[论文解读] FourPhonon: An extension module to ShengBTE for computing four-phonon scattering rates and thermal conductivity

Zherui Han, Xiaolong Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2021

Thermal properties of materials参考文献 43被引用 433

一句话总结

FourPhonon 是 ShengBTE 框架的开源扩展，可使用自适应展宽方案实现基于第一性原理的四声子散射率与晶格热导率计算。它与现有工作流无缝集成，通过感知对称性的脚本计算四阶原子间力常数，并实现精确的热导率预测——已在 Si、BAs 和 LiCoO2 上验证，其中四声子散射对热输运有显著影响，尤其在室温下的 BAs 和 LiCoO2 等材料中。

ABSTRACT

FourPhonon is a computational package that can calculate four-phonon scattering rates in crystals. It is built within ShengBTE framework, which is a well-recognized lattice thermal conductivity solver based on Boltzmann transport equation. An adaptive energy broadening scheme is implemented for the calculation of four-phonon scattering rates. In analogy with $thirdorder.py$ in ShengBTE, we also provide a separate python script, $Fourthorder.py$, to calculate fourth-order interatomic force-constants. The extension module preserves all the nice features of the well-recognized lattice thermal conductivity solver ShengBTE, including good parallelism and straightforward workflow. In this paper, we discuss the general theory, program design, and example calculations on Si, BAs and $\mathrm{LiCoO_2}$.

研究动机与目标

• 开发首个用于计算晶体中四声子散射率与热导率的开源工具。
• 在广泛使用的 ShengBTE 框架中扩展四声子能力，同时保持其并行性与工作流简洁性。
• 实现一种自适应展宽方案，以提高四声子散射率计算的准确性和收敛性。
• 提供一个 Python 脚本（Fourthorder.py），利用点群与平移对称性高效计算四阶原子间力常数。
• 在代表性材料（Si、BAs 和 LiCoO2）上验证该方法，展示四声子效应在热输运中的重要性。

提出的方法

• 在 ShengBTE 中扩展新模块 FourPhonon，基于玻尔兹曼输运方程（BTE）框架计算四声子散射率。
• 基于群速度差异实现一种自适应能量展宽方案，以提升散射率计算的收敛性与准确性。
• 引入 Fourthorder.py 脚本，利用第一性原理计算与对称性约化，高效计算四阶原子间力常数（IFCs）。
• 采用改进的工作流：在单模弛豫时间近似（SMRTA）下计算四声子散射，并与迭代的三声子 BTE 解相结合。
• 用户可通过在 CONTROL 文件中设置 four_phonon=.TRUE. 激活四声子计算，同时复用现有的 ShengBTE 输入输出结构。
• 支持将散射过程分解为重组合、再分配与分裂通道，并分别输出 Umklapp 与正则过程的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Si、BAs 和 LiCoO2 等材料中，四声子散射对晶格热导率的影响有多大？
• RQ2 自适应展宽方案能否有效提升四声子散射率计算的准确性和收敛性？
• RQ3 在强非谐性材料（如 BAs 和 LiCoO2）中，四声子过程相对于三声子过程的主导程度如何？
• RQ4 与传统的仅含三声子的计算方法相比，包含四声子散射后预测的热导率有何变化？
• RQ5 四声子计算的计算成本与可扩展性如何？是否可通过开源工具实现实际应用？

主要发现

• 在硅中，室温下四声子散射率可忽略不计，仅有约 10^3 个允许过程，确认其在此系统中作用微弱。
• 在砷化硼（BAs）中，四声子散射极为强烈，存在约 10^10 个散射过程，且在某些频率范围内主导三声子散射，与先前预测和实验结果一致。
• 在 LiCoO2 中，四声子散射率在整个声子谱范围内与三声子率相当，尤其在声学支与低频光学支更为显著。
• 再分配通道（λ + λ′ → λ′′ + λ′′′）对四声子散射贡献最大，且在 LiCoO2 中 Umklapp 过程主导该通道。
• 在 300 K 时，FourPhonon 预测 LiCoO2 的 κ∥ = 9.35 W/mK 和 κ⊥ = 1.39 W/mK，与文献值 9.7 和 1.4 W/mK 良好一致。
• 程序成功计算并输出详细的散射率、态密度与不同散射通道的贡献，支持对四声子效应的系统性分析。