Investigation of thermal and optical properties of perovskite materials by advanced phonon calculations

通过先进声子计算研究钙钛矿材料的热学和光学性质

基本信息

批准号：
21K03424
负责人：
只野央将
金额：
$ 2.66万
依托单位：
National Institute for Materials Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

前年度に開発したSCP+B法 (自己無撞着フォノン(SCP)理論にバブルダイアグラム補正を考慮する方法）をさらに高精度化するべく、バブルダイアグラムの自己無撞着な取り扱いを中心に理論・数値的な検討を進めた。バブルダイアグラムを自己無撞着に考慮するためには、有限の線幅を持つフォノングリーン関数を入力とする必要がある。そこで、立方晶CsPbBr3を対象に、グリーン関数の線幅に対するバブル自己エネルギーの依存性を検証した。その結果、グリーン関数の線幅を大きくするにつれてバブル自己エネルギーによる振動数シフトが小さくなることが明らかになった。この結果から、グリーン関数の線幅についても、ゼロではなくフォノン準粒子スペクトルにおける線幅と整合するように決定する重要性が定量的に示された。以上の理論的検討に加え、SCP理論に基づく有限温度での構造最適化手法の開発も進めた。ある結晶構造におけるヘルムホルツ自由エネルギーをSCP法で計算するためには、その結晶構造における調和・非調和原子間力定数(IFC)を密度汎関数理論に基づいて決定する必要がある。したがって、有限温度で結晶構造が変化する状況ではIFCの計算コストが大幅に増大してしまうという問題があった。これを解決するため、IFCを各構造において計算するのではなく、ある構造で決めたIFCから別の少し異なる結晶構造におけるIFCを補間する方法を考案し、計算コードの実装を行った。提案手法をBaTiO3を用いて精度検証を行い、 IFC補間の精度が概ね十分である事を確認した。また、開発した構造最適化手法を用いることでBaTiO3の逐次相転移を再現することに成功した。さらにルチル型構造のTiO2に対してr2SCAN汎関数とSCP+B法を組み合わせた非調和フォノン計算を行い、複素誘電率の振動数依存性を高い精度で再現することにも成功した。

为了进一步提高前一年开发的SCP+B方法（自洽声子（SCP）理论中考虑气泡图修正的方法）的精度，我们针对自洽处理进行了理论和数值分析。我们继续进一步考虑气泡图。为了自洽地考虑气泡图，需要输入具有有限线宽的声子格林函数。因此，我们研究了立方 CsPbBr3 气泡自能对格林函数线宽的依赖性。结果表明，随着格林函数线宽的增加，气泡自能引起的频移减小。这一结果定量地证明了确定格林函数线宽的重要性，使其与声子准粒子谱中的线宽相匹配而不是为零。除了上述理论研究外，我们还开展了基于SCP理论的有限温度结构优化方法的开发。为了使用SCP方法计算某种晶体结构中的亥姆霍兹自由能，需要基于密度泛函理论确定该晶体结构中的谐波和非谐波原子间力常数（IFC）。因此，存在一个问题，即在有限温度下晶体结构发生变化的情况下，IFC的计算成本显着增加。为了解决这个问题，我们设计了一种方法，将针对一种结构确定的 IFC 插入到稍微不同的晶体结构的 IFC 中，而不是计算每种结构的 IFC，并实现计算代码。我们使用 BaTiO3 验证了所提出方法的准确性，并确认 IFC 插值的准确性通常是足够的。此外，通过使用开发的结构优化方法，我们成功地再现了 BaTiO3 的连续相变。此外，我们结合r2SCAN泛函和SCP+B方法对金红石结构的TiO2进行了非简谐声子计算，并成功地高精度地再现了复介电常数的频率依赖性。

项目成果

期刊论文数量（20）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

チャルマース工科大学(スウェーデン)

查尔姆斯理工大学（瑞典）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Anharmonic organic cation vibrations in the hybrid lead halide perovskite CH3NH3PbI3

杂化卤化铅钙钛矿 CH3NH3PbI3 中的非简谐有机阳离子振动

DOI：
10.1103/physrevmaterials.5.105402
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
3.4
作者：
Ishioka Kunie;Tadano Terumasa;Yanagida Masatoshi;Shirai Yasuhiro;Miyano Kenjiro
通讯作者：
Miyano Kenjiro

First-principles calculations of phonons and crystal structures at finite temperatures

有限温度下声子和晶体结构的第一性原理计算