本書從密度泛函理論出發，詳細介紹理論框架及其在材料計算中的應用。介紹密度泛函的基礎理論框架及計算編程思路，進而按照解決實際問題的思路，對熱門材料（包括半導體材料和儲能材料）進行具體的計算和分析。本書內容由淺入深、逐步遞進，帶領讀者深入了解密度泛函理論的實際應用和階梯式計算研究的模式。
本書提供詳細的材料計算案例和分析，可以幫助讀者快速了解材料計算和模擬領域的前沿知識，進行實踐研究，適合材料計算和模擬領域的科研人員閱讀，也適合于物理化學、材料化學、計算物理等相關專業的師生閱讀。
結合已有研究成果，按照解決實際問題的思路，采用層層遞進的科學思維，詳細介紹密度泛函理論在計算材料學中的應用
密度泛函理論在材料等領域應用廣泛，許多前沿研究均用到了密度泛函理論的計算方法。
以科研中的實際材料體系的案例為基礎，介紹密度泛函的應用，針對性和指導性強。
主要作者之一為哈師大副校長，黑龍江省杰出青年基金獲得者，哈師大龍江學 者特聘教授。
溫靜 博士，現為哈爾濱師范大學光電帶隙材料教育 部重點實驗室教師，碩士生導師。研究方向為物理與材料計算，主要從事半導體材料晶體、電子結構、電子輸運性質以及儲能材料動力學的理論計算分析研究，發表SCI收錄論文30余篇，主持和參與國家項目3項。 張喜田 博士，現為哈爾濱師范大學副校長，教授，博士生導師，龍江學 者特聘教授，黑龍江省杰出青年科學基金獲得者，黑龍江省高等學校科技創新團隊專 家。研究方向為材料合成及其物理化學性質研究，主持國家項目10余項，發表SCI收錄論文100余篇。
第 1章 密度泛函基礎理論框架 1
1.1 薛定諤方程 1
1.2 交換關聯泛函 5
1.2.1 局域密度近似 6
1.2.2 廣義梯度近似 7
1.2.3 LDA(GGA) U軌道相關泛函 10
1.3 贗勢理論 13
1.3.1 Norm-conserving贗勢 13
1.3.2 Ultrasoft贗勢 16
1.3.3 PAW贗勢 17
1.4 KS方程的解法 19
1.5 晶體總能 21
1.5.1布里淵區積分 21
1.5.2密度自洽步進方法 23
1.5.3總能的計算 23
1.6 結構優化 24
1.7 電子態密度和能帶結構 25
1.7.1 電子態密度 25
1.7.2 能帶結構 26
第 2章 計算實例簡介 28
2.1 半導體材料 28
2.1.1 IMZOm的應用背景 28
2.1.2 IMZOm的實驗特征 33
2.1.3 IMZOm的計算研究概況 37
2.2 儲能材料 40
2.2.1 MXenes的應用背景 40
2.2.2 MXenes的計算研究概況 41
2.3實例計算內容 43
2.3.1 IMZOm的計算內容 43
2.3.2 MXenes的計算內容 50
第3章 半導體材料晶體結構計算 53
3.1 晶體結構存在的問題 53
3.2 計算方法 55
3.3 IMZOm調制結構模型和HRTEM模擬結果 56
3.4 IMZOm結構穩定性的第 一性原理研究 61
3.5 IZOm結構穩定性和形成機制 64
3.5.1 IZOm的不同晶體結構模型 64
3.5.2 結構穩定性和形成機制 66
3.6 計算結論 72
第4章 半導體材料電子結構計算 74
4.1 體系結構關聯的電子結構特征 74
4.2 標準計算結構模型 76
4.3 計算方法 77
4.4 計算結果分析 78
4.4.1 ZnO和In2O3的電子結構 78
4.4.2 IZOm的態密度 80
4.4.3 IZOm的能帶結構 82
4.4.4 IZOm的電子有效質量和最優化輸運路徑 85
4.5 計算結論 89
第5章 半導體納米結構電子輸運性質計算 90
5.1 半導體納米結構電子輸運I-V曲線特征 90
5.2 納米線MSM結構模型 94
5.2.1 空間電荷區的勢能分布 94
5.2.2 納米線的子帶結構 97
5.3 金屬半導體接觸端的電子輸運特征 98
5.3.1 電流的能量分布 100
5.3.2 接觸端區域的電子輸運過程 103
5.4 MSM結構I-V特性曲線特征 105
5.4.1 不同單元位置的電子輸運特征 105
5.4.2 I-V特性曲線 109
5.5 IZOm納米帶電子輸運特征 111
5.5.1 實驗結果 111
5.5.2 MSM結構模擬 112
5.5.3 SCL輸運 113
5.5.4 跳躍輔助的束縛態電子能帶輸運模型 115
5.6 計算結論 118
第6章 儲能材料結構形成機制 120
6.1 MXenes結構形成存在的問題 120
6.2 計算方法 121
6.3 插層Ti3C2的結構特性及形成機理 121
6.3.1純Ti3C2和Ti3C2嵌入單一原子的基態結構 121
6.3.2 Ti3C2與單一原子相互作用的形成機理 124
6.3.3 Ti3C2與F和O相互作用的形成機理 128
6.3.4 Ti3C2與F、O以及H相互作用的形成機理 130
6.3.5 Li插層的形成及其電荷儲存機制 132
6.4計算結論 135
第7章 儲能材料結構動力學變化 137
7.1 MXenes結構變化問題 137
7.2 計算方法 137
7.3 含H基團對Ti3C2Tx結構動力學的影響 138
7.3.1 表面官能團的形成機理 138
7.3.2 Ti3C2Tx的支柱 140
7.4 計算結論 145
第8章 二維儲能材料不同類型離子擴散機理 146
8.1 MXenes的離子擴散問題 146
8.2 計算方法 146
8.3 離子擴散勢能面 148
8.4 離子擴散分子動力學模擬 153
8.5 計算結論 156
參考文獻 157
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