电子结构晶体学

电子结构晶体学是一门以研究固体中电子结构及其性质为目的的晶体学实验科学，结合了晶体学实验方法和电子结构的量子理论，是一门交叉学科，是当前晶体学研究前沿领域之一。材料的本征性能主要由其电子结构决定。电子结构可采用电子密度、电子波函数或电子密度矩阵描述，其中电子密度的傅里叶变换（结构因子）可通过散射实验测定，因此，材料电子密度可以通过实验测试获得，称为实验电子密度。而且，通过建立合适的理论模型，采用一定的精修技术，可进一步重构出材料的实验电子波函数或实验电子密度矩阵，用于材料物化性能的计算。本书主要介绍采用散射方法（主要是X射线单晶衍射，也包括极化中子衍射和康普顿散射）研究晶体材料的实验电子结构（包括实验电子密度、实验电子波函数或实验电子密度矩阵）的相关理论和精修技术，主要包括散射实验、原子热振动分析、电子结构理论模型、精修重构及拓扑分析中涉及的基本理论，并对电子结构测试仪器区射线单晶衍射仪）与电子结构晶体学的应用做了基本介绍。本书可作为涉及功能晶体材料结构与性能研究的化学、物理、材料学科研究生和科研工作者的教材或参考书。

姜小明，1984年生，中国科学院福建物质结构研究所副研究员，硕士生导师，2006年本科毕业于中南大学无机非金属材科工程系，2011年博士毕业于中国科学院福建物质结构研究所无机化学专业，2011～2015年先后在南京大学物理学专业和德国慕尼黑工业大学从事博士后研究，主要从事材料结构化学、电子结构晶体学、非线性光学晶体材料研究。主持过中国科学院青年促进会基金项目，福建省自然科学基金项目，国家自然科学基金青年科学基金项目、面上项目以及国家重大科研仪器研制项目子课题的研究。已在National Science Review, CCS Chemistry, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie等杂志上发表论文80余篇。

序一
序二
前言
第1章 电子结构晶体学概述
1.1 引言
1.2 电子结构晶体学的发展历史
1.2.1 X射线晶体学和量子力学的开端
1.2.2 实验电子结构研究的萌芽时期
1.2.3 赝原子模型的发展
1.2.4 实验电子密度矩阵模型的发展
1.2.5 实验电子波函数模型的发展
1.2.6 电子衍射研究电子结构技术的发展
1.3 电子结构的描述
1.3.1 电子密度
1.3.2 残余密度
1.3.3 差分密度
1.3.4 电子波函数与密度矩阵
参考文献
第2章 电子密度函数的第一性原理计算
2.1 引言
2.2 从头计算方法的基本框架与假设
2.3 密度矩阵与密度函数
2.3.1 基本定义
2.3.2 电子密度
2.3.3 动量密度
2.4 Hartree-Fock(HF)和Kohn-Sham(KS)方法
2.4.1 基本理论框架
2.4.2 HF与KS方程的周期性解
2.4.3 晶态密度矩阵与密度函数的计算
2.4.4 赝势
2.4.5 基组
参考文献
第3章 电子结构的拓扑指标与性质
3.1 引言
3.2 分子中的拓扑原子分析
3.2.1 电子密度的拓扑描述
3.2.2 梯度矢量场与拓扑原子
3.2.3 键路径与分子拓扑图
3.2.4 拉普拉斯量
3.2.5 拓扑化学键性质
3.2.6 拓扑原子性质
3.3 化学相互作用分析
3.3.1 源函数
3.3.2 电子局域函数
3.3.3 约化密度梯度函数
3.4 密度矩阵的粗粒化与能量划分
3.4.1 密度矩阵在实空间中的划分
3.4.2 能量划分
3.4.3 电子布居统计
3.5 空间划分
3.5.1 *-空间划分
3.5.2 电子布居分析
3.5.3 准连续分布
3.5.4 电子局域指标
3.6 分子间相互作用能
3.6.1 实验电子密度的相互作用能
3.6.2 静电相互作用的赝原子表示
3.6.3 非静电相互作用
3.6.4 晶格能
3.6.5 实验电荷分析获得相互作用能
参考文献
第4章 电子结构的实验测试原理
4.1 引言
4.2 热振动分析
4.2.1 晶格动力学
4.2.2 原子位移参数
4.2.3 刚性片段分析
4.2.4 中子衍射辅助分析
4.3 散射实验
4.3.1 X射线衍射
4.3.2 极化中子衍射
4.3.3 康普顿散射
4.4 实验电子结构的精修算法
4.4.1 最小二乘法
4.4.2 优选熵法
参考文献
第5章 赝原子模型
5.1 引言
5.2 独立原子模型
5.3 Kappa模型
5.4 多极模型
5.4.1 多极球谐函数
5.4.2 实球谐密度函数
5.4.3 径向分布函数
5.4.4 多极模型框架
5.4.5 非球形原子散射因子
5.4.6 芯电子层扩展的多极模型
5.5 自旋密度模型
5.5.1 纯自旋贡献
5.5.2 自旋和轨道贡献
5.5.3 非共线磁性
5.5.4 电子密度与自旋密度的组合精修
5.6 其他电子密度模型
5.6.1 X射线原子轨道模型(XAO)
5.6.2 X射线分子轨道模型(XMO)
5.6.3 分子轨道布居模型(MOON)
参考文献
第6章 密度矩阵模型
6.1 引言
6.2 密度矩阵模型
6.2.1 密度矩阵的定义
6.2.2 密度矩阵的局域模型
6.3 密度矩阵与散射实验的关联
6.3.1 动态散射因子
6.3.2 静态结构因子
6.3.3 弹性散射
6.3.4 非弹性散射
6.4 密度矩阵的重构与精修
6.4.1 贝叶斯理论方法
6.4.2 不同类型数据的组合精修
6.4.3 单电子约化密度矩阵(1-RDM)的精修
6.4.4 结构因子与康普顿轮廓数据的组合精修
6.4.5 自旋分辨的1-RDM精修
参考文献
第7章 电子波函数模型
7.1 引言
7.2 X射线波函数(XCW)模型
7.2.1 数学框架
7.2.2 Hirshfeld原子精修
7.2.3 X射线波函数精修
7.2.4 开壳层体系方法
7.2.5 相对论效应的处理
7.3 X射线极局域分子轨道(XC-ELMO)方法
7.3.1 极局域分子轨道的定义
7.3.2 实验极局域分子轨道精修
参考文献
第8章 实验电子结构的测试仪器与应用
8.1 引言
8.2 用于实验电子结构测试的X射线单晶衍射仪
8.2.1 X射线源
8.2.2 测角仪
8.2.3 X射线探测器
8.2.4 低温系统
8.2.5 激光器外场设备
8.3 实验电子结构测试要点
8.3.1 单晶样品
8.3.2 测试过程
8.3.3 数据校正
8.3.4 电子结构精修质量检查
8.4 电子结构晶体学的潜在应用
参考文献
索引