Elastic moduli and thermal conductivity of quantum materials at finite temperature

非谐性 声子 玻尔兹曼方程 热导率 凝聚态物理 哈密顿量(控制论) 量子 玻尔兹曼常数 物理 弹性模量 量子力学 热力学 数学 数学优化
作者
Dylan A. Folkner,Zekun Chen,Giuseppe Barbalinardo,Florian Knoop,Davide Donadio
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:136 (22)
标识
DOI:10.1063/5.0238723
摘要

We describe a theoretical and computational approach to calculate the vibrational, elastic, and thermal properties of materials from the low-temperature quantum regime to the high-temperature anharmonic regime. This approach is based on anharmonic lattice dynamics and the Boltzmann transport equation. It relies on second and third-order force constant tensors estimated by fitting temperature-dependent empirical potentials from path-integral quantum simulations with a first-principles machine learning Hamiltonian. The temperature-renormalized harmonic force constants are used to calculate the elastic moduli and the phonon modes of materials. Harmonic and anharmonic force constants are combined to solve the phonon Boltzmann transport equation to compute the lattice thermal conductivity. We demonstrate the effectiveness of this approach on bulk crystalline silicon in the temperature range from 50 to 1200 K, showing substantial improvement in the prediction of the temperature dependence of the target properties compared to experiments.

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