本书是半导体材料计算领域的实用指南，通过“输入—计算—分析”全链路案例与实用工具（VASP等从头算相关软件），系统讲解半导体材料计算、模拟的核心知识。内容涵盖半导体基础理论、从头算方法及软件、静态能计算、缺陷形成能分析、能带结构、态密度及电荷密度分析、光学性质、磁性理论、声子理论等核心模块，此外还探讨了二维材料、催化等前沿热点。书中通过典型实例手把手教学，配套二维码提供书中彩图，还包括参数文件、常用软件及工具包获取链接，帮助读者复现计算结果，攻克“参数设置难”“结果不收敛”等实操瓶颈。
本书既适合材料科学、微电子等领域工程师、科研人员阅读，以快速掌握半导体计算与模拟技能，也可作为高等院校相关专业的教材。

第1章半导体简介 001
1.1半导体的基本性质002
1.2半导体的应用010
1.3未来趋势与挑战011
参考文献011

第2章从头算方法简介 012
2.1从头算原理013
2.2从头算的应用场景013
2.3如何学习从头算019
2.4从头算相关软件与工具简介020
2.4.1VASP与CASTEP软件020
2.4.2部分应用软件与工具022

第3章静态能 025
3.1DFT026
3.2DFT+U031
3.3杂化泛函032
3.4GW033
3.5功函数034
3.6弹性张量等力学性质035
3.7不收敛的处理方法038
参考文献039

第4章缺陷形成能 040
4.1缺陷简介041
4.2带电缺陷044
4.3表面吸附046
参考文献049

第5章能带结构 050
5.1半导体能带051
5.1.1无外场下的能带051
5.1.2有外场下的能带053
5.1.3能带计算054
5.2金属能带058
5.3拓扑半金属能带059
5.4有效质量计算060
5.5三维色散曲线062
5.6缺陷浓度效应063

第6章态密度分析 065
6.1半导体态密度066
6.1.1Si的态密度066
6.1.2CdSe的态密度067
6.2半导体杂质能级及态密度分析068
6.3绝缘体态密度069
6.4金属态密度070
6.5投影态密度071
6.6d带中心073
6.7波函数074

第7章电荷密度分析 076
7.1半导体电荷密度077
7.1.1平均电荷密度计算077
7.1.2半导体静电势080
7.1.3电荷密度空间分布082
7.2绝缘体电荷密度083
7.3Bader电荷083
7.4电荷密度分析应用084
7.5其他电荷密度计算087

第8章光学性质 089
8.1光学性质简介090
8.2纯Si的吸收光谱093
8.3缺陷的吸收光谱097
8.3.1中性缺陷097
8.3.2带电缺陷101
8.3.3跃迁偶极矩102
8.4荧光光谱103
参考文献104

第9章磁性理论 105
9.1磁性理论简介106
9.2磁性能量计算109
9.2.1O2自旋极化磁性计算110
9.2.2VSi缺陷磁性计算113
9.2.3双晶胞磁性计算115
9.3磁性色散曲线计算118
9.4自旋态密度及自旋分波态密度计算119
9.5自旋轨道耦合计算121
9.6缺陷诱导磁性的案例122
9.7磁性研究前沿125
参考文献126

第10章声子理论 127
10.1声子理论简介128
10.2声子色散曲线及态密度计算131
10.2.1含一种原子的声子色散曲线131
10.2.2含两种原子的声子色散曲线134
10.3热力学性质计算138
10.4模式格林艾森参数138
10.5声子输运性质140

第11章材料计算热点简介 142
11.1二维材料简介143
11.1.1表面建模143
11.1.2二维材料对称性147
11.1.3异质结能带对齐148
11.1.4材料表面钝化150
11.1.5二维材料的力学性质计算150
11.1.6二维材料的光学性质计算152
11.2催化153
11.2.1台阶图153
11.2.2d带中心159

附录 160
附录1230种三维空间群的标记表160
附录2vi常用命令162
附录3gnuplot使用简介164
附录4Python用法简介165
附录5sumo工具167
附录6vaspkit使用简介169

我们生活中到处可见半导体材料。半导体材料在芯片、太阳能电池、辐射探测、航空航天等领域都有广泛应用。通过计算机对材料性质进行模拟，与开展实验研究同等重要。目前，大量研究人员都需要系统地学习计算机模拟的基础知识。
从头算软件能精确预测材料的性能，主要分为两类。一类软件如高斯（Gaussian）软件，主要处理小分子体系的能级，其主要用户是从事量子化学计算的人员。另一类软件如VASP，主要处理具有周期性边界条件的各种材料，其主要用户是从事物理和材料研究的人员。本书主要讨论VASP系列的从头算软件。目前，大多数图书主要讲授从头算理论。本书试图从计算实例出发，提供相应的输入文件及输出结果，帮助读者逐渐了解材料计算的过程、计算中的注意事项，以及出错后如何修改模拟参数，同时对计算结果给出一些理论分析。通过扫描二维码，可获得各个实例的参数文件，让读者快速上手获得计算结果。现在二维材料模拟研究非常热门，本书也介绍典型二维材料模拟的实例。最近有学者提出了交变磁性概念，本书也会对这些内容做简单介绍。目前不同软件都有使用说明书，当计算遇到难收敛等问题时，初学者不容易独立解决问题。本书试图对主流模拟软件的参数进行讲解，对不收敛情况进行分析。本书也列出来一些模拟中常见的计算问题及解决方案，方便读者遇到模拟问题时，快速寻找相应解决方案。现在，从头算方法可以和机器学习、人工智能技术相结合，开展高通量材料计算，这些技术为从头算注入了新的活力。
本书分11章：第1章介绍半导体的基本知识；第2章介绍从头算基本理论；第3章讲解如何计算静态能及静力学的性质；第4章讲解缺陷形成能；第5章讲解能带结构；第6章讲解态密度；第7章讲解电荷密度及应用；第8章讲解光学性质；第9章讲解磁性理论；第10章讲解声子理论；第11章介绍二维材料的计算实例及催化计算的基本概念。
作者2009年在美国加州大学伯克利分校接触到MedeA-VASP，在教学、科研及指导学生过程中，积累了一些MedeA-VASP的计算经验，也有一些使用CASTEP的计算经验。美国加州大学伯克利分校的于鑫（Peter Yu）教授著有《半导体基础》（Fundamentals of Semiconductors），曾经给作者及他的学生共同讲授了半导体物理的理论，作者受益匪浅。于鑫教授曾说过，半导体缺陷的研究复杂，可以研究一辈子。作者因此一直从事对缺陷进行计算机模拟的工作。近年来，作者给源资科技有限公司做过一些短期培训，因此结合教学讲稿和自身经验整理成书，希望本书能够为读者从事半导体等材料的理论计算提供参考。模拟遇到问题时，也可在各类网络论坛（如“小木虫”）上与热心的网友讨论。目前，一些人工智能软件如豆包、ChatGPT，也可以给出一些计算建议，然而有些人工智能生成的参数并不准确，需多次尝试。作者期待通过本书的各个实例介绍，帮助新接触从头算的读者更快地熟悉材料计算及结果分析。
作者水平有限，如果有疏漏的地方，希望读者批评指正。

编著者
于北京