Electrical conductivity from first principles
Creators: name: Yuan, Zhenkun
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2022
Subjects: subject: Elektrische Leitfähigkeit
subject: ersten Prinzipien
subject: Kubo-Greenwood-Formel
subject: ab initio Molekulardynamik
subject: Superzellenberechnungen
subject: Electrical conductivity
subject: first principles
subject: Kubo-Greenwood formula
subject: ab initio molecular dynamics
subject: supercell calculations
subject: 530 Physik

description: Die zuverlässige Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit vieler Materialien aus ersten Prinzipien erfordert die Berücksichtigung der anharmonischen Gitterdynamik. Der ab initio Kubo-Greenwood (KG)-Ansatz, der die KG-Leitfähigkeitsformel und die ab initio-Molekulardynamik kombiniert, scheint vielversprechend zu sein, da er die Anharmonizität des Gitters auf natürliche Weise berücksichtigt. Seine Anwendung auf kristalline Materialien hat jedoch bisher nur wenig Beachtung gefunden. Diese Arbeit beschreibt den KG-Ansatz und stellt eine numerische Implementierung dieses Ansatzes für den harmonischen Kristall Si und den anharmonischen Kristall SnSe vor. Die Fallstudie für Si zeigt erhebliche numerische Schwierigkeiten bei den KG-Berechnungen auf. Insbesondere behindert die erforderliche dichte k-Punkt-Abtastung die Konvergenz in Superzellengröße und macht die Berechnungen nur innerhalb der (semi-)lokalen Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchführbar. Außerdem führt die notwendige Einführung eines Verbreiterungsparameters (η) zu einer erheblichen Unsicherheit bei der Bestimmung der Leitfähigkeit. Um diese Probleme zu lösen, werden rechnerisch effiziente Strategien diskutiert, darunter: (i) der "Scherenoperator"-Ansatz zur Korrektur des DFT-Bandlückenproblems; (ii) das "Optimal-η-Schema" zur Wahl eines geeigneten Wertes von η; und (iii) die Finite-Size-Scaling-Methode zur Ableitung der Leitfähigkeit in der thermodynamischen Grenze. Es wird festgestellt, dass die KG-Berechnungen mit diesen Strategien Leitfähigkeiten in angemessener Übereinstimmung mit den Experimenten ergeben. Der Vergleich mit früheren ab initio Boltzmann-Transportberechnungen zeigt jedoch, dass das η-Problem und die Frage der Konvergenz in Superzellengröße weiter verbesserte Konzepte erfordern. Die Fallstudie für SnSe zeigt sehr ähnliche numerische Schwierigkeiten wie im Fall von Si. Es werden Einblicke in die Auswirkung der Anharmonizität auf die Konvergenz der Superzellengröße gegeben.
description: Reliable first-principles calculation of the electrical conductivity in many materials requires accounting for the anharmonic lattice dynamics. The ab initio Kubo-Greenwood (KG) approach, which combines the KG conductivity formula and ab initio molecular dynamics, appears to be promising because it naturally includes lattice anharmonicity. However, its application to crystalline materials has so far received very little attention. This thesis describes the KG approach and presents a numerical implementation of this approach for the harmonic crystal Si and the anharmonic crystal SnSe. The case study for Si identifies considerable numerical difficulties in the KG calculations. In particular, the dense k-point sampling required hinders supercell-size convergence and makes the calculations only feasible within (semi)local density-functional theory (DFT). Besides, the necessary introduction of a broadening parameter (η) introduces a significant uncertainty in determining the conductivity. To address these issues, computationally efficient strategies are discussed, including: (i) the "scissor operator" approach to correct the DFT band-gap problem; (ii) the "optimal-η scheme" to choose an appropriate value of η; and (iii) the finite-size scaling method to deduce the conductivity in the thermodynamic limit. It is found that with these strategies, the KG calculations yield conductivities in reasonable agreement with experiment. Yet, comparison with previous ab initio Boltzmann transport calculations shows that the η problem and the issue of supercell-size convergence still require improved concepts. The case study for SnSe shows very similar numerical difficulties as in the case of Si. Insights into the effect of anharmonicity on the supercell-size convergence are provided.