【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料设计与筛选领域，特别是涉及一种快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法。
技术介绍
1、热导率是材料的基本物理量之一，其描述了热能在传递过程中所表现的物理特性。从日常民用到航空航天等众多应用场景中，不同场景对材料的热导率的要求各异。为此，研究人员一直积极探寻各种精确调控材料热导率的途径以满足不同领域的需求。在材料科学设计与应用领域中，掺杂手段因可有效调控材料性能而被广泛采用。某些掺杂情况会引入电荷载流子(如电子和空穴)来优化电输运性能，但所引入的电荷会在两方面影响材料的热导率：一是使电子热导率增加；二是电子与传热的声子相互作用形成电声散射机制，从而降低晶格热导率。随着实验技术不断进步，所能达到的掺杂浓度越来越高。以热电材料为例，为实现良好的热电优值，掺杂浓度常高达1021cm-3。在如此高的掺杂剂量下，计算材料的晶格热导率时除了要考虑本征三声子散射机制外，电声散射机制的影响绝不可忽视。如单晶硅在空穴掺杂浓度达1021cm-3时，考虑电声散射机制后晶格热导率的降幅可高达45％。总之，在材料热输运性质的设计与优化过程中，对于重掺杂材料必须更深入地考量电声散射机制。
2、在针对电声相互作用进行计算模拟的初始阶段即密度泛函微扰理论中，需对整个布里渊区的电声散射过程进行精确采样，此过程中每个声子波矢的晶格动力学都涉及大量矩阵元的计算，导致该方法极为耗时费力。随后发展出相对高效且计算准确的瓦尼尔插值法，利用瓦尼尔函数的实空间局域化，通过广义傅里叶插值获取电声耦合矩阵元，这一精确电声计算方法已在文献comput
3、
4、其中为电声耦合矩阵元，描述了初态电子(波矢为k，能带n)被声子(波矢q，模式λ)散射到末态(波矢为k+q，能带m)的散射强度。ε表示电子能量，f表示费米狄拉克分布，ω为声子振动频率。在此方法中，电声耦合矩阵元呈五维矩阵形式，该物理量的计算不仅对内存量有较高要求，也严重限制了计算效率。比如三原子体系的电声计算通常需超过7000cpu核时；十二原子体系的电声计算至少需要2tb的内存。
5、以上限制致使电声散射机制下的晶格热导率计算效率很低，且难以实现大规模体系的电声计算。因此，迫切需要一种能快速计算电声相互作用，并将其纳入材料晶格热导率计算的方法。
技术实现思路
1、针对上诉问题，本专利技术目的在于准确获得电声散射机制下晶格热导率的同时，大大降低电声计算的成本和时间。为此提出了一种基于形变势近似的高效计算电声散射率的方法，该方法利用形变势、体模量等材料的基本物理量替代了计算繁琐的电声耦合矩阵元，并在计算精度和计算效率上取得平衡。
2、为了快速获得电声散射机制下材料的晶格热导率，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，该方法包括如下步骤：
4、s1，确定材料体系的晶体结构，获得三声子散射过程的相关物理量；
5、s2，基于相关物理量，得到电子能量本征值；
6、s3，计算材料体系的基本物理量；
7、s4，基于电子能量本征值、基本物理量和相关物理量，获得高效电声散射率；
8、s5，基于相关物理量和高效电声散射率获得总声子散射率，再结合晶格热导率张量公式，获得电声散射机制下的晶格热导率。
9、优选地，s1中，通过第一性原理计算材料体系在撒点密度为n(n＝n1×n2×n3)的网格下，三声子散射过程的相关物理量，相关物理量包括声子振动频率ω，声子群速度v，三声子散射率声子热容cv。
10、优选地，s1包括如下子步骤：
11、s1.1，材料体系的晶体结构从数据库平台中获得或依据通过实验测得的晶格参数和原子位置信息来构建晶胞结构；
12、s1.2，利用有限位移法或密度泛函微扰法，获得材料体系的二阶原子间力常数和三阶原子间力常数，再将力常数文件代入玻尔兹曼输运方程，通过迭代求解，得到三声子散射过程的相关物理量。
13、优选地，s2中，利用第一性原理计算材料体系在撒点密度为n(n＝n1×n2×n3)的网格下的电子能量本征值。
14、优选地，s3中，利用第一性原理计算材料体系的基本物理量，基本物理量包括形变势(单位ev)，体模量(单位gpa)，晶胞体积(单位)，以及掺杂后的费米能级位置(单位ev)。
15、优选地，s4中，将基本物理量、电子能量本征值和声子振动频率ω代入推导得到的基于形变势近似的高效电声散射率公式中，利用电子和声子能量符合能量守恒来判断相互作用发生，计算求得每个声子模式(q,λ)下的高效电声散射率。
16、优选地，基于形变势近似的高效电声散射率公式，推导过程如下：
17、电声耦合矩阵元的表达式为：
18、
19、即初态在能带n波矢为k的电子态被带λ波矢为q的声子散射到电子态在能带m，波矢为k+q的末态表示了声子模式(q,λ)相关的原子位移引起的一阶ks势能偏差，m为原胞质量，在声子长波极限下(|q|→0)，电声耦合矩阵元随波矢q的变化成线性关系：
20、
21、将(2)代入(1)中得到可用基本物理性质取代的电声耦合矩阵元表达式：
22、
23、其中v为材料原胞体积，b为材料体模量，将此公式带入到电声散射率计算公式中得到高效电声散射率的表达式：
24、
25、优选地，s5中，利用马西森定则将三声子散射率和高效电声散射率结合：
26、
27、得到总声子散射率后，利用晶格热导率张量公式：
28、
29、式中ω为原胞体积，f0为费米狄拉克分布，τλ为总声子散射率；结合相关物理量，获得电声散射机制下的晶格热导率。
30、与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：
31、(1)提供了一种可以高效计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法。
32、(2)通过形变势近似理论取代了传统电声计算中耗时耗力的电声耦合矩阵元，在保持计算相对精度的同时大幅度降低计算成本。
33、(3)该方法大大降低了计算所需的硬盘内存，可实现多原子复杂体系的电声相互作用计算。
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1.一种快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，步骤包括：
2.根据权利要求1所述的快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，所述S1中，通过第一性原理计算所述材料体系在撒点密度为N(N＝N1×N2×N3)的网格下，三声子散射过程的相关物理量，所述相关物理量包括声子振动频率ω，声子群速度v，三声子散射率声子热容Cv。
3.根据权利要求1所述的快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，所述S1包括如下子步骤：
4.根据权利要求2所述的快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，所述S2中，利用第一性原理计算所述材料体系在撒点密度为N(N＝N1×N2×N3)的网格下的电子能量本征值。
5.根据权利要求2所述的快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，所述S3中，利用第一性原理计算所述材料体系的基本物理量，所述基本物理量包括形变势(单位eV)，体模量(单位GPa)，晶胞体积(单位)，以及掺杂后的费米能级位置(单位eV)。
6.根据权利要求5所述的快速计算电声
7.根据权利要求6所述的快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，所述基于形变势近似的高效电声散射率公式，推导过程如下：电声耦合矩阵元的表达式为：
8.根据权利要求7所述的快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，所述S5中，利用马西森定则将所述三声子散射率和所述高效电声散射率结合：
...【技术特征摘要】
1.一种快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，步骤包括：
2.根据权利要求1所述的快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，所述s1中，通过第一性原理计算所述材料体系在撒点密度为n(n＝n1×n2×n3)的网格下，三声子散射过程的相关物理量，所述相关物理量包括声子振动频率ω，声子群速度v，三声子散射率声子热容cv。
3.根据权利要求1所述的快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，所述s1包括如下子步骤：
4.根据权利要求2所述的快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，所述s2中，利用第一性原理计算所述材料体系在撒点密度为n(n＝n1×n2×n3)的网格下的电子能量本征值。
5.根据权利要求2所述的快速计算电声散射机制下材料晶格热导率的方法，其特征在于，所述s3中，利用第一性原理...
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