基于VASP+phonopy+shengbte计算声子相干的热学性质
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
我们和算声子谱的步骤一样 把每一个POSCAR都去做一次自洽,最后再通过thirdorder得到三阶力常数。
(5)得到了二阶力常数和三阶力常数后,我们再利用shengbte计算声子散射,自由程,群速度,热导率等等非偕性质
首先我们要有这两个力常数
然后我们还需要一个CONTROL文件
CONTROL文件长这样子
随后我们就可以进行热导率的计算了 计算结果如下
接下来还可以进行热电材料等的计算。
最后,有关于催化,拓扑,电子,声子相关的第一性原理计算都可以联系我们。
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