计算电声耦合矩阵——理论简介、代码开发与初步应用

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研究背景

电子和声子是固体领域的重要研究对象，它们之间的相互作用，即电声耦合，对于材料的物理化学性能有着重要影响，是诸多物理化学现象背后机理的关键所在。电声耦合矩阵描述了研究体系的电子本征态在受到声子扰动下的变化，是研究电声耦合的核心参数。电声耦合矩阵的计算长期以来是个艰难的问题，这源于其巨大的计算量。2007年，Giustino等人提出，可以使用万尼尔函数（Wannier Function）来快速精确地计算电声耦合矩阵，其核心思想在于实空间的万尼尔函数与倒空间的布洛赫函数互为傅里叶变换关系，这一变换过程从理论上可以保障计算精度，但可以利用万尼尔函数在实空间的局域性，从而仅需进行少量的DFT计算，就可以通过万尼尔函数来快速获取对应的电声耦合矩阵信息。经过近10年的开发与完善，他们将这一方法的代码集成到了开源软件Quantum Espresso中的EPW程序包。然而，他们并没有对此流程进行强关联体系的相关修正，致使EPW程序包在处理含过渡金属体系时存在可能未知的困难和误差。

文章简介

近日，北京大学新材料学院郑家新副教授课题组和中国科学院半导体研究所首席科学家汪林望教授课题组合作，在国产第一性原理软件PWmat上开发了使用万尼尔函数快速计算电声耦合矩阵的程序模块，并在流程中实现了DFT+U和HSE修正，这使得一些含强关联相互作用的体系也可以进行相关的电声耦合研究，该工作被审稿人点评为“present state-of-the-art research”。

文章还系统比较了锂离子电池经典正极材料LiCoO₂这一含过渡金属的体系在不同泛函下的电声耦合矩阵变化，并发现在电子结构部分和声子结构部分，不同泛函都会导致得到不同的电声耦合矩阵结果。具体来说，电子结构部分会影响同一声子支的电声耦合矩阵值相对大小，而声子结构部分则直接决定不同声子支之间的电声耦合矩阵值相对大小。通过分析电子结构部分和声子结构部分各自的影响，这可以帮助我们更好理解不同泛函下电声耦合矩阵计算结果的差异，同时说明无论是在电子结构部分还是声子结构部分，电声耦合矩阵的计算都应选用更精确的泛函。

上述工作是由北京大学新材料学院郑家新副教授课题组2018级博士生叶耀坤作为第一作者完成，文章已发表于Science China Technological Sciences。此工作的开展得到了北京大学深圳研究生院科研启动基金、宁德时代21C创新实验室、化学与精细化工广东省实验室科研启动项目、广东省新能源材料设计与计算重点实验室和深圳市发改委材料基因组大科学装置平台的大力支持。作者在此致谢两位EPW开发者团队成员：瑞士洛桑联邦理工学院的Samuel Poncé博士和美国得克萨斯大学奥斯汀分校的Hyungjun Lee博士，感谢他们对于EPW代码一些细节部分的阐述，这给予了我们开发这套代码很大的帮助。