基于第一性原理的各向异性温度依赖晶格参数与弹性常数
材料科学
2025-03-13 v1
摘要
准简谐近似（QHA）是一种广泛使用的从第一性原理计算晶格参数温度依赖性和热膨胀系数的方法。然而，将 QHA 应用于各向异性系统通常需要数十甚至数百次声子能带结构计算，导致高昂的计算成本。零静态内应力近似（ZSISA）QHA 方法部分解决了这一问题，但其实现的计算负载仍然很高，因此其仅体积版本 v-ZSISA-QHA 更受青睐。在本工作中，我们展示了 ZSISA-QHA 的高效实现，使其能够应用于广泛晶体结构在不同温度（T）和压力（P）条件下。通过引入振动自由能对晶格自由度的二阶导数，我们显著减少了确定所有晶格参数和角度所需的声子能带结构计算次数。对于六方、三方和四方系统，仅需六次声子能带结构计算，而正交、单斜和三斜系统分别需要 10、15 和 28 次计算。该方法在多种非立方材料上进行了测试，从 ZnO 和 CaCO₃ 等单轴材料到 ZrO₂、HfO₂ 和 Al₂SiO₅ 等单斜或三斜材料，在保持各向异性热膨胀建模精度的同时显著降低了计算量。与 v-ZSISA-QHA 不同，该方法还应用于第一性原理计算温度依赖弹性常数，仅需额外最多六次声子能带结构计算，具体取决于晶体学系统。
引用
@article{arxiv.2503.09531,
title = {Anisotropic temperature-dependent lattice parameters and elastic constants from first principles},
author = {Samare Rostami and Matteo Giantomassi and Xavier Gonze},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.09531},
year = {2025}
}