Ab initio Characterization of anharmonic materials - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Ab initio Characterization of anharmonic materials

Caractérisation ab initio des matériaux anharmoniques

Résumé

Accurate prediction of thermodynamic and transport properties of materials from first principles requires an understanding of anharmonicity resulting from phonon-phonon interaction. The standard quasiharmonic approximation neglect explicit temperature dependence of phonons and is invalid at high temperature, especially near a phase transition, or even at low temperatures if the energy profile is shallow or if the quantum nature of nuclei cannot be disregarded, which warrants the need for anharmonic methods. Furthermore, the perturbative treatment of anharmonicity can be problematic in the presence of imaginary phonons, with no suitable ground state upon which a perturbative expansion can be built. We present a method of computing anharmonic phonons in which the only assumption appears to be the form of the dynamical matrices. Starting from a given crystal geometry and a grid of q-points in the irreducible Brillouin zone, we define a trial dynamical matrix using an orthonormal symmetrized basis whose values can be randomly generated. The trial dynamical matrices are optimized by fitting to forces sampled standard ab-initio molecular dynamics and with Langevin dynamics, based on the temperature-dependent effective potential method. By way of example, we apply it to study anharmonic phonon renormalization in weakly and strongly anharmonic materials, reproducing the temperature effect on phonon frequencies, stabilization of high-temperature phases in metals, and phase transition in ferroelectrics, in good agreement with the experiment.
La prédiction précise des propriétés thermodynamiques et de transport des matériaux à partir des premiers principes nécessite une compréhension de l'anharmonicité résultant de l'interaction phonon-phonon. L'approximation quasiharmonique standard néglige la dépendance explicite de la température des phonons et est invalide à haute température, en particulier près d'une transition de phase, ou même à basse température si le profil d'énergie est peu profond ou si la nature quantique des noyaux ne peut être ignorée, ce qui justifie la nécessité de méthodes anharmoniques. De plus, le traitement perturbatif de l'anharmonicité peut être problématique en présence de phonons imaginaires, sans état fondamental approprié sur lequel une expansion perturbative peut être construite. Nous présentons une méthode de calcul des phonons anharmoniques dans laquelle la seule hypothèse semble être la forme des matrices dynamiques. À partir d'une géométrie cristalline donnée et d'une grille de q-points dans la zone irréductible de Brillouin, nous définissons une matrice dynamique d'essai à l'aide d'une base orthonormée symétrisée dont les valeurs peuvent être générées aléatoirement. Les matrices dynamiques d'essai sont optimisées en s'adaptant à la dynamique moléculaire ab-initio standard échantillonnée des forces et à la dynamique de Langevin, sur la base de la méthode du potentiel effectif dépendant de la température. A titre d'exemple, nous l'appliquons pour étudier la renormalisation anharmonique des phonons dans des matériaux faiblement et fortement anharmoniques, reproduisant l'effet de la température sur les fréquences des phonons, la stabilisation des phases à haute température dans les métaux et la transition de phase en ferroélectrique, en bon accord avec l'expérience.
Fichier principal
Vignette du fichier
GARBA_IB_these_2023.pdf (7.2 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04496128 , version 1 (08-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04496128 , version 1

Citer

Ibrahim Buba Garba. Ab initio Characterization of anharmonic materials. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Sorbonne Université, 2023. English. ⟨NNT : 2023SORUS364⟩. ⟨tel-04496128⟩
16 Consultations
1 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More