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第1章 第一性原理计算方法 1

1.1物质结构和性质的物理描述 1

1.1.1绝热近似 2

1.1.2经典核近似 2

1.2多电子系统的量子多体理论 3

1.3密度泛函理论 4

1.3.1 Hohenberg-Kohn理论 5

1.3.2 Kohn-Sham方程 5

1.4交换关联泛函 6

1.4.1局域密度近似 7

1.4.2广义梯度近似 8

1.4.3 meta-GGA泛函 9

1.4.4杂化泛函 9

1.4.5随机相近似 10

1.5自洽场方法 10

1.6求解Kohn-Sham方程的方法 11

1.7 GW近似和Bethe-Salpeter方程 11

1.7.1格林函数与自能 11

1.7.2 Hedin方程 12

1.7.3 GW近似 13

1.7.4 Bethe-Salpeter方程 13

参考文献 14

第2章 多种低维材料及其缺陷结构 17

2.1多种低维材料的基本结构 17

2.1.1合金 18

2.1.2结构相变 18

2.2点缺陷 27

2.3边界与界面 35

2.3.1石墨烯、六方氮化硼及其界面内异质结 35

2.3.2过渡金属硫族化合物的边界及相界面 37

2.4拓扑缺陷 41

参考文献 48

第3章 低维材料的力学性质 51

3.1多种低维材料本征力学性质 51

3.1.1石墨烯 51

3.1.2二维过渡金属硫族化合物 57

3.1.3单层黑磷 59

3.1.4拉胀（负泊松比）材料 61

3.1.5石墨烯断裂行为 69

3.2位错与晶界对低维材料力学性质的影响 72

3.2.1碳纳米管 72

3.2.2石墨烯 78

3.2.3二维过渡金属硫族化合物 89

参考文献 91

第4章 低维材料的电子学和光电子学性质 93

4.1多种低维材料的基本电子结构 93

4.1.1石墨烯的基本电子结构 93

4.1.2过渡金属硫族化合物的基本电子结构 99

4.1.3单层黑磷的基本电子结构 103

4.1.4其他二维材料的电子结构 111

4.2低维材料的光电子学性质 114

4.2.1多种二维材料的光电子学性质 115

4.2.2激子效应 117

4.2.3光电子学性质的调制 131

4.3各种缺陷对低维材料电子学和光电子学性质的影响 135

4.3.1点缺陷 135

4.3.2位错与晶界 140

4.4异质结对光电子学性质的调控 155

4.4.1能带对齐与异质结种类 155

4.4.2纵向异质结 158

4.4.3横向异质结 161

参考文献 163

第5章 低维材料的磁学性质 169

5.1磁学性质的基本概念 169

5.2石墨烯中的磁性 170

5.2.1边缘效应 170

5.2.2缺陷 178

5.3二硫化钼中的磁性 189

5.3.1边缘效应 189

5.3.2缺陷 193

5.4其他低维材料中的磁性 196

5.4.1缺陷引入的磁性 196

5.4.2具有固有磁性的二维材料 199

5.4.3载流子掺杂 205

参考文献 209

第6章 低维材料热输运性质 211

6.1热输运基本概念 211

6.2热导率的计算方法 212

6.2.1 Green-Kubo线性响应理论 212

6.2.2直接法 216

6.2.3声子玻尔兹曼输运方程 220

6.2.4 Landauer-非平衡格林函数法 224

6.3结构、缺陷等对热输运性质的调控 229

6.4低维材料热输运应用——热整流 251

参考文献 254

第7章 其他新奇低维材料 259

7.1低维铁电材料 259

7.1.1铁电极性与相转变 260

7.1.2居里温度与相变 264

7.1.3铁电畴壁 267

7.1.4其他低维铁电材料 268

7.2低维铁弹材料 271

7.3低维压电材料 273

7.4二维铁电、铁弹和压电材料的应用 276

7.5低维超导材料 278

7.6低维拓扑绝缘体材料 285

参考文献 296

第8章 新型低维材料预测 300

8.1新结构的预测方法 300

8.2新型低维材料及其缺陷结构与性质的预测 305

8.2.1硼烯的结构预测及其实验发现 305

8.2.2其他重要二维材料的预测 310

8.3材料逆向设计 324

8.3.1具有特定电子结构的材料 324

8.3.2超硬材料 325

8.4高通量数据挖掘 328

8.4.1二维材料筛选 328

8.4.2催化剂筛选 331

参考文献 336

第9章 几种典型低维材料的生长机制 340

9.1碳纳米管的生长机制 340

9.1.1螺旋位错理论 340

9.1.2碳纳米管手性生长理论模拟 342

9.1.3碳纳米管生长中的缺陷 349

9.2石墨烯的生长机制 351

9.2.1密度泛函研究 351

9.2.2相场模拟 371

9.2.3石墨烯纳米带/片的制备 372

9.3二维氮化硼及过渡金属硫族化合物的生长机制 376

9.4硼烯和磷烯的生长机制 382

参考文献 383

第10章 计算材料学在低维材料应用中的作用 386

10.1储能应用 386

10.2催化应用 394

10.2.1产氢反应 394

10.2.2氧还原反应 412

10.2.3二氧化碳还原反应 416

10.2.4光电催化反应 422

10.3热电应用 426

参考文献 431

关键词索引 436