【摘 要】
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作为前景光明的热电材料,SnSe较高的热电性能和极低的热导率引起了许多研究者的注意。然而,人们对于SnSe声子热传输机制的理解还不是很全面,这主要是由于SnSe本身具有的一些复杂特征。SnSe是半导体,热载流子主要为声子。同时,SnSe是具有高温相变的层状材料,晶体结构属于正交晶系,在温度约为800K左右时,晶体结构由室温下的Pnma相转变为Cmcm相。另外,SnSe是一个强非简谐性材料,高温Cm
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作为前景光明的热电材料,SnSe较高的热电性能和极低的热导率引起了许多研究者的注意。然而,人们对于SnSe声子热传输机制的理解还不是很全面,这主要是由于SnSe本身具有的一些复杂特征。SnSe是半导体,热载流子主要为声子。同时,SnSe是具有高温相变的层状材料,晶体结构属于正交晶系,在温度约为800K左右时,晶体结构由室温下的Pnma相转变为Cmcm相。另外,SnSe是一个强非简谐性材料,高温Cmcm相在低温下并不能稳定存在,这给SnSe的晶格动力学研究带来了困难。本文中,我们基于机器学习原子势能进行分子动力学模拟来探究SnSe不同温度下的声子热输运性质。本文所使用的机器学习原子间势能模型为MTP(moment tensor potential),拟合势能过程中采用了主动学习方法构建势能学习的训练集。拟合出的势能在重现原子构型中原子的能量,受力和应力时,显示出与DFT计算相当的精度。基于拟合好的MTP势能,我们通过分子动力学模拟得到了晶格参数与温度变化的关系曲线,明确了SnSe的相变温度大约在755K~805K范围内,并简要讨论分析了SnSe的固体位移相变过程。此外,我们还计算了不同温度下的声子谱,通过声子频率的变化讨论了SnSe的强非简谐性,各向异性等特征。在平衡分子动力学模拟中,我们计算了SnSe在200K到900K的热导率数据,并与其他文献中的实验值和模拟计算值进行了对比,讨论并分析了SnSe的各向异性,强非简谐性以及低热导率的原因。为了探究SnSe四声子散射的强度,SnSe沿着高对称方向的某些声子模式的四声子散射率由MTP模型计算得到,并与三声子散射率进行了对比,结果显示SnSe的四声子散射率与三声子散射率数量级相当,由此,四声子散射过程在SnSe热传输中不可忽略的作用被明确。弹性常数与模量的大小与晶体原子相互作用力强度以及晶体非简谐性有关,本文通过应变-应力法计算了SnSe在300K下的弹性常数,杨氏模量,剪切模量,和泊松比等热力学参数,并与其他优良的热电材料进行对比,分析讨论了SnSe较“软”的晶体特性以及强非简谐性。本文获得的原子间势能函数不仅可以用于研究SnSe与温度相关的声子热输运机制,还可以用于探究类似的强非简谐性相变材料的热输运性质。
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