[论文解读] LanTraP: A code for calculating thermoelectric transport properties with the Landauer formalism

Xufeng Wang, Evan Witkoske+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2018

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 32被引用 3

一句话总结

LanTraP 是一种计算代码，利用兰道尔形式理论计算热电和电子输运性质，通过高效的能带计数算法，实现对 DFT 能带结构的快速筛选。其结果与基于傅里叶插值的方法具有良好的一致性，为热电材料的高通量筛选提供了更快的替代方案。

ABSTRACT

A code for calculating the semi-classical thermoelectric and electronic transport properties is described. It uses the Landauer transport theory, which is equivalent to the Boltzmann theory, by introducing a central quantity-the distribution of modes. Its usage enables the so-called band-counting algorithm that can speed up the calculation and offers the potential to rapidly screen DFT band structures. Good agreements are found when comparing the results obtained using band-counting and established Fourier-based interpolation methods.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效的材料热电输运性质计算方法。
• 通过降低计算成本，实现对 DFT 能带结构的高通量筛选。
• 采用模式分布方法实现兰道尔形式理论，用于半经典输运性质计算。
• 将能带计数算法与成熟的基于傅里叶的插值技术进行对比验证。
• 为热电和材料科学领域的研究人员提供一个开源工具。

提出的方法

• 该代码采用兰道尔形式理论，其数学上等价于玻耳兹曼输运方程，以模式分布作为核心变量。
• 引入一种能带计数算法，通过在不进行完整能带插值的情况下聚合各能量级的输运贡献。
• 通过直接从离散能量级和群速度计算输运系数，避免了昂贵的傅里叶插值。
• 采用半经典输运理论计算电导率、塞贝克系数和功率因子。
• 该算法设计为与标准 DFT 能带结构输出兼容，实现对能带结构的快速后处理。
• 实现过程经过性能优化，可快速评估多种掺杂浓度和温度下的输运性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用能带计数法的兰道尔形式理论能否实现与基于傅里叶插值方法相当的热电输运性质预测精度？
• RQ2 与传统插值技术相比，能带计数法的计算效率如何？
• RQ3 能带计数算法在多大程度上可加速从 DFT 数据中对热电材料的高通量筛选？
• RQ4 LanTraP 在预测关键热电性质（如功率因子和塞贝克系数）方面的准确性如何？
• RQ5 该方法在具有不同能带结构和载流子浓度的多种材料中具有多强的鲁棒性？

主要发现

• LanTraP 代码在预测热电输运性质方面与成熟的基于傅里叶插值的方法具有良好的一致性。
• 能带计数算法显著降低了计算成本，实现了对 DFT 能带结构的快速筛选。
• 该方法在多种材料和掺杂水平下均保持了高精度，经与参考计算验证。
• 兰道尔形式理论的实现为输运性质预测提供了一个可靠且半经典的框架。
• 该代码具有高效性和可扩展性，适用于热电材料的高通量发现。
• 结果表明，通过能带计数实现的基于模式的聚合，是完整能带插值的可行且准确的替代方案。