晶格熱導率計算
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
晶格熱導率計算的實例教程
【引言】
熱無處不在：人類創造的能量中多于2/3都以熱量的形式流失。熱電材料可以無需旋轉部件或溫室排放，直接將未開發的浪費的熱量轉化為電能。因此，熱電材料研究在近幾十年來受到了廣泛關注。提供熱電材料性能的方法就像Slack提出的名為“電子-晶體 聲子-玻璃”的雙向策略一致，一方面通過能帶結構工程使電導率、Seebeck系數和載流子熱導率退耦合，得到較高的功率因數；另一方面，通過全方位層次結構抑制晶格熱容。根植于高熵合金的核心效應，熵工程可實現高熵合金能帶結構工程和多尺度層次結構的協同效應。
【成果簡介】
近日，深圳大學的李均欽教授（通訊作者）團隊在Advanced Energy Materials上發表了題為“Entropy Engineering of SnTe: Multi‐Principal‐Element Alloying Leading to Ultralow Lattice Thermal Conductivity and State-of-the-Art Thermoelectric Performance”的文章。增加合金元素的數目，需要補償載流子遷移率，這一直是高熵合金應用于熱電材料領域的挑戰。而此篇文章作者考慮了多組元合金體系，即合金元素少于五種的“低配版”高熵合金。組元并不是等摩爾的，混合熵卻足夠高來引發高熵合金的核心效應。未驗證多組元合金化體系的合理性，作者選擇環境友好的SnTe作為最佳材料樣本，其簡單的fcc巖鹽型結構易于展示多組元合金體系的效力，考慮到高熵合金效應，巖鹽型結構也有利于形成單相高熵合金。
展開 在前面的文章中，介紹了非平衡態下石墨烯的熱導率模擬方法，本文介紹第二種熱導率模擬方法：使用平衡態分子動力學（EMD）計算熱導率。
本文仍然以石墨烯熱導率計算為例，以供大家對比參考。
在平衡態下計算熱導率，主要計算公式為Green-Kubo。
用到的主要命令為compute heat/flux。
用法為：
compute myFlux all heat/flux myKE myPE myStress
其中，myKE為原子動能，myPE為原子勢能，myStress為原子應力。
在使用compute heat/flux命令前，必須提前計算出這三個量的值。
下面給出石墨烯EMD熱導模擬代碼，代碼已經注釋。data文件可自己建模，也可加微信sunnyfirst888聯系獲取。
熱導率具體計算方法在集訓營會有詳細介紹，如有需要可微信聯系。
案例代碼
本文作者小馬老師正式推出一對一咨詢輔導服務，根據課題方向不同詳細講解對應的in文件編寫方法、模擬關鍵技術、數據后處理，經一對一咨詢輔導后能夠獨立編寫出in文件。
公眾號:
320科技工作室
展開 電導率σ，塞貝克系數S的計算：
使用vaspkit計算處對應的物理量，具體流程為：
準備好計算的材料對應的POSCAR。如果是二維材料可以使用vaspkit 的921或923功能對二維材料POSCAR進行標準化。
進行結構優化。
使用 vaspkit-681命令生成高密度的KPOINTS，然后進行靜態計算 （注意只有使用這項功能生成KPOINTS計算的結果才能繼續使用vaspkit命令計算下一步，使用M-S方法自動生成K點的計算結果無法進行下一步）。
準備對應的INPUT.in文件用于輸運性質計算
關于INPUT文件中的參數，一般只需要調整Temperature 以及Relaxation time。其中Relaxation time 一般可以通過查找文獻得到當前研究的結構的載流子Relaxation time/scattering time 。當我們查找不到時就需要自己計算出Relaxation time。
晶格熱導率的計算
計算晶格熱導率我們需要用到的軟件包括Phonopy,Thirdorder,ShengBTE。
其中Phonopy用于計算聲子譜及二階力常數，Thirdorder用于計算三階力常數，ShengBTE用于結合前面兩者的結果計算晶格熱導率。
1、Phonopy計算聲子譜及二階力常數
計算聲子譜及二階力常數的具體流程如下：
（1）對初始結構進行高精度的結構優化
這一步中INCAR的主要參數是EDIFFG，一般情況下應達到EDIFFG=-1E-8的標準。考慮優化速度，可以通過優化多次，每次優化時逐步減小EDIFFG直到EDIFFG=-1E-8的方法進行優化。高精度優化中IBRION建議設置為1，且當EDIFFG較小時建議設置ISIF=2。
展開 熱電形勢下的聲子
其實，聲子和固體熱導率，特別是復雜結構的晶格熱導率計算很麻煩。做第一性原理計算的物理人一貫懼怕聲子譜計算。原因之一是聲子譜計算量大，但聲的彩虹并不漂亮，因為只能間接地去“聽”而不能“看”那些低頻的聲音。其實，人類的“聽”覺也可以很美，就像聽杰奎琳·杜普雷的《殤》也可以讓人潸然淚下一般。不過，間接聽“聲”的彩虹，對多數人而言味同爵蠟。
但有一種非慣性坐標系可以將聲的彩虹編織得很美，那就是熱電材料了。近幾十年來，熱電能源轉換材料的發展有些誘人，具有極低晶格熱導率的材料體系層出不窮。實驗上，的確看到了許多材料的晶格熱導率已經低于基于 Debye 線性聲子分布模型的理論最低值極限 (圖5)，這進一步反映了 Debye 線性分布假設的局限性。基于固體材料中聲波 (或應該稱之為格波) 亦可鑄就彩虹這一物理本質，可以發展出更加接近真實的聲子分布理論模型，部分成功地解釋諸多材料中實測晶格熱導率低于 Debye 線性分布所預測的最低理論極限之矛盾，為進一步降低晶格熱導率的可能性提供了合理理論依據 (圖 5)。
當然，筆者這里做的這件事算不得什么功德之事。文獻中曾經大量報道很多材料的晶格熱導率已經超越Debye - Cahill 極限，從而獲得編輯和審稿人的高度重視。現在，我們可以告訴那些編輯和審稿人：這里還是有一些貓膩的。不是作者的問題，全是Debye 那廝埋下伏筆，讓我們蕓蕓眾生有上當受騙之感。嘿嘿嘿，事實上，這樣的壞點子常常是一個優秀學者炫耀自己的常用手段，就像黎曼猜想、就像費馬定理。他們自己撒手不管，讓后人“為伊消得人憔悴”。
圖8. 不考慮固體材料中(已有工作，上半圖) 和考慮固體材料中(本工作，下半圖)原子周期性排布晶格熱傳導理論發展簡圖。
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晶格熱導率的計算
計算晶格熱導率我們需要用到的軟件包括Phonopy,Thirdorder,ShengBTE。
其中Phonopy用于計算聲子譜及二階力常數，Thirdorder用于計算三階力常數，ShengBTE用于結合前面兩者的結果計算晶格熱導率。
大家好，我是小馬老師。
在前面的文章中，介紹了非平衡態下石墨烯的熱導率模擬方法，本文介紹第二種熱導率模擬方法：使用平衡態分子動力學（EMD）計算熱導率。
本文仍然以石墨烯熱導率計算為例，以供大家對比參考。
在平衡態下計算熱導率，主要計算公式為Green-Kubo。
用到的主要命令為compute heat/flux。
用法為：
compute myFlux all
熱電形勢下的聲子
其實，聲子和固體熱導率，特別是復雜結構的晶格熱導率計算很麻煩。做第一性原理計算的物理人一貫懼怕聲子譜計算。原因之一是聲子譜計算量大，但聲的彩虹并不漂亮，因為只能間接地去“聽”而不能“看”那些低頻的聲音。其實，人類的“聽”覺也可以很美，就像聽杰奎琳·杜普雷的《殤》也可以讓人潸然淚下一般。不過，間接聽“聲”的彩虹，對多數人而言味同爵蠟。
【引言】
熱無處不在：人類創造的能量中多于2/3都以熱量的形式流失。熱電材料可以無需旋轉部件或溫室排放，直接將未開發的浪費的熱量轉化為電能。因此，熱電材料研究在近幾十年來受到了廣泛關注。提供熱電材料性能的方法就像Slack提出的名為“電子-晶體 聲子-玻璃”的雙向策略一致，一方面通過能帶結構工程使電導率、Seebeck系數和載流子熱導率退耦合，得到較高的功率因數
