立方碳化硅结构和弹性性质中的核量子效应

碳化硅作为一种半导体材料，因其卓越的硬度和抗性而在陶瓷、电子和可再生能源领域日益重要。在本研究中，我们深入探讨了核量子运动（即振动模式量子化）对3C-SiC结构和弹性性质的影响。这一在传统{\it ab-initio}计算中难以捉摸的方面，通过使用高效紧束缚（TB）哈密顿量的路径积分分子动力学（PIMD）模拟进行了探索。这项研究涵盖了广泛的温度和压力范围，包括拉伸应力，巧妙地解决了固态振动模式中的量子化和非谐性。通过与零温下的密度泛函理论计算结果进行比较，验证了TB模型的准确性。通过将PIMD结果与经典分子动力学模拟结果进行比较，评估了量子效应的大小。我们的研究发现，由于原子的零点振荡，弹性常数$C_{11}$、$C_{12}$和$C_{44}$分别显著降低了5%、10%和4%。因此，在低温下，3C-SiC的体积模量和泊松比分别降低了7%和5%。这些量子效应在材料的结构和弹性属性中持续存在，甚至超过室温，这强调了在准确描述SiC的这些基本性质时必须考虑核量子运动。