纳米光子学与光谱学中的计算模拟

本书不仅仅介绍计算模拟中的原理，而且着重介绍计算和模拟的实际操作方法以及相关程序的使用。列出输入文件，关键词搭配以及模型的合理搭建等。使读者能通过本书直接上手研究工作。在此基础上，可以通过本书介绍的分析方法对实验和计算结果进行合理的分析和解释。除了常见的使用方法之外，本书还会给出常见的脚本程序，方便读者在科研工作中减轻重复劳动的工作量，方便读者投入更多精力在实际科学问题的研究中。

本书主要针对纳米光子学和光谱学中的计算模拟问题进行原理和应用上的介绍。主要分为原理和程序应用两部分；从计算原理上来说，还可以分为量子力学计算和经典力学模拟。本书采用量子力学和量子化学框架中的第一性原理技术对分子体系和固体体系及其表面的光谱学模拟和分析；以及使用经典电磁场理论对材料的光学性质和现象进行有限元计算，包括亚波长光学以及表面等离激元的分析和应用。本书在介绍原理、理论以及物理公式的同时，还会列出计算模拟的具体方法，比如程序输入文件、模型的构建方法以及后续分析绘图方法。也会给出一些批处理的实用脚本程序以方便读者使用。
本书可作为从事光子学和光学方向的研究生和科研人员的人门书籍和长期案头书目。旨在让初学者能尽快掌握计算模拟技术，并且在相当长一段时间内能从书中获得帮助。

北京科技大学数理学院教授，博士生导师。先后就职于瑞典隆德大学，中国科学院物理研究所。截至目前，已在Light: Science & Applications、Advance Materials、Small 等期刊上发表高水平论文150余篇，包含8篇ESI高被引论文，论文已被引用5600余次，单篇引用最高230次，H因子40。主持国家自然科学基金重大研究计划2项；国家自然科学基金面上项目2项；科技部重大研究计划1项 。

Chapter 1 Introduction 1
Chapter 2 Theoretical Basis of Computational Simulation 7
2.1 Semi-empirical method 7
2.1.1 Introduction of semi-empirical method 7
2.1.2 The accuracy and applicable scale of the semi-empirical method 10
2.1.3 Mainstream software 11
2.2 Hartree-Fock method 16
2.3 Density functional theory 19
2.3.1 Difficulties in calculation of actual materials 19
2.3.2 Hohenberg-Kohn theorem 20
2.3.3 Exchange correlation functional 22
2.3.4 Selection of functional 24
2.3.5 How to change the functional 30
2.4 Basis sets 33
2.4.1 Selection of basis sets 33
2.4.2 Application of mixed basis set, custom basis set and pseudopotential basis set in Gaussian 48
2.4.3 Diffuse functions 61
Chapter 3 Calculation and Analysis of Electron Transition Spectra 69
3.1 Calculation method of excited states 69
3.1.1 Introduction 69
3.1.2 TDDFT 71
3.1.3 Other calculation methods excited states 77
3.1.4 Appendix: list of HF components of different DFT functionals 82
3.2 Analysis method of excited states 84
3.2.1 Hole-electron analysis 84
3.2.2 Quantitative description 86
3.2.3 Exciton binding energy 88
3.2.4 Ghost-Hunter index 89
Chapter 4 Vibration Spectrum Calculation and Analysis 91
4.1 IR spectra 91
4.2 Raman spectra 98
4.3 Calculation of vibration-resolved electronic spectra 100
4.3.1 Principles 100
4.3.2 Calculation methods 103
4.3.3 Additional parameters 107
4.4 Vibration mode 108
Chapter 5 Calculation of Nonlinear Optical Properties 112
5.1 Two-photon absorption 112
5.1.1 Calculation method of TPA cross-section 115
5.1.2 Application of TPA calculation 118
5.2 Second order Harmonic wave generate 120
5.2.1 Sum-of-states 120
5.2.2 Calculation of SHG 124
Chapter 6 Calculation and Analysis of Molecular Chiral Spectra 127
6.1 Chirality 127
6.2 Chiral spectroscopy 131
6.2.1 Electron circular dichroism 131
6.2.2 Raman optical activity 135
Chapter 7 First Principles Calculation of Optical Properties of Solids 138
7.1 Optical properties of solids 138
7.2 Light absorption of inorganic solids 139
7.3 Optical properties of semiconductor 140
7.3.1 Intrinsic semiconductor light absorption 140
7.3.2 Extrinsic semiconductor light absorption 141
7.4 Calculation of solid optical properties in common software 142
7.5 Application of solid optical properties in surface plasmon 146
Chapter 8 Application of Electronic Structure Method in Optical Calculation and Analysis 149
8.1 Energy band theory 149
8.1.1 Fundamental assumption 151
8.1.2 Conduction band 151
8.1.3 Valence and forbidden band 152
8.2 Density of states 153
8.3 Effective mass 155
8.4 Application of electronic structure method 157
Bibliography 164