基于VASP phonopy shengbte计算声子相干的热学性质

5月前浏览10117

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了利用计算软件对材料声子谱、声子态密度以及热力学性质进行计算的详细流程。首先，通过生成输入文件并进行优化，得到优化后的结构。接着，利用Phonopy扩胞生成多个位移后的结构，计算二阶力常数，得到声子谱、声子态密度和等容热容等热力学性质。然后，通过准简谐近似方法考虑声子随体积的变化，计算出材料的非简谐热力学性质，如等压热容和热膨胀系数等。最后，利用Thirdorder扩胞生成更多位移后的结构，计算三阶力常数，并利用ShengBTE计算材料的声子非谐性质，如散射率和热导率等。整个计算流程涵盖了从结构优化到非谐性质计算的多个步骤，为材料性质的研究提供了有力的工具。

声子相干的热学性质在计算材料领域有着非常重要的地位，我们可以通过第一性原理计算得到任一种晶体的热力学性质，但是很多小伙伴尤其是初学者还比较陌生，本文介绍基于DFT计算与声子相关的性质，是用VASP phonopy shengbte计算一种材料的声子谱，声子态密度，热力学性质（包括准简谐近似下的亥姆霍子自由能，等压热容Cp，热膨胀系数，格林爱森参数，和考虑高阶声子的声子散射，群速度，声子自由程，热导率等等）共分为如下几个部分：

(1). 生成4个输入文件: POSCAR POTCAR INCAR KPOINTS 然后进行优化（这一步优化精度需要高一点，不然可能会因为优化精度不够而导致的虚频）

(2). 通过phonopy扩胞生成N个位移后的POSCAR（N的数量取决于结构的对称性，对称性越好N的个数越少也就是计算量越小）然后计算每个displacement的POSCAR的自洽，得到二阶力常数，同时也得到了声子谱，声子态密度和等容热容等热力学性质

(3). 通过准简谐近似的方法，考虑声子随体积的变化，计算出材料的非简偕热力学性质比如等压热容和热膨胀系数等

(4). 利用thirdorder扩胞生成N个位移后的POSCAR 然后每个都进行自洽得到三阶力常数（如有考虑四阶力常数的必要可用fourorder扩胞得到四阶力常数）

(5). 最后，把二阶力常数和三阶力常数得到，再利用shengbte计算材料的声子非偕性质比如散射率和热导率等等

接下来我将详细介绍计算的细节和一些计算成果的展示

(1)首先第一优化结构 INCAR 如下

ENCUT = 520 #根据体系调节

IBRION = 2

ISIF = 3

NSW = 20

NELMIN = 5

EDIFF = 1.0e-08 # 高精度

EDIFFG = -1.0e-06 # 高精度

IALGO = 38

ISMEAR = 0; SIGMA = 0.1

LREAL = .FALSE.

LWAVE = .FALSE.

LCHARG = .FALSE.

可多重复一次

(2)通过phonopy扩胞扩胞指令为phonopy -d --dim="a b c" -c POSCAR abc为三个方向扩胞的大小

我们可以看到得到了4个POSCAR 我们分别对其进行自洽计算。

计算结束之后，我们可以得到这两个的其中一个就可以画出声子谱啦，具体的操做流程可以访问phonopy的官方网站学习（https://phonopy.github.io/phonopy/ ）

在此，我展示一下计算得到的声子谱等

(3) 我们通过准简谐近似（QHA）的方法计算热膨胀系数和等压热容等性质，首先，我们要把优化好的POSCAR加应变（比如0.96 0.97 0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04的缩放系数，这样就有9个结构文件），然后把每一个POSCAR都去重复步骤（2）也就是去计算每一个缩放系数声子谱。大概就是这个效果最后我们通过phonopy里面的QHA模块去得到此材料的非偕性质 phonopy-qha -p -s e-v.dat *00/thermal_properties.yaml 就可以得到很多热力学性质比如热膨胀系数，格林爱森参数，自由能，等压热容等等

(4)我们想要进一步得到材料的非偕性质热导率等要计算三阶力常数，和步骤(2)里面扩胞一样，我们通过thirdorder扩胞扩胞指令为thirdorder_vasp sow a b c -n a b c为abc三个轴的扩胞倍数 -n为扩胞后的原子近邻数我们发现扩胞后得到的POSCAR 远大于二阶力常数得到的POSCAR的数目