理解和设计新型电子器件方面发挥着至关重要的作用。 量子化学与分子科学: 分子结构与光谱性质: DFT 计算可以精确预测分子的几何构型、键长、键角，并模拟多种光谱性质，如红外、拉曼、核磁共振 (NMR) 和紫外-可见吸收光谱。 化学反应机理: DFT 是揭示化学反应路径、过渡态结构、反应能垒和活化能的有力工具，对于理解催化、有机合成等过程至关重要。本书将介绍如何构建反应路径，计算反应动力学参数。 非共价相互作用: 分子识别、药物设计、自组装等过程中涉及复杂的非共价相互作用（如氢键、π-π 堆积、范德华力）。本书将探讨 DFT 如何量化这些相互作用的强度和性质。 激发态性质: 了解分子的激发态对于光化学、光物理过程（如荧光、磷光、光合作用）至关重要。本书将介绍 TD-DFT (Time-Dependent Density Functional Theory) 的原理及其在计算吸收光谱、发射光谱和光解反应中的应用。 溶液化学: 溶剂效应对分子性质和反应过程有显著影响。本书将介绍如何使用 DFT 结合 Implicit 和 Explicit 溶剂模型来模拟溶液中的化学现象。 进阶主题与未来展望 除了上述核心内容，本书还将触及一些更具挑战性的进阶主题。 多体效应与强关联体系: 对于一些具有强电子关联的体系，传统的 DFT 方法可能面临局限性。本书将简要介绍 LDA+U、DMFT (Dynamical Mean-Field Theory) 等方法，为研究这些体系提供初步的指导。 机器学习与 DFT 的结合: 机器学习在预测泛函、加速计算等方面展现出巨大潜力。本书将探讨如何将机器学习技术与 DFT 相结合，以提高计算效率和预测精度。 非平衡态性质: 探索材料在非平衡态下的响应，例如在外场作用下的性质变化，将为理解材料的动力学行为提供新的视角。 本书的最后部分将对 DFT 的未来发展方向进行展望，包括开发更高精度的泛函、处理更大规模体系、以及与其他计算方法的融合，以期为读者在 DFT 研究领域提供更广阔的视野和更深入的思考。 《密度泛函理论：原理与实践》致力于成为一本集理论深度、计算实践与前沿应用为一体的权威参考书，帮助读者在各自的研究领域中充分发挥 DFT 的潜力。

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坦白说，这本书的阅读体验是极具挑战性的，但也是极其丰厚的。我花了比预期更长的时间来消化其中关于非局域性和自相互作用误差（Self-Interaction Error, SIE）的章节。作者在处理这些前沿和棘手问题时，采取了一种近乎偏执的细致。他们没有回避DFT中最核心的哲学难题——如何用一个精确的密度泛函来描述一个非平凡的电子系统。我尤其欣赏作者对不同近似泛函（如 Meta-GGA 及其更高阶的修正）的批判性回顾，这不仅仅是文献综述，而更像是一场关于理论可靠性的辩论。这种深入探讨使得读者无法满足于“结果对了就行”的态度，而是被迫去理解“为什么是对的”以及“在什么条件下会出错”。对于那些已经掌握了基础量子力学，并试图在自己的研究领域内实现“精确”计算的进阶用户而言，这本书提供的理论深度是不可替代的。它迫使你重新审视你过去使用的每一个计算参数的合理性，这种被挑战的感觉，恰恰是学术进步的驱动力。

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这本《理论与应用：密度泛函理论》给我的感觉，就像是终于找到了一把能打开量子化学复杂迷宫的钥匙。在深入研读之前，我对DFT的印象还停留在教科书上那些抽象的公式和略显神秘的近似上，总觉得它离实际应用有一段距离。然而，这本书的叙述方式彻底改变了我的看法。它不仅仅是简单地罗列公式，而是非常巧妙地将理论框架与实际计算步骤编织在一起。例如，在介绍 Kohn-Sham 方程时，作者没有止步于数学推导，而是用大量的篇幅解释了不同泛函（尤其是 LDA 和 GGA）背后的物理图像和它们在处理电子相关能时的局限性与优势。这种结合让我明白了，选择一个合适的泛函，远比盲目套用公式重要得多。书中的插图和图表也极具洞察力，帮助我清晰地可视化了势能面和能量密度随空间变化的复杂性。对于一个希望将DFT工具真正应用到材料科学或药物设计中的研究者来说，这本书提供的深度和广度是无与伦比的，它真正做到了“理论”与“应用”的无缝对接，让人读起来既有严谨的学术训练，又不失解决实际问题的实操性。

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这本书的结构安排简直是一次精妙的叙事。它从基础的 Hohenberg-Kohn 定理出发，如同建立摩天大楼的地基，然后逐步搭建起 Kohn-Sham 体系，最后才引向那些令人眼花缭乱的现代泛函家族。最让我感到惊喜的是，作者在讲解如何**实现**这些理论时所展现出的工程智慧。他们没有仅仅停留在纯数学层面，而是引入了大量的数值积分、基组选择（如平面波基组与高斯型轨道）对计算效率和精度的影响，以及如何处理周期性边界条件等实际操作中的痛点。这部分内容对于刚接触计算模拟的博士生来说，简直是及时的雨露，因为它弥补了许多标准教材中过于理想化的描述。我可以清晰地看到，从理论推导到代码输出，中间需要克服的障碍是什么，以及理论家们是如何巧妙地绕过或解决这些障碍的。这本书让人感觉，DFT 不仅仅是一套优雅的数学公式，它更是一套需要精湛技艺才能驾驭的计算引擎。

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这本书给我最大的启发，在于它如何成功地将“密度”这个看似简单的物理量，提升到了描述整个多电子体系复杂行为的核心地位。作者在探讨密度泛函的构建历史时，非常详尽地追溯了 Hartree-Fock 方法的局限性，并以此为契机，引出了用密度来代替波函数这一范式转变的深刻意义。特别是在处理电子局域化和相关性问题时，书中对泛函演进的描述，仿佛在讲述一部波澜壮阔的科学史诗。它不仅教我如何“使用”DFT，更重要的是，它让我理解了 DFT 为什么会成为现代计算物理的基石。这种对理论根源的深刻挖掘，对于那些希望未来能自行开发新型泛函或修正现有模型的科研人员来说，是至关重要的理论基石。这本书的价值在于，它提供了一个坚实的思想框架，让你在面对任何前沿计算挑战时，都能回溯到最基本的原理，从而找到突破口。

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我必须指出，这本书的叙述风格极其严谨，可能对初学者不太友好，但对于有志于深入研究计算化学或凝聚态物理的人来说，却是如获至宝。它的行文节奏非常平稳，几乎没有“花哨”的语言，每一句话都承载着明确的物理或数学信息。我特别欣赏作者在讨论时间依赖性DFT（TD-DFT）时所采取的立场：既展示了其在激发态计算中的强大威力，也毫不避讳地指出了其在描述高能激发和电荷转移问题时的固有缺陷（如对带隙的系统性低估）。这种平衡、客观的论述方式，建立起了一种基于事实的信任感。读完相关章节后，我对自己未来在模拟光谱和光电性质时应持有的审慎态度有了更清晰的认识。它不是一本“速成手册”，而是一部需要沉下心来，反复研读、甚至需要笔记和草稿纸辅助才能完全吸收的经典之作。

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