Thermodynamics and Kinetics in Materials Science pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Oxford Univ Pr

作者:Bokstein, Boris S./ Mendelev, Mikhail I./ Srolovitz, David J./ BOKSHTEIN, B. S.

出品人:

页数:344

译者:

出版时间:2005-9

价格:$ 96.05

装帧:Pap

isbn号码:9780198528043

丛书系列:

图书标签:

材料科学
热力学
动力学
相图
材料性能
材料结构
热处理
扩散
相变
化学反应

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具体描述

This text presents a concise and thorough introduction to the main concepts and practical applications of thermodynamics and kinetics in materials science. It is designed with two types of uses in mind: firstly for a one or two semester university course for mid- to upper-level undergraduate or first year graduate students in a materials-science-oriented discipline and secondly for individuals who want to study the material on their own. The following major topics are discussed: basic laws of classical and irreversible thermodynamics, phase equilibria, theory of solutions, chemical reaction thermodynamics and kinetics, surface phenomena, stressed systems, diffusion and statistical thermodynamics. A large number of example problems with detailed solutions are included as well as accompanying computer-based self-tests, consisting of over 400 questions and 2000 answers with hints for students. Computer-based laboratories are provided, in which a laboratory problem is posed and the experiment described. The student can "perform" the experiments and change the laboratory conditions to obtain the data required for meeting the laboratory objective. Each "laboratory" is augmented with background material to aid analysis of the experimental results.

凝聚态物理中的电子结构与材料设计（A Comprehensive Text on Electronic Structure Theory and Materials Design in Condensed Matter Physics）本书简介本书深入探讨了凝聚态物理学中电子结构理论的核心概念、计算方法及其在先进材料设计中的实际应用。我们聚焦于理解和预测材料的宏观物理性质如何源于其微观的电子态分布。全书结构严谨，内容涵盖了从基础的量子力学原理到尖端的密度泛函理论（DFT）及其高级扩展，旨在为研究生和高级研究人员提供一个全面、深入且具有前瞻性的学习资源。第一部分：量子力学基础与多体理论的引入本书伊始，我们重温了描述材料中电子行为所必需的量子力学基石。这不仅包括薛定谔方程的推导和波函数的基本性质，更重要的是，我们详细阐述了单电子近似的局限性，并引入了多体波函数理论的必要性。晶体周期性与能带理论的构建：我们从布洛赫定理出发，系统地推导了晶体材料的电子能带结构，详细讨论了布里渊区、费米面、有效质量的概念及其对输运性质的决定性影响。特殊结构如狄拉克锥和能带反转等现象在半导体和拓扑材料中的体现被深入分析。从哈特里-福克到相关效应：我们首先介绍了平均场近似——哈特里-福克（HF）方法，清晰地界定了其在处理电子间库仑排斥时的基本假设和内在缺陷，特别是对电子间关联效应的忽略。随后，本书引入了电子-电子相互作用在凝聚态系统中的重要性，为后续更精确的密度泛函理论（DFT）做好了理论铺垫。第二部分：密度泛函理论（DFT）的原理与实践密度泛函理论是现代材料科学计算模拟的支柱。本书用大量篇幅系统阐述了DFT的理论框架、实际算法实现及其在处理复杂系统时的挑战与机遇。霍恩伯格-科恩定理的严格论证：我们详细回顾了DFT的两个核心定理，强调了能量作为电子密度的泛函这一革命性观点。在此基础上，我们深入剖析了 Kohn-Sham 轨道方程的构建过程。交换关联泛函的演变与精度评估：本部分是本书的重点之一。我们分类讨论了从局部密度近似（LDA）到广义梯度近似（GGA），再到后GGA（meta-GGA）的理论发展历程。针对每类泛函，我们不仅阐述其数学形式，还通过大量实际案例对比了它们在计算晶格常数、结合能和能带隙方面的优劣。特别地，我们讨论了如何利用Hubbard U项（Hubbard $U$）来修正过渡金属和稀土元素中$d$和$f$电子的定位行为。计算方法：基组与求解器：书中详尽介绍了平面波展开法、赝势的构建（包括PAW和超软赝势）以及在电子结构计算中线性方程组的求解算法，如共轭梯度法和拟牛顿法。这部分内容为读者提供了将理论转化为可运行代码所需的实践知识。第三部分：超越标准DFT的先进方法鉴于标准DFT在描述某些现象时的系统性误差（例如，半导体和绝缘体的能带隙过小，或范德华相互作用的缺失），本书专门辟出章节讨论了解决这些限制的高级理论方法。多体微扰论（GW近似）：我们详细介绍了 GW 方法如何通过考虑电子的自能函数来精确计算电子的准粒子激发能。本书清晰地推导了 $G$（格林函数）和 $W$（屏蔽库仑势）的计算流程，并展示了 GW 方法在精确预测半导体光电性质中的优越性。动态平均场理论（DMFT）：针对强关联系统，本书引入了 DMFT 框架。我们解释了如何将一个局域的、高维的电子相互作用问题映射到一个时间维度上的辅助杂质模型，并通过迭代求解将晶格问题转化为对局域格林函数的求解，从而捕捉到具有莫特绝缘体特性的材料行为。范德华相互作用的引入：针对层状材料、分子晶体和表面吸附体系，我们讨论了非局域色散力（vdW）的必要性。本书阐述了基于后HF修正的DFT-D方法（如Grimme的D3修正）以及更具理论完备性的随机相位近似（RPA）计算范德华校正的实施细节。第四部分：电子结构导向的材料性能预测本书的最后部分将理论工具与实际材料科学问题紧密结合，展示了电子结构计算如何驱动材料的创新。缺陷工程与电子性质调控：我们利用DFT计算方法，系统分析了点缺陷（空位、间隙原子、取代杂质）对半导体和氧化物材料能带结构、载流子浓度和光学吸收边的影响。这部分内容侧重于如何通过精确控制缺陷类型和浓度来实现材料性能的定向优化。拓扑材料的电子拓扑不变量：深入探讨了拓扑绝缘体和狄拉克/Weyl半金属的电子结构特征。本书解释了如何利用贝里相位、拓扑不变量（如$Z_2$不变量）来区分拓扑相态，并展示了计算工具如何识别表面或界面上的受保护的无能隙态。激发态光谱的模拟：除了基态性质，本书还覆盖了对激发态现象的模拟，包括X射线吸收谱（XAS）、光电子能谱（XPS）的计算，以及如何利用线性响应理论计算铁电材料中的声子散射和介电响应。本书内容翔实，图表丰富，旨在为读者提供一个从第一性原理到先进计算模拟的完整知识链，使他们能够独立地使用和开发先进的电子结构计算工具来解决复杂的材料科学难题。