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倔強(qiáng)的堅(jiān)果墻鐵桿木蟲 (正式寫手)
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從傳統(tǒng)到低維——分享關(guān)于Bi2Te3體系熱電性能模擬計(jì)算的的文章 已有3人參與
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分享關(guān)于Bi2Te3體系熱電性能模擬計(jì)算的的文章（按時(shí)間先后順序）：1. Phys. Rev. B 68, 125210 (2003) http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.68.125210. 應(yīng)該是運(yùn)用Boltzmann理論計(jì)算Bi2Te3熱電性能的開山之作，直到2006年release的Boltzmann源程序（Comput. Phys. Commun. 175, 67 (2006). http://www.sciencedirect.com/sci ... i/S0010465506001305 ）才徹底解決了草根科研工作者也能順利的進(jìn)行計(jì)算模擬的難題。這篇文章采用的一些計(jì)算方法和方式也一直被沿用（以下將會(huì)講到），例如：a.弛豫時(shí)間的處理上，將理論得到的電導(dǎo)率/弛豫時(shí)間與實(shí)驗(yàn)電導(dǎo)率進(jìn)行擬合。b.估計(jì)ZT值的大小上運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的晶格熱導(dǎo)率，等等。雖然這些方法看上去很粗糙，但是通過(guò)結(jié)合經(jīng)典的Boltzmann理論和first-principle原理能得出與實(shí)驗(yàn)相符的結(jié)果不能不說(shuō)這是不小的成功。接下來(lái)就是3年后的這篇2. Appl. Phys. Lett. 88, 022107 (2006). http://scitation.aip.org/content ... /10.1063/1.2162863. 同樣是處理Bi2Te3體系，同樣是運(yùn)用Boltzmann理論，在熱電系數(shù)的處理上（弛豫時(shí)間，晶格熱導(dǎo)率）同樣運(yùn)用了Phys. Rev. B 68, 125210 (2003)處理方式，這篇文章的唯一亮點(diǎn)是電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算上運(yùn)用tight-bonding modeling，這應(yīng)該是在方法上的一個(gè)促進(jìn)。緊接著是2年后的3. Phys. Rev. B 77, 125209 (2008). http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.77.125209. 在計(jì)算原理上也是采用first-principles原理結(jié)合Boltzmann理論，該文中的亮點(diǎn)是弛豫時(shí)間的處理上采用了Matthiessen rule，不在是簡(jiǎn)單的與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合。另外開創(chuàng)了運(yùn)用第一性原理擬合的原子間勢(shì)（Morse勢(shì)）運(yùn)用到lammps中計(jì)算Bi2Te3的晶格熱導(dǎo)率先河，在一整套輸運(yùn)系數(shù)都是通過(guò)計(jì)算模擬的情況下計(jì)算的ZT值與實(shí)驗(yàn)符合的相當(dāng)好。接下來(lái)就是4. Phys. Rev. B 80, 165203 (2009). http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.80.165203. 這篇文章沒(méi)有計(jì)算Bi2Te3體系的輸運(yùn)系數(shù)，僅僅是在Phys. Rev. B 77, 125209 (2008)擬合的勢(shì)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)（將復(fù)雜的two-body和three-body勢(shì)改為更為簡(jiǎn)潔的two-body勢(shì)），然而精簡(jiǎn)后的勢(shì)更能反應(yīng)Bi2Te3體系的物理性能，從而更加精準(zhǔn)的模擬的實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的Bi2Te3的晶格熱導(dǎo)率。 接下來(lái)要談到Bi2Te3低維體系了（此處著重于films），我們知道Bi2Te3塊體材料的基本組成單元是5原子層（quintuple-layer，ie，QL）通過(guò)vdW結(jié)合。而低維體系在熱電性能方面更加優(yōu)異，因而從10年開始，更多的工作集中于Bi2Te3 films上，例如這篇5. Appl. Rev. Lett. 97, 212102 (2010). http://scitation.aip.org/content ... /10.1063/1.3518078. 該文利用第一性原理結(jié)合Landauer formalism計(jì)算了Bi2Te3 QL的熱電性能，預(yù)測(cè)到Bi2Te3 QL 的ZT值居然高到難以置信的7.15。我們暫且不論該ZT值的正確與否，該文的一些方法也是值得大家學(xué)習(xí)，在低維體系的計(jì)算上采用Landauer formalism （前提是該方法正確的重復(fù)了bulk Bi2Te3的熱電性能）。在此對(duì)即將踏入計(jì)算行業(yè)的同學(xué)說(shuō)一句題外話：在我們運(yùn)用一種方法計(jì)算一個(gè)體系的性能時(shí)，一定要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的驗(yàn)證，不然就連我們自己也不能確定計(jì)算的結(jié)果是否正確。當(dāng)然這篇文章的不足體現(xiàn)在：在估算ZT值依然運(yùn)用實(shí)驗(yàn)上bulk Bi2Te3的晶格熱導(dǎo)率，運(yùn)用bulk Bi2Te3的平均自由程計(jì)算Bi2Te3 QL的輸運(yùn)系數(shù)。接下來(lái)6. Appl. Phys. Latt. 102, 093103 (2013). http://scitation.aip.org/content ... /10.1063/1.4794534. 該文應(yīng)該是Appl. Rev. Lett. 97, 212102 (2010)的一個(gè)延續(xù)，因?yàn)樵谟?jì)算方法上都是采用了DFT結(jié)合Landauer formalism，不同點(diǎn)在于體系從1QL計(jì)算到6個(gè)QL，由于在計(jì)算上存在晶格熱導(dǎo)率和平均自由程大小的不確定，該文巧妙的避開了這兩個(gè)問(wèn)題采用ZTe來(lái)比較熱電性能隨著films的厚度變化。最后7. J. Appl. Lett. 116, 023706 (2014). http://scitation.aip.org/content ... /10.1063/1.4889921. 該文在低維Bi2Te3的熱電性能的處理上回歸了Boltzmann結(jié)合DFT。弛豫時(shí)間采用bulk Bi2Te3的弛豫時(shí)間，首次擬合了低維Bi2Te3的原子間勢(shì)來(lái)計(jì)算晶格熱導(dǎo)率，同時(shí)模擬計(jì)算了（Bi0.5Sb1.5）2Te3的熱電性能。該文預(yù)測(cè)傳統(tǒng)的低溫?zé)犭姴牧螧i2Te3在低維的情況下會(huì)轉(zhuǎn)變成較好的中溫（800K）熱電材料（ZT=2.2），這在之前的實(shí)驗(yàn)得到部分驗(yàn)證（文中有說(shuō)明），然而，這種預(yù)測(cè)是否真正如此，還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。 好了，就說(shuō)這么多了，我主要是為了給即將進(jìn)入熱電領(lǐng)域的同學(xué)們一個(gè)基本概況，另外就是計(jì)算方法和模型的介紹，由于僅僅局限于Bi2Te3體系，難免比較片面，文中有什么紕漏之處還請(qǐng)大家多多包涵，我個(gè)人不親睞于ATK因而文中沒(méi)有提及，一個(gè)重要原因就在于ATK的彈道輸運(yùn)在低維體系下是否真的適用，這也一直是計(jì)算界同行爭(zhēng)議頗大的問(wèn)題（當(dāng)然文章不好發(fā)，是不是有點(diǎn)功利，0.0）。最后，對(duì)于計(jì)算模擬我想提出幾點(diǎn)看法：從當(dāng)初模擬預(yù)測(cè)好的熱電性能材料到現(xiàn)在的自說(shuō)自話（特別是一些計(jì)算軟件的強(qiáng)大到只需進(jìn)行基本的模型構(gòu)造就能給出最終ZT值，我給它取名ZT值計(jì)算器），我們看到有多少文章是拿一個(gè)體系就算它的ZT值，完全脫離了實(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用的基本原則。另外就是慢慢淪為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確的附庸工具，計(jì)算也正慢慢沒(méi)落。最后，我想問(wèn)關(guān)于Bi2Te3體系，拓?fù)浣^緣體性質(zhì)和熱電性能的聯(lián)系是什么？謝謝大家�。。。ū静牧蟽H供內(nèi)部交流使用，請(qǐng)勿外傳） |
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10樓2014-07-11 13:59:32
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