固体氩的晶格热导率的非简谐晶格动力学计算

用一种非简谐晶格动力学方法, 使用相互作用势作为惟一的输入参数, 准确地计算了固体氩的各个声子的频率和弛豫时间. 并将这些结果进一步和玻尔兹曼输运方程相结合, 预测了固体氩从10 K 到80 K 区间的热导率, 并得到了与实验值非常符合的结果. 分析了运用非简谐晶格动力学方法进行数值计算过程中的各个相关的计算参数, 包括布里渊区中倒格子矢量的选取, δ 函数的展宽的选择等对热导率和声子弛豫时间预测结果的影响. 通过对各个声子模式对热导率贡献的分析, 发现随着温度升高, 高频声子对于热导率的贡献率也逐渐变大, 结果和理论预测完全一致. 关键词： 热导率 固体氩 非简谐晶格动力学 声子     

纳米晶锐钛矿相TiO2的非简谐效应和声子局域

对晶粒尺寸为194,86和56nm的纳米晶锐钛矿相TiO₂,进行了从83到723K的变温拉曼散射测量,并对E_g(1)模式进行了详细研究.根据非简谐效应和声子局域模型,对E_g(1)拉曼峰进行了拟合与计算.结果表明,以上三种纳米晶粒的晶格振动机理,在本质上是相同的.三声子过程对频率蓝移起主要作用.为了得到很好的拟合,需要同时考虑三声子和四声子过程.随着温度的升高,四声子过程增强,并对三声子过程起抵消作用.与非简谐衰减相关的声子寿命随着晶粒 关键词： 2')" href="#">纳米晶TiO₂ 拉曼散射 非简谐耦合 声子局域     

非简谐振动对SiC类石墨烯热输运性质的影响

考虑到原子的非简谐振动,应用固体物理理论和方法,计算了SiC类石墨烯的简谐系数和非简谐系数,得到它的德拜温度、热容量和热导率等随温度的变化规律,探讨了原子非简谐振动对它的热输运性质的影响.结果表明:SiC类石墨烯的德拜温度随温度的升高而在117-126 K之间线性增大,定容比热随温度升高而非线性增大,热导率随温度升高而非线性减小,温度较低时变化较快,而温度较高时变化较慢,并随着温度升高而趋于常量;考虑到非简谐振动后,SiC类石墨烯的德拜温度、定容比热和热导率的值分别大于、小于和大于简谐近似的相应值,温度愈高,其差值愈大,即温度愈高,非简谐效应的影响愈显著;二维平面状的SiC类石墨烯的定容比热和热导率随温度的变化规律,与三维块状SiC晶体总体趋势相同,只是具体数值不同.     

非简谐振动对石墨烯杨氏模量与声子频率的影响

在哈里森键联轨道法框架下, 考虑到原子的短程相互作用和原子的非简谐振动, 应用固体物理理论和方法, 得到了石墨烯的力常数、杨氏模量、扭曲模量、泊松系数以及声子频率随温度的变化关系, 探讨了非简谐振动对它们的影响. 结果表明: 1)杨氏模量与声子频率等随温度变化并遵从一定的规律, 其中力常数、杨氏模量、扭曲模量随温度升高而增大, 但变化较小; 声子频率随温度升高而增大但变化较快; 泊松系数随温度升高而较快地减小; 2)石墨烯原子具有沿键长方向的纵振动和垂直键长方向的横振动, 但以纵振动为主, 纵振动的非简谐效应远大于横振动, 横振动的简谐系数ε₀' 和第二非谐系数ε₂' 均小于纵振动的相应值ε₀,ε₂; 比值为ε₀/ε₀' ≈ 8.477,ε₂/ε₂' ≈ 156; 3)若不考虑非简谐振动项, 则石墨烯的力常数、杨氏模量和扭曲模量、泊松系数、声子频率均为常量, 与实验不符合; 同时考虑到原子的第一、二非简谐振动项后, 它们均随温度升高而变化, 而且温度愈高, 原子振动的非简谐效应愈显著. 本文的结果与文献的实验结果符合较好.     

层状横波光学声子的非简谐性对高温超导电性的影响

本文采用二能级(TLS)模型,利用正则变换方法,研究氧化物超导体中层状横波光学声子的非简谐性对层间配对的影响,结果表明:只有在二能级差Ω小于临界值Ω_c时,T_c才不为零;Ω越小,T_c越大,这与实验中所显示的绝缘层离子的轴向运动的重要性是一致的。 关键词：     

RE2Ti2O7(RE=Gd,Y,Ho,Er)的结构、机械性能及热学性质的第一性原理研究(英文)

本文利用第一性原理和准谐近似的方法研究了一系列钛酸盐烧绿石,即RE₂Ti₂O₇（RE=Gd,Y,Ho,Er）的结构、机械性能及热学性质。研究结果表明,在基态下RE₂Ti₂O₇具有良好的抗压、抗剪切能力。并且,由于这些化合物的齐纳指数接近于1,可近似地看作各向同性材料。此外,计算得到的热膨胀系数在高温区与实验值符合得较好。在500~1 500 K温度区间内,平均热膨胀系数为（10.4~13.1）×10-6 K-1。基于Slack模型,我们还计算了这些材料的晶格热导率,当温度等于1 000 K时,这四种物质的热导率在区间（1.5~4.9）W·m-1·K-1内。     

随机硅–锗超晶格高通量筛选和热导率优化

低维热电材料往往可以通过降低声子热导率实现其热电性能的提升。由两种材料交替生长获得的超晶格薄膜较单一材料薄膜具有更低的热导率,通过改变材料的厚度排布,随机排列的非周期性超晶格甚至可以实现更低的热导率。本文基于非平衡分子动力学模拟计算了硅和锗薄膜热导率和非对称界面热阻,构建了随机硅–锗超晶格热导率的数值拟合等效介质模型。引入邻间因子和修正函数后,获得了可以更为准确预测随机排列硅–锗超晶格热导率的修正等效介质模型。将此模型与遗传算法相结合,可以对大量随机超晶格结构进行高通量筛选,实现了热导率的快速优化。结果表明,即使总厚度大的超晶格最低热导率仍能维持在1.4～1.8 W·m^-1·K^-1,平均周期厚度稳定在2.0～2.5 nm。     

Co1-xNixSb3-ySey热电输运中晶界和点缺陷的耦合散射效应

结合机械合金化与放电等离子烧结工艺制备了Ni和Se共掺的细晶方钴矿化合物Co_1-xNi_xSb_3-ySe_y,研究了晶界和点缺陷的耦合散射效应对CoSb₃热电输运特性的影响.通过Ni掺杂优化载流子浓度提高功率因子.在x=0.1时,功率因子达到最大值1750μWm^-1K^-2(450℃),是没有掺Ni试样的两倍.晶界和点缺陷的耦合散射机理使晶格热导率急剧下降,其中Co_0.9Ni_0.1Sb_2.85Se_0.15的室温晶格热导率降低至1.67Wm^-1K^-1,接近目前单填充效应所能达到的最低值1.6Wm^-1K^-1,其热电优值ZT在450℃时达到最大值0.53.将Callaway-Von Baeyer点缺陷散射模型嵌入到Nan-Birringer有效介质理论模型,对晶界散射和点缺陷散射的耦合效应对热导率的影响进行了定量分析,模型计算与实验结果符合.理论模型计算表明,当晶粒尺寸下降到50nm同时掺杂引入点缺陷散射后,Co_0.9Ni_0.1Sb_2.85Se_0.15的晶格热导率下降到0.8Wm^-1K^-1. 关键词： 3')" href="#">CoSb₃ Ni和Se掺杂 热电性能 耦合散射效应     

非化学计量比AgSbTe2+x化合物制备及热电性能

采用高纯元素直接熔融、淬火并结合放电等离子烧结方法制备了非化学计量比AgSbTe_2+x(x=0—0.05)系列样品,研究了不同Te含量在300—600 K范围内对样品热电性能的影响规律.结果表明:随着Te含量的增加,Ag⁺离子空位浓度增加,空穴浓度和电导率大幅度提高,Seebeck系数减小.热导率随Te过量程度的增加略有增加,但所有Te过量样品的晶格热导率均介于0.32—0.49 W/mK之间,低于化学计量比样品的值,接近理论最低晶格热导率.AgS 关键词： 2')" href="#">AgSbTe₂ 非化学计量比 热电性能 热导率     

Ca0.5Sr0.5TiO3弹性和热学性质的第一性原理研究

利用能量最小原理, 确定了Ca_0.5Sr_0.5TiO₃晶体中4c位置的Ca/Sr原子对称分布, 建立了Ca_0.5Sr_0.5TiO₃稳定的晶体结构, 在此基础上利用基于密度泛函理论第一性原理的平面波超软赝势方法, 采用局域密度近似和广义梯度近似函数, 计算了Ca_0.5Sr_0.5TiO₃的晶格参数、弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比, 并基于Christoffel方程的本征值研究了平面声波的特征, 基于Cahill和Cahill-Pohl模型研究了最小热导率的特征. 计算结果表明: Ca_0.5Sr_0.5TiO₃晶格参数和实验值很接近, 体弹模量大于剪切模量, [100], [010], [001]晶向的杨氏模量、泊松比、普适弹性常数(A^U)以及杨氏模量三维图均显示了弹性各向异性; 平面声波在(010), (001)平面呈现各向异性, 在(100)平面呈现各向同性, 平面声波大小与平均横波和平均纵波的数值很接近. Cahill模型最小热导率在各平面呈现各向同性, Cahill-Pohl模型最小热导率在高温时趋于恒定. 准谐德拜模型下Ca_0.5Sr_0.5TiO₃ 晶体的摩尔热容和热膨胀系数与CaTiO₃晶体的接近, 并且高温下具有稳定的热膨胀性能. 计算所得禁带宽度为2.19 eV, 导带底主要是Ti-3d与O-2p态电子贡献; 由电荷布居和电荷密度图理论证实Ca_0.5Sr_0.5TiO₃具有稳定的Ti-O八面体结构.     

ZrV2结构、弹性和热力学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法研究ZrV₂的晶体结构和弹性,利用准谐Debye模型计算在不同温度(T=0~1200 K)和不同压强(P=0~20 GPa)下ZrV₂的热力学性质,包括弹性模量与压强,热熔与温度,以及热膨胀系数与温度和压力的关系.结果表明:计算的ZrV₂晶格常数与实验值符合较好,晶体材料的弹性常数随着压力增加而增加;在一定温度下,相对体积、热熔随着压强的增加而减小,德拜温度、弹性模量随着压强的增加而增加,且高压下温度对ZrV₂热膨胀系数的影响小于压强的影响.     

MoS2中S原子空位形成的非绝热动力学研究

缺陷是半导体领域中最核心的问题.采用含时密度泛函方法,模拟了S原子脱离MoS₂晶格形成空位缺陷过程中的电子动力学行为,发现该过程中存在显著的非绝热效应.非绝热效应导致S原子需要消耗更多能量以脱离晶格形成空位缺陷.随着S原子的初始动能增大,其脱离晶格形成空位的能量势垒也持续增大,并且在初始动能达到22 eV附近时发生了阶跃式的增长.这是由朗道-齐纳电子跃迁和能级间库仑作用共同导致的.非绝热效应还改变了脱离晶格的S原子上电荷的轨道分布,以及晶格中缺陷附近的电荷分布.此外,还发现该过程中自旋轨道耦合十分重要,必须被考虑.本文阐明了MoS₂中S原子空位的形成机制,尤其是电子非绝热动力学的重要作用,为进一步研究缺陷对材料物理性质的调控提供了理论基础.     

Mo2C二维材料晶格热导率的第一性原理研究

Mo₂C是构建Mxene基器件的重要材料之一,对Mo₂C二维材料声子输运的理解非常必要.文章结合第一性原理方法和声子玻尔兹曼输运方程,研究了二维Mo₂C材料的晶格热导率.研究表明,室温下二维Mo₂C导热系数非常低,其锯齿方向和扶手椅方向的晶格热导率分别为7.20和5.04 W/mK.计算了声学振动和光学振动模式对晶格热导率的贡献,揭示总热导率主要由面内声学横波的振动模式所贡献.还进一步计算了声子群速度、声子弛豫时间、三声子散射空间和模式格林艾森参数,发现二维Mo₂C中的声子群速度和声子弛豫时间对晶格传输有重要的影响.     

Cu-N共掺β-Ga2O3的光电性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论,本文通过OTFG赝势方法计算了本征β-Ga₂O₃以及Cu-N共掺后β-Ga₂O₃的晶格常数、电子结构以及光学特性.计算结果表明本征β-Ga₂O₃的禁带宽度为4.5 eV;Cu和N掺入β-Ga₂O₃后属于受主杂质,并且引入了深受主能级,这表明Cu-N共掺后β-Ga₂O₃变为p型半导体材料;光学性质计算结果表明本征β-Ga₂O₃的静介电函数为2.5,掺杂后β-Ga₂O₃的静介电函数增大,对电荷的存储能力增强;此外,Cu-N的共掺对β-Ga₂O₃的吸收系数、反射率在能量较低的区域的影响较大,而对能量较高的区域影响较小.     

应变超晶格(ZnS)1/(ZnSe)1的光学性质

用linear mufin tin orbital能带方法，计算Si衬底上（ZnS）_n/（ZnSe）_n（001）超晶格的能带结构，计算中采用外加调整势进行带隙修正．在得到较准确的能带结构和波函数的基础上，计算该超晶格系统的光学介电函数虚部ε₂（ω）．结果表明，该超晶格系统的光学性质结合了ZnS和ZnSe体材料光学性质的特点，在相当宽的能量范围内有较好的光谱响应．并且该超晶格系统是直接带隙材料，在光电器件应用中有很大潜力． 关键词：     

缺陷黄铜矿结构Xga2S4 (X=Zn,Cd, Hg)晶体电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理超软赝势方法对缺陷黄铜矿结构XGa₂S₄ (X=Zn, Cd, Hg)晶体的晶格结构、电学以及光学性质进行了对比研究. 分析比较了它们的晶格常数、键长、能带结构、态密度、介电函数、折射率和反射系数等性质, 并总结其变化趋势. 结果表明: 这三种材料的光学性质在中间能量区域(4 eV–10 eV)表现出较强的各向异性, 而在低能区域(<4 eV)和高能区域(>10 eV)各向异性较弱. ZnGa₂S₄和HgGa₂S₄两种材料的折射率曲线在等离子体频率ω_p处有一明显的拐点, 反射系数在ω_p处达到最大值后急剧下降. 三种晶体的强反射峰均处于紫外区域, 因此可以用作紫外光屏蔽或紫外探测材料. 关键词： 缺陷黄铜矿结构 电子结构 光学性质 第一性原理计算     

金红石结构TiO2晶体点缺陷形成能的经验途径计算

基于经验参数化途径,通过对晶体结构、晶格形成能、介电性质和弹性实验数据拟合确定金红石结构氧化物晶体TiO₂的电子壳模型参数和非Coulomb互作用势参数.计算点 缺陷形成能.论证Schottky缺陷是金红石结构TiO₂中的本征缺陷. 关键词： 2')" href="#">金红石TiO₂ 点缺陷形成能 电子壳模型 经验途径计算     

基于第一性原理分子动力学的填充方钴矿热输运性质及微观过程的研究

对于重要热电材料之一的填充方钴矿材料,其低热导率的成因存在两种观点:1)填充原子的局域振动引起共振散射降低热导率;2)填充原子的引入加强了三声子倒逆过程来降低热导率.本文采用含有限温度效应的第一性原理分子动力学方法模拟了YbFe_4Sb_(12)的动力学过程,并通过温度相关有效势场方法得到了充分包含非线性作用的等效非谐力常数,研究了微扰近似下的声子输运性质.结果显示,在填充原子振动全部参与三声子倒逆散射过程的近似下,相比于纯方钴矿体系,声子寿命大幅地降低,填充原子的振动是热阻的重要来源.但即便如此,理论计算结果与实验的晶格热导率之间仍存在明显偏离.不同填充原子振动之间的较弱关联性质也揭示其明显偏离经典的声子图像,表现为一种强烈的局域特征振动模式,并以此散射其他晶格声子,因而对热阻的贡献也超出了传统三声子的理论框架.通过将填充原子Yb振动模式的寿命进行共振散射形式的修正,可以使晶格热导率与实验结果符合较好.以上结果表明,YbFe_4Sb_(12)的低晶格热导率是由声子间相互作用以及具有局域振动特征的共振散射两方面因素导致.     

非简谐振动和形变对ZnSe类石墨烯德拜温度热容量以及极性的影响

应用哈里森(Harrison)键联轨道法和固体物理理论和方法,考虑到原子的高阶非简谐振动,计算了ZnSe类石墨烯化合物的σ键和π键的极性、简谐系数和非简谐系数,得到它的德拜温度和定容热容量随温度变化的解析式以及形变引起的极性参量的改变量,探讨了形变对ZnSe类石墨烯极性的影响,并讨论了原子非简谐振动对化合物热力学性质的影响,结果表明:在300 K到1600 K温度区间内,简谐近似下,ZnSe的德拜温度为常量,热容量随着温度的升高呈非线性增大,其中温度较低时变化较快,温度较高时变化较慢并随着温度的升高而趋于常量.考虑到非简谐项后,德拜温度随着温度升高而增大,几乎为正比关系,而热容量的值比简谐近似的值有所减小,与第一非简谐项的影响相比,第二非简谐项的影响很小.形变对ZnSe类石墨烯的极性有重要的影响,在它的几种形变中,剪切形变对σ键的极性的影响最大,而键长形变对π键的极性的影响最小.温度愈高,非简谐效应愈显著.     

金红石结构TiO2结构和热力学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法以及准谐德拜模型研究了金红石TiO₂的结构和热力学性质.常温常压下所计算的晶格常数、体弹模量及其对压强的一阶导数与实验值和其他理论计算结果相符的较好.另外,我们还计算了体弹模量、热膨胀系数、热容与温度和压强的关系.