title: "Ab initio" calculation of polaron properties using harmonic and anharmonic phonons
Creators: name: Schwarz, Markus
Publisher: name: :none
Year: 2025

description: Polaronen sind Quasiteilchen, die bei physikalischen Phänomenen wie Thermoelektrizität und Photoemission sowie bei Materialeigenschaften wie elektrischer Leitfähigkeit und Oberflächenreaktivität eine zentrale Rolle spielen. Bis vor Kurzem erfolgte die dichtefunktionaltheorie-basierte Untersuchung der Polaronenbildung ausschließlich mithilfe von Superzellen. Diese Methode ist jedoch auf die Berechnung kleiner Polaronen beschränkt, da Berechnungen mit größeren Zellen, die die Bildung mittelgroßer oder großer Polaronen ermöglichen, aufgrund des hohen Rechenaufwands nicht praktikabel sind. Die vorliegende Arbeit behandelt die Polaronenbildung im Rahmen einer kürzlich vorgestellten, dichtefunktionaltheorie-basierten ab initio-Theorie, die ausschließlich mit Eingangsparametern arbeitet, die in der Einheitszelle berechenbar sind. Diese Theorie erlaubt die Beschreibung sowohl kleiner als auch großer Polaronen. Im praktischen Teil der Arbeit wurden darauf basierende Berechnungen für Elektronen- und Lochpolaronen in LiF durchgeführt. In einem weiteren Schritt wurde für die Berechnung des Lochpolarons eine anharmonische Phononendispersion verwendet, die mithilfe der self-consistent harmonic approximation-Methode berechnet wurde. Die Berechnungen zur Elektronen- und Lochpolaronenbildung unter Verwendung einer harmonischen Phononendispersion in LiF zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den in der Literatur angegebenen Werten. Weiterführende Berechnungen mit einer anharmonischen Phononendispersion ergeben jedoch eine vergleichsweise erhöhte Polaronenbildungsenergie. Die Berücksichtigung anharmonischer Beiträge zur Phononendispersion macht die Lochpolaronenbildung in LiF daher energetisch ungünstiger.
description: Polarons are quasiparticles that play a key role in various phenomena, such as charge transport, surface reactivity, thermoelectricity, and photoemission. Until recently, computational investigations of polaron formation based on density functional theory (DFT) were carried out by adding an excess charge to a supercell. This method is limited to small polarons, as medium-sized or large polarons cannot form in computationally tractable supercells. This thesis investigates polaron formation within the framework of a recently developed ab initio theory of polarons, which relies solely on DFT calculations within the unit cell, rigorously describing both small and large polarons. On the basis of this approach, polaron formation calculations are carried out for electron and hole polarons in LiF. Additionally, further hole polaron calculations are performed, incorporating anharmonic phonons, calculated using the stochastic self-consistent harmonic approximation (SSCHA). The results for electron and hole polarons in LiF, based on a harmonic phonon dispersion, are in very good agreement with values reported in the literature. Hole polaron calculations incorporating anharmonic phonons yield higher formation energies compared to values obtained from calculations with harmonic phonons. This indicates that hole polaron formation becomes energetically less favorable in LiF when anharmonicity is included.