本文针对微观尺度上的材料研究工作，介绍了该领域所涉及的计算机模拟技术的分类、发展以及应用状况。重点综述了分子动力学方法(Molecular DynamicsMethod)、蒙特卡罗方法(Monte Carlo Method)和第一性原理方法(First-principlesMethod)的基本原理、数学技巧、应用领域以及利用这些技术所取得的成果。使用相应的计算模拟方法研究了硅系薄膜和前钙钛矿相钛酸铅生长、结构与性能等问题。　　 使用分子动力学方法模拟研究了热分解化学气相沉积条件下玻璃衬底上的硅原子沉积以及不同沉积温度(500K-1000K)硅系薄膜生长过程。模拟结果表明过高或过低的沉积温度都不利于致密薄膜的生长，沉积温度升高将导致衬底中碱金属离子扩散增强。不同沉积温度下都观察到薄膜与衬底之间存在一个密度相对较小的分隔层，认为碱金属离子扩散造成的静电力是产生分隔层的重要原因，并提出掺杂电负性杂质以改善薄膜与衬底间的结合状态。随后Si-C-O薄膜生长的模拟研究结果支持这一观点，但是薄膜整体结构变得松散，O含量过高会形成Si-O长链从而降低Si-C-O薄膜均匀性。　　 对使用透射、反射光谱测量阳光控制镀膜玻璃光学参数的工程问题进行数学建模，并利用一种混合算法(模拟退火法与迭代算法结合)进行求解。为提高模型的准确性，分别引入考虑薄膜表而影响的粗糙度修正&更符合硅系薄膜能带特点的修正Froouhi-Bloomer(FB)模型来描述折射率、消光系数与光波长的关系。发现使用修正FB模型获得的薄膜光学参数结果比使用粗糙度修正更符合实际状况，数学求解过程也更加稳定。这是一种实用有效的通过透射、反射光谱计算薄膜光学参数的方法，也便于实现阳光控制镀膜玻璃参数的在线测试。　　 基于单颗粒介质球散射的Maxwell方程组的解，给出了一种蒙特卡罗方法用于求解硅系薄膜中硅晶粒散射问题，利用光线追踪思想处理光子的传播过程。模拟结果表明硅系薄膜中镶嵌硅晶粒的散射强度随粒径增加而增大，随入射光波长增加而呈指数形式减小。粒径小于20nm的颗粒散射可以忽略，而大颗粒在短波长范围内的散射会对薄膜的反射产生影响。通过调制硅薄膜内硅晶粒的尺度和密度，能够在一定范围内调整薄膜的镜面反射，从而有可能减轻硅系薄膜镀膜玻璃的“光污染”。　　 针对低辐射镀膜玻璃双层膜结构(阻挡层和功能层)的膜系特点建立数学模型，并使用将模拟退火法与牛顿迭代法相结合的混合算法来求解。混合方法首先用来解决双层膜结构薄膜光学参数转化为单层膜结构等效光学参数的问题，然后求解了消除低辐射镀膜玻璃反射色的工程问题。获得的结果已用于指导实际生产，具有明显的实用价值，并据此给出了进一步降低反射色饱和度的指导建议。　　 根据XRD谱线和能量最低原理确定了一种在PbTiO3单晶纳米线中发现的新结构(命名为前钙钛矿相，Pre-perovskite)的结构参数和晶胞填充。前钙钛矿PbTiO3具有TiO6八面体共边连接形成柱状的结构特征，而且在室温下稳定。应用第一性原理方法计算立方相、四方相和前钙钛矿相PbTiO3、BaTiO3的能带结构和电子密度分布，分析了不同结构中的键合特征。计算表明前钙钛矿相PbTiO3、BaTiO3构成共价键的束状三维网络结构，这种网络不仅提供了结构的刚性框架，而且通过降低离子的有效电荷削弱了共边引起的静电斥力，是前钙钛矿相PbTiO3结构稳定的重要起源之一。立方相、四方相中均未能发现Pb(Ba)原子参与的共价键三维网络。Ba-O之间形成共价键的势垒远大于Pb-O，预测室温稳定的前钙钛矿相BaTiO3几乎不可能存在。　　 为分析前钙钛矿相PbTiO3纳米线特异的弯曲现象，应用第一性原理方法计算了立方相、四方相和前钙钛矿相PbTiO3的结构优化参数、弹性系数和体模量。并就四方相PbTiO3比较了k-point网格和截断能量对弹性性能计算结果的影响。三种结构的体模量分别为229GPa、61GPa和45GPa，前钙钛矿相中的结构空隙是体模量下降的重要原因。前钙钛矿相PbTiO3沿[001]、[100]和[110]方向的杨氏模量计算值分别为193GPa、66GPa和84GPa。根据焓变随体积的变化，估算四方相到立方相PbTiO3的相变压力为0.9GPa。