本书面向高年级本科生和研究生，系统介绍了计算材料学的核心理论与方法。内容涵盖从固体物理的基础知识（如晶体结构、电子能带和声子谱）到量子力学中的近似方法（如变分法和微扰理论），再到哈特里-福克方法与密度泛函理论等第一性原理计算方法。此外，本书还深入探讨了赝势理论及其在固体材料计算中的应用，并结合具体算例，通过上机实验帮助读者掌握结构优化、能带计算等关键技能。同时，本书扩展介绍了分子动力学、相场法等可模拟较大时间和空间尺度的计算方法，以及近年来兴起的机器学习和材料基因组技术。特别是针对铁电材料的多尺度模拟实例，展示了如何整合不同计算方法，实现材料的理性设计与优化。最后，本书提供了若干电子材料相关的典型算例，包括半导体、铁磁、自旋和拓扑材料等，这些算例均可通过开源软件完成。 本书可作为相关专业本科生和研究生的教材，同时也可为从事计算材料学研究的科研人员提供参考。希望通过本书的学习，帮助读者系统掌握计算材料学的基本理论与方法，为从事相关领域研究和开发奠定基础。

刘仕，2009年本科毕业于中国科学技术大学，2015年博士毕业于美国宾夕法尼亚大学，博士后工作于华盛顿卡内基研究所和美国陆军研究所，现为西湖大学理学院特聘研究员、博士生导师。先后入选浙江省和国家海外高层次人才引进计划青年项目。长期从事计算物理和计算材料学方向的研究工作，综合运用第一性原理密度泛函理论计算和大尺度分子动力学，研究功能氧化物和量子材料的构性关系。2017年获美国物理学会计算物理领域Nicholas Metropolis Award。自2013年以来，共参与发表文章50余篇，包括Nature, Nature Materials, Physical Review Letters， Materials Horizons等。目前主持国家科技部重点研发青年科学家项目、国家自然科学基金委面上项目、青年科学基金项目等多个项目。

前言 　　计算材料学是理论物理、凝聚态物理、量子化学、材料科学与计算机科学交叉而形成 的一门新兴学科。计算材料学通过建立描述材料行为的模型和借助计算机越来越强大的计 算能力，来模拟和研究材料行为。材料模拟与计算已成为先进纳米材料、电子材料、能源材 料、极端环境服役高性能材料等研究和工程中不可或缺的重要方法和工具，也是连接理论 研究和实验研究的桥梁。基于“实验—模拟—计算—数据”的系统研究模式旨在减少新材 料冗长的开发周期和巨大的成本，已逐渐成为材料科学研究的基本范式。作为一门新兴的 交叉学科，计算材料学涉及的内容十分庞杂，对于计算材料方法的理解既需要掌握凝聚态 物理和量子力学中的基本概念，也需要对算法和编程有一定的了解。本书面向高年级本科 生和研究生，遴选计算材料学中的核心理论和方法，由浅入深、循序渐进地向读者介绍各 种计算物理方法的起源、理论基础、公式推导和发展趋势，进而阐明不同计算方法之间的 关联性和互补性。本书一方面重视公式推导，另一方面也提供了大量的计算模拟实例，通 过具体的案例剖析和上机计算，让学生掌握电子材料模拟的基本思路和方法。 　　第 1 章重点介绍固体物理中最为基本的概念，包括晶体的结构与对称性、固体中的电 子与声子。对于能带理论和晶格动力学的理解是开展计算材料模拟的前提。同时，电子能 带和声子谱也是我们研究电子材料时最常计算的物理性质，能帮助我们理解材料的光吸收、 电输运、结构稳定性、热输运等关键性能。本章由施建章主笔。 　　第 2 章介绍量子力学中的近似方法，主要包括绝热近似、变分法和微扰理论。这些内 容对于已经学...