Bendi新闻
>
Npj Comput. Mater.: 天下武功,唯快不破—第一性原理输运计算

Npj Comput. Mater.: 天下武功,唯快不破—第一性原理输运计算

4月前

海归学者发起的公益学术平台

分享信息,整合资源

交流学术,偶尔风月

半导体是一种电导率在绝缘体与导体之间的材料。绝大多数电子产品(计算机、手机、可穿戴电子产品等)的核心单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息。因此,电子输运性质的准确预测,对于半导体材料在多个领域(太阳能电池、LED、光催化、热电器件等)的应用至关重要。在目前的计算方法中,最广泛应用的是常数弛豫时间近似,该方法计算速度很快,但是误差较大,主要应用于材料的高通量计算与初步筛选。特定材料的弛豫时间可以通过密度泛函微扰理论精确求解,但是该方法计算速度极慢,难以应用在具有复杂能带结构的材料体系中。基于能带偏移方法计算声学形变势,可以较快速的估算弛豫时间,但是无法计算光学形变势和谷间形变势。


Fig. 1 Carrier scattering.


来自英国华威大学工程学院的李圳博士、Patrizio Graziosi博士和Neophytos Neophytou教授,提出了密度泛函微扰理论结合形变势理论的计算策略,研究了半导体的电子-声子耦合和输运性质,实现了与完全第一性原理计算方法一致的准确度。

Fig. 2 Electron–phonon coupling matrix elements for Mg3Sb2.


作者基于电子-声子矩阵元推导声学、光学和谷间形变势,并考虑极性光学支声子和电离杂质散射,基于自主开发的开源玻尔兹曼输运软件ElecTra进行计算。以n型Mg3Sb2为例,阐述了如何应用在具有复杂能带结构的材料。与DFPT + Wannier方法相比,计算结果取得了极好的一致性,同时计算成本小于其10%。将同样的方法应用于Si,在准确度类似的情况下,计算成本小于其1%。

Fig. 3 Calculated scattering rates and transport properties for Mg3Sb2.


除了实现快速计算外,作者的方法还提供了准确性和灵活性:1)通过在特定能量和波矢下选择性地计算关键矩阵元,在重要的电子散射区域提供密集网格;2)明确了各个散射过程(声学、光学、谷内和谷间),提供了能带工程中有关多谷结构的关键信息。与最先进的完全第一性原理方法相比,该计算策略同时实现了高效、准确、灵活的输运计算。

Fig. 4 Comparison of computation time and accuracy in transport calculations.


Fig. 5 Comparison of intra-valley and inter-valley scattering in Mg3Sb2. 

该文近期发表于npj Computational Materials 109(2024)英文标题与摘要如下,点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。


Efficient first-principles electronic transport approach to complex band structure materials: the case ofn-type Mg3Sb2


Zhen Li, Patrizio Graziosi & Neophytos Neophytou 


We present an efficient method for accurately computing electronic scattering rates and transport properties in materials with complex band structures. Using ab initio simulations, we calculate a limited number of electron–phonon matrix elements, and extract scattering rates for acoustic and optical processes based on deformation potential theory. Polar optical phonon scattering rates are determined using the Fröhlich model, and ionized impurity scattering rates are derived from the Brooks-Herring theory. Subsequently, electronic transport coefficients are computed within the Boltzmann transport theory. We exemplify our approach with n-type Mg3Sb2, a promising thermoelectric material with a challenging large unit cell and low symmetry. Notably, our method attains competitive accuracy, requiring less than 10% of the computational cost compared to state-of-the-art ab initio methods, dropping to 1% for simpler materials. Additionally, our approach provides explicit information on individual scattering processes, offering an alternative that combines efficiency, robustness, and flexibility beyond the commonly employed constant relaxation time approximation with the accuracy of fully first-principles calculations. 





扩展阅读

 
Npj Comput. Mater.: 裂纹扩展vs位错发射—bcc铁裂纹尖端变形机制
Npj Comput. Mater.: 可解释KNN陶瓷高压电系数的机器学习—快而准?
Npj Comput. Mater.: 新材料预测—三元硼化物中的范霍夫奇点体系
Npj Comput. Mater.: 释放神经网络的力量:解决声子输运问题

媒体转载联系授权请看下方

微信扫码关注该文公众号作者

来源:知社学术圈

相关新闻

Npj Comput. Mater.: 同素异形体—电声子散射的全景选择定则与温度效应Npj Comput. Mater.: 跨越尺度界限—香港科学家开发多尺度仿真技术探索位错动力学Npj Comput. Mater.: 新材料预测—三元硼化物中的范霍夫奇点体系Npj Comput. Mater.: 钛合金的力学秘密—双相结构如何成就卓越性能?Npj Comput. Mater.: 裂纹扩展vs位错发射—bcc铁裂纹尖端变形机制Npj Comput. Mater.: 双网络结构防冻水凝胶—分子动力学模拟、自由基聚合算法开发Npj Comput. Mater.: 薄至纳米级别,铪基薄膜的超强铁电性能研究进展从“可计算性”到“可生成性”一文读懂量子计算原理(2024)毕业生薪资高达97万!恭喜学员斩获斯坦福大学王牌专业——计算机科学硕士项目!贝叶斯脑计算与自由能原理:Karl Friston访谈 | NSR不同专业毕业 5 年薪资排名公布:计算机工程排名第一!STEM收入比非 STEM普遍要高依托英伟达,Recursion开发AI药物发现超级计算机,速度比原版本快4倍中国量子计算机全球访问数据公布,境外第一是…神经领域的“诺奖”——欧洲脑奖刚揭晓:三位计算和理论神经学者获千万奖金深入了解浮点运算——CPU和GPU算力是如何计算的佛州禁中国学生进实验室,第一波受害者出现了:某大学计算机博士留学生,被迫失学!开创性CVM算法破解40多年计数难题!计算机科学家掷硬币算出「哈姆雷特」独特单词我国第三代自主超导量子计算机全球访问数据公布,美国竟然访问第一!“钱”景比计算机好,被英伟达创始人看好加注的新兴行业——生物医学工程,大揭秘!雅思分数如何计算?听说读写四大模块评分解读!一种基于ODPS SQL的全局字典索引分布式计算思路冷却新方案 将计算机浸入合成的非导电油中Andrej Karpathy:计算的本质正在变化,数字实体和物理实体自动化刚开始
logo
联系我们隐私协议©2024 bendi.news
Bendi新闻
Bendi.news刊载任何文章,不代表同意其说法或描述,仅为提供更多信息,也不构成任何建议。文章信息的合法性及真实性由其作者负责,与Bendi.news及其运营公司无关。欢迎投稿,如发现稿件侵权,或作者不愿在本网发表文章,请版权拥有者通知本网处理。