合肥研究院在利用弹性常数高效计算材料热导率

 

2020-06-13 06:51

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  热电材料是一种可以将热能直接转换成电能的功能材料,在改善能源与环境问题方面具有良好的应用前景。从理论上寻找良好的新型热电材料一直是热电研究领域的重要课题之一。材料的热导率是表征材料热电性能的重要物理量,然而,从理论上计算材料的热导率需要求解材料的声子玻尔兹曼输运方程或详细研究材料的声子振动性质,这使得理论计算材料的热导率非常耗时且困难,不利于快速高效地寻找出新型热电材料。热电材料的研究指出,原子间相互作用弱的材料,具有强烈的非简谐效应,使得其晶格热导率较低。从力学性能上看,弱的原子间相互作用会导致材料的弹性常数较低。

  该方法首先通过第一性原理计算了材料的弹性常数,然后利用弹性常数与声速的关系,求出了材料的德拜温度

  ,其计算结果和利用声子性质计算到的结果相吻合。计算结果表明,该方法可以快速且有效计算出材料的热导率,这在高通量快速预测新型热电材料方面具有重要意义。

  图1. 3种不同结构类型的化合物利用弹性常数计算得到的德拜温度Qe与利用声子性质得到的德拜温度Qw的对比图。

  图2. 3种不同结构类型的化合物利用弹性常数计算得到的格瑞乃森常数ge与利用声子性质得到的格瑞乃森常数gw的对比图。

  图3. 3种不同结构类型的化合物利用弹性常数计算得到的热导率ke与实验测得的热导率kexp的对比图。

  近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所物质计算科学研究室研究员张永胜在利用弹性常数计算材料热导率研究方面取得新进展,相关结果以Lattice thermal conductivity evaluated using elastic properties为题发表在《物理评论B》上 (Physical Review B 95, 155206 (2017))。

  热电材料是一种可以将热能直接转换成电能的功能材料,在改善能源与环境问题方面具有良好的应用前景。从理论上寻找良好的新型热电材料一直是热电研究领域的重要课题之一。材料的热导率是表征材料热电性能的重要物理量,然而,从理论上计算材料的热导率需要求解材料的声子玻尔兹曼输运方程或详细研究材料的声子振动性质,这使得理论计算材料的热导率非常耗时且困难,不利于快速高效地寻找出新型热电材料。热电材料的研究指出,原子间相互作用弱的材料,具有强烈的非简谐效应,使得其晶格热导率较低。从力学性能上看,弱的原子间相互作用会导致材料的弹性常数较低。

  因此,张永胜提出了一种利用材料弹性常数计算材料热导率的方法。该方法首先通过第一性原理计算了材料的弹性常数,然后利用弹性常数与声速的关系,求出了材料的德拜温度Q;利用弹性常数随体积的变化关系,得到了材料的格瑞尼森常数g;最后利用Slack提出的热导率k与德拜温度Q、格瑞乃森常数γ之间的关系式:,从理论上计算出了材料的热导率;并用该方法计算了3种不同结构类型(Rock-salt,Zincblende,Wurtzite)的多种二元半导体化合物的德拜温度Qe,格瑞乃森常数ge和热导率ke,其计算结果和利用声子性质计算到的结果相吻合。计算结果表明,该方法可以快速且有效计算出材料的热导率,这在高通量快速预测新型热电材料方面具有重要意义。

  图1. 3种不同结构类型的化合物利用弹性常数计算得到的德拜温度Qe与利用声子性质得到的德拜温度Qw的对比图。

  图2. 3种不同结构类型的化合物利用弹性常数计算得到的格瑞乃森常数ge与利用声子性质得到的格瑞乃森常数gw的对比图。

  图3. 3种不同结构类型的化合物利用弹性常数计算得到的热导率ke与实验测得的热导率kexp的对比图。

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