热膨胀和四声子相互作用对负热膨胀材料ScF3晶格热导率的影响
论文链接[1]：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.134320
准确计算材料晶格热导率（κL）并揭示其基本物理机制对于设计各种功能材料和推动凝聚态物理中的晶格动力学的发展至关重要。然而，许多研究表明，传统的只考虑声子准粒子行为的Peierls-Boltzmann理论或经典的非谐波水平（HA + 3ph）不足以全面描述某些材料的声子热输运。为了解决理论计算和实验测量值之间的差异，人们作出了大量的努力，并逐渐揭示了其背后的复杂声子行为，如四声子相互作用、电子-声子相互作用和相干声子输运等。此外，由于热膨胀对晶格常数所带来的变化往往较小，因此在大多数工作中热膨胀对κL的影响并未得到重点关注。尤其是负热膨胀（NTE）对κL影响的有关研究更是稀缺。
基于此，湘潭大学汤准韵博士研究生（第一作者），湘潭大学王晓霞博士研究生（第二作者）、湘潭大学何朝宇教授（第三作者）、湘潭大学李金教授（第四作者）、湖南师范大学陈明星教授（第五作者）、湘潭大学唐超教授（共同通讯）、湘潭大学欧阳滔教授（共同通讯）采用多种理论方法，包括自洽声子理论、统一声子输运理论和分子动力学模拟，系统地研究了典型负热膨胀材料立方相ScF3的晶格动力学和声子热输运行为。考虑热膨胀，利用自洽声子（SCP）理论并结合三、四声子散射，一定程度上解决了理论计算κL与实验测量κL之间的差异。研究结果表明，四声子相互作用显著增加了ScF3的κL，这与传统的直观印象（四声子抑制热输运）相矛盾。这种反直觉的行为主要归因于四次非谐波引起两种旋转声子模式的硬化，从而抑制了非谐散射并增加了κL。此外，还发现热膨胀使ScF3的非谐波散射得到增强，并导致κL下降。由于 NTE 行为显著增强，κL的抑制在高压下变得更加明显；例如，在 0.6 GPa 时，ScF3的室温κL降低了59%。该工作为四声子相互作用和热膨胀对热输运性能的影响提供了更深入的见解。
该工作得到了国家自然科学基金（No. 52372260）和湖南省杰出青年基金(No. 2024JJ2048)支持，已于近日发表于国际知名凝聚态物理期刊《PHYSICAL REVIEW B》：Z. Tang, X. Wang, C. He, J. Li, M. Chen, C. Tang, and T. Ouyang, Physical Review B 110. 134320 (2024).
值的注意的是，作者开发了一套用于模拟ScF3 晶格动力学的NEP机器学习势[2]，以便于高效地获取用于拟合力常数所需的原子位移-力数据集。如图1所示，小的均方根误差意味着得到的NEP模型具有相当高的精度。从图2可以看出，基于NEP和DFT计算得到的力常数计算出的晶格热导率差异不超过1%，进一步证实了NEP框架的可靠性。
结论
该工作系统地研究了典型NTE材料ScF3的晶格动力学和声子热输运性质。综合考虑高阶非谐波效应和热膨胀后的热输运行为与实验观测值更为一致。结果显示，与传统的HA+3ph模型相比，SCP+3,4ph模型显著增加了κL的计算值，这是由于四声子相互作用引起的非谐声子重正化与固有声子非谐散射之间相互竞争的结果。声子重正化导致两种旋转声子模式的显著硬化，从而降低了三声子和四声子散射率，增强了ScF3的热输运。此外，热膨胀导致这些旋转声子模式适度软化，使得非谐散射增加并导致κL降低。热膨胀对κL的抑制在高压下变得更加显著。这些发现让我们更深入地了解了ScF3中热输运行为及其潜在的物理机制，并强调在热输运研究中全面考虑四声子相互作用（包括声子频移和固有声子非谐波散射）和热膨胀影响的重要性。
供稿: 汤准韵 || 副编: 王彦周 || 校对：樊哲勇 || 主编: 董海宽
论文链接: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.134320
[2]晶格动力学的NEP机器学习势Github 链接: https://github.com/ZhunyunTang/ScF3-NEP-model
