量子力学与功能材料初步 教学大纲

第页量子力学与功能材料初步一、课程说明课程编号：060503Z10课程名称：量子力学与功能材料初步/IntroductiontoQuantumMechanicsandFunctionalMaterials课程类别：学科必修课程学时/学分：64/4先修课程：高等数学、物理化学、大学化学、材料科学基础适用专业：材料科学与工程专业本科生建议教材及参考书：（1）DensityFunctionalTheory,apracticalintroduction,DavidShollandJaniceSteckel，JohnWiley&Sons,Inc.,Hoboken,NewJersey，2009（2）功能材料概论，殷景华，王雅珍（哈尔滨工业大学出版社）（3）黄可龙，锂离子电池原理与关键技术，XX大学，化学工业出版社，2008年。（4）B.E.康维(B.E.Conway)，电化学超级电容器-科学原理及技术应用，化学工业出版社，2005年。（5）王桂茹，催化剂与催化作用，大连理工大学出版社，2000年。二、课程设置的目的、意义量子力学与功能材料初步是材料科学与工程专业的四年制本科生的一门必修课。通过两部分课程的学习，学生能够了解和初步掌握量子力学的基本理论和计算方法，培养学生初步了解和掌握量子力学对简单体系的精确解法，了解大体系基于波函数方法和密度泛函方法的发展历史、联系和区别，了解不同研究尺度计算方法之间的联系和区别。通过大量计算实例的介绍和学习，逐步培养分析和理解材料现象，从中提炼出科学基础问题的能力；逐步培养建立恰当的理论模型，并运用恰当的计算方法，揭示材料“环境气氛-微观结构-宏观性能”相关性及其物理本质的能力。同时，初步了解和掌握现代功能材料，如半导体材料、能源存储材料和转化材料、功能陶瓷材料、和磁性材料的基本概念、原理和方法，了解现代功能材料的最新前沿进展及其发展趋势，为从事新型功能材料的研发与生产打下必要的理论和方法基础。三、课程目标3.1课程对毕业生能力支撑本课程对应毕业要求2-4，3-1，4-1，6-2，10-1，具体内容如下：毕业要求2-4：掌握分析研究材料生产复杂工程问题所需的专业理论知识。能够运用所学专业理论知识分析材料组成-工艺-结构-性能的相互关系与制约规律，识别材料生产过程不同阶段的关键。毕业要求3-1：知识迁移与创新设计能力。能够集成材料科学与工程中的设计、制备、测试与应用多方面知识应用于工程实际进行新材料、新工艺、新技术的创新设计。毕业要求4-1：根据工程应用的需要，能够根据材料工程技术研究的需要选择合适的实验手段对材料组成、组织结构、性能及其相互关系，对试验数据做出正确的分析，为材料的应用提出合理建议。毕业要求6-2：能正确认知材料科学与工程中新材料与先进加工方法对社会进步的重大促进作用，了解材料科学与工程对社会经济和国防建设的重要意义。毕业要求10-1：对本专业领域及其相关行业的国内外现状有了解，能够对本专业热点问题发表自己的见解。3.2课程教学目标通过课程学习让学生掌握量子力学波函数方法和密度泛函方法的基本理论与物理意义，以及功能材料及其功能设计的基本原理与方法；让学生了解不同研究尺度计算方法之间的联系和区别，同时了解和掌握现代功能材料的发展方向与趋势；培养学生学会综合运用所学材料科学与工程的基础知识和技能建立恰当的理论模型，并运用恰当的计算方法，揭示材料“环境气氛-微观结构-宏观性能”相关性及其物理本质的能力，进行新型功能材料的研究、设计与开发。四、教学内容、重点难点及教学设计具体教学内容及教学设计见下表：章节教学内容总学时学时分配教学重点教学难点教学方案设计（含教学方法、教学手段）讲课(含研讨)实践第一部分第1章量子力学基础

21.1Schrodinger方程Schrodinger方程的推导思路课堂教学，PPT电子课件1.2波函数的物理意义

波函数的物理意义

课堂教学，PPT电子课件1.3态叠加原理

态叠加原理及其物理意课堂教学，PPT电子课件1.4一维自由粒子一维自由粒子的Schrodinger方程解及其物理意义求解Schrodinger方程课堂教学，PPT电子课件1.5一维势阱中的粒子势阱中粒子的chrodinger方程解及其物理意义求解Schrodinger方程课堂教学，PPT电子课件1.6隧道效应量子隧道效应及其现代技术应用运用Schrodinger方程解释隧道效应课堂教学，PPT电子课件第2章几个简单体系的精确解22.1线性谐振子系统线性谐振子系统系的Schrodinger方程解及其结果的物理解释线性谐振子系统的Schrodinger方程解法课堂教学，PPT电子课件2.2单电子体系-氢原子单电子体系的Schrodinger方程解及其结果的物理解释单电子体系的Schrodinger方程解法课堂教学，PPT电子课件2.3单电子体系-类氢离子单电子体系的Schrodinger方程解及其结果的物理解释单电子体系的Schrodinger方程解法课堂教学，PPT电子课件第3章多电子体系的基于波函数方法23.1Born-Oppenheimer近似Born-Oppenheimer物理处理近似及其结果的物理解释课堂教学，PPT电子课件3.2平均势场近似平均势场物理处理近似及其结果的物理解释课堂教学，PPT电子课件3.3Hartree-Fock理论

Hartree-Fock理论及其应用课堂教学，PPT电子课件3.4PostHartree-Fock理论PostHartree-Fock理论及其应用课堂教学，PPT电子课件第4章大体系的密度泛函理论与方法

3多电子体系的波函数描述，密度泛函理论与Hartree-Fock理论方法的特点和区别多电子体系的波函数描述4.1Thomas-Fermi模型课堂教学，PPT电子课件4.2Thomas-Fermi-Dirac模型课堂教学，PPT电子课件4.3Kohn-Sham方程课堂教学，PPT电子课件4.4交换相关能的局域密度近似

交换能物理处理近似，及推导过程课堂教学，PPT电子课件4.4交换相关能的广义梯度近似交换能物理处理近似，及推导过程课堂教学，PPT电子课件第5章简单晶体的第一性原理计算35.1晶体的结构课堂教学，上机操作5.2状态方程状态方程及其应用课堂教学，上机操作5.3体结构常数的计算方法与实例状态方程优化体结构的建模和计算方法课堂教学，上机操作5.4赝势的选择赝势选择和优化的原则课堂教学，上机操作5.5体弹性常数的计算方法与实例状态方程体弹性常数的建模和计算方法课堂教学，上机操作第二部分第1章功能材料概论221.1功能材料的概念与分类功能材料的概念与分类课堂教学，PPT电子课件1.2功能设计的原理和方法材料功能的显示过程，功能设计原理材料功能设计的复杂性课堂教学，PPT电子课件1.3功能材料的特点金属、无机非金属、高分子功能材料相对传统材料的特点组合化学在无机功能材料方面的应用课堂教学，PPT电子课件1.4功能材料制备新方法溶胶—凝胶法，快淬快凝法，水热法水热法的原理课堂教学，PPT电子课件1.5功能材料的发展现状电子，生物医用，能源，生态环境等材料的发展现状课堂教学，PPT电子课件1.6无机功能材料的现代合成与制备方法溶胶—凝胶法，化学气相沉积，模板合成、水热法课堂教学，PPT电子课件第2章半导体材料442.1半导体材料的发展历程1课堂教学，PPT电子课件2.3半导体材料的基本特性1半导体材料的物理和化学特征本征和非本征半导体课堂教学，PPT电子课件2.4半导体材料的制备方法1现代半导体工业课堂教学，PPT电子课件2.5半导体材料的应用1应用领域课堂教学，PPT电子课件第3章能源存储和转化材料201643.1锂离子电池材料基本概述22。课堂教学，PPT电子课件3.2锂离子电池材料的设计和制备44锂离子电池材料设计的基本原则正负极材料电位搭配课堂教学，PPT电子课件3.3锂离子电池材料的电化学性能评价211电极材料的电化学评价体系循环伏安法、恒电流充放电以及倍率课堂教学，PPT电子课件3.4超级电容器材料的基本概述11课堂教学，PPT电子课件3.5超级电容器材料的设计和制备211超级电容器材料设计的基本原则课堂教学，PPT电子课件3.6超级电容器材料的电化学性能评价11电极材料的电化学评价体系循环伏安法、恒电流充放电以及倍率 课堂教学，PPT电子课件3.7光/电催化材料概述22课堂教学，PPT电子课件3.8光催化材料的设计和制备11光催化剂的选择和制备课堂教学，PPT电子课件3.9光催化材料的表征和评价211评价手段应用体系评价课堂教学，PPT电子课件3.10电催化材料的设计和制备11光催化剂的选择和制备课堂教学，PPT电子课件3.11电催化材料的表征和评价211评价手段应用体系评价课堂教学，PPT电子课件第4章陶瓷材料44.1陶瓷材料与功能陶瓷1陶瓷材料的发展概况、功能陶瓷的定义、范围和分类课堂教学，PPT电子课件4.2绝缘陶瓷1绝缘陶瓷的性能与特征、常用绝缘陶瓷材料及其性能、绝缘陶瓷的应用陶瓷的微观结构与绝缘性课堂教学，PPT电子课件4.3多孔陶瓷1表征多孔陶瓷材料特性参数、多孔陶瓷的制备、多孔陶瓷的形成机理多孔陶瓷的应用表征多孔陶瓷材料特性参数课堂教学，PPT电子课件4.4纳米陶瓷2纳米陶瓷的制备、纳米陶瓷的结构与性能，纳米陶瓷的应用及展望制备纳米微粒的关键技术，纳米材料界面的结构模型课堂教学，PPT电子课件第5章磁性材料25.1磁性材料的分类1无课堂教学，PPT电子课