传统QHA方法更新:计算单层碲材料各向异性热膨胀和热动力学性质

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5月23日,记者了解到,河南科技大学刘钢在Physical Review B 上发表了题为“Anisotropic thermal expansion and thermodynamic properties of monolayer β-Te” 的文章。该文章是一篇关于单层碲材料的热输运相关工作,文末会给出另外两篇关于单层碲材料热输运的文献链接。基于准简谐近似法子 (quasi-harmonic approximation, QHA)的理念,

文章提出了有有一种后能 快速且精确计算各向异性材料的热膨胀性质的法子 (pressure-solving quasiharmonic approximation (PS-QHA))。该法子从本质上除理了传统的QHA法子下愿因拉伸材料产生的声子虚频对热膨胀数据的巨大扰动,是对传统QHA法子的更新。该文章中计算热膨胀系数和热力学性质的法子将为Grüneisen 参数、各向异性的线性热膨胀系数、以及材料热机械性能提供更为快速且准确的数据。文章的一块儿第一作者是河南科技大学刘钢和同济大学博士生高志斌。

通常来说,任何物体后能 热胀冷缩的形状。比如用水壶烧开水时,水壶里的水不后能 装得前会 ,怎么让水受热后愿因体积膨胀会溢出;夏天不但空气很热,就连地面也被太阳烤得火热。在阳光曝晒下的自行车,车胎里的空气受热膨胀后,不断地挤压着车胎。愿因车胎里的空气打得太足,愿因车胎上有薄弱的地方,没人 它就会把车胎挤爆。有经验的人他不知道们,为除理夏季自行车爆胎,从不把车胎里的气打得过足,愿因车胎里的气太足应放出血块,留下二氧化碳膨胀的余量。不仅自行车没人 ,汽车车胎后能 同样的问题报告 ,全都 要做好夏季车胎的保养工作。此外,还有公路、铁路、桥面等大型基建设施后能 考虑热膨胀的危害,比如留好伸缩缝隙等。当然,亲戚亲戚朋友也会总是利用热膨胀,如亲戚亲戚朋友常用的温度计等。

二维材料研究的突飞猛进在当今科学领域有目共睹,所暗含的材料各具奇特的性质,且有着基础或应用层面的重要意义。近年来,为将其应用于用于多种仪器设备中,对二维材料的奇形状质展开了深入研究及开发。继首个石墨烯系二维材料随后,包括硅烯和锡烯在内的第四族单层材料,第五族单层材料黑磷烯、蓝磷烯和锑烯,第三族单层的硼烯……许多二维材料被合成出来。除此之外,过渡金属双硫属化合物凭借其相对宽、可调谐的直接带隙以及较强的本征自旋轨道耦合,受到了血块关注。然而,直至今日仍你后能 迷惑的是,没人 第六族元素的单层材料被预测或制备出来,其发生的愿因性不仅进一步富足了研究者们对二维材料领域范围的理解,还后能 从它们奇特的物理化学性能出发,提出新的应用方向。

手机、电脑等电子器件的高效工作后能 适宜的工作温度。不同温度下,不同元器件的热膨胀系数和热力学性质是完整篇 不同的,进而对器件的尺寸、电子性质甚至功耗后能 不同程度的影响。怎么让,热膨胀和热力学性质是材料/器件应用中后能 考虑的重要一环。比如:在高温下材料会膨胀,产生的热应力愿因极大地影响器件的性能,甚至造成器件的损坏。

(a)基于第一性原理计算下的各向同性的 2H-MoS2 和 2H-MoSe2 的线性热膨胀系数。图中黑线基于本文的法子,红色虚线是随后文献数据。

(a)优化后的二维单层碲材料的俯视图和侧视图。(b)二维单层碲材料在不同应力下的声子色散关系。绿色代表没人 应力请况,深紫色 和红色代表±1%应力下的声子谱。(c)沿着xyz好几个 多 方向的声子投影态密度。

二维单层碲材料沿着a轴(a图)和b轴(b图)方向的Grüneisen 参数分布。

(a)二维单层碲材料不同温度下的晶格常数(b)线性热膨胀系数。黑线和红线分别代表a轴和b轴。图b中的点线是基于传统QHA的数据。

(a)传统QHA法子中使用的晶格常数点。深紫色 的点代表老出虚频的晶格常数,红线代表了二维单层碲材料在热膨胀过程中实际经过的点。(b)不同温度下的声子色散关系。