本书为“低维材料与器件丛书”之一。由于低维材料的特殊性，其在量子和统计行为上都有别于三维的块体材料，对其深入理解需借助基于量子力学的第一性原理方法。以第一性原理方法在低维材料中的研究为主线，本书涵盖的内容包括第一性原理计算方法、多种低维材料及其缺陷结构、低维材料的力学、电子学和光电子学、磁学和热输运性质、其他新奇低维材料（包括铁电、铁弹、压电、超导和拓扑绝缘体材料）、新型低维材料预测、几种典型低维材料的生长机制及计算材料学在低维材料应用中的作用。
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总序
前言
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
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