Sie befinden Sich nicht im Netzwerk der Universität Paderborn. Der Zugriff auf elektronische Ressourcen ist gegebenenfalls nur via VPN oder Shibboleth (DFN-AAI) möglich. mehr Informationen...
Anharmonic contributions to ab initio computed thermodynamic material properties
Ort / Verlag
Paderborn
Erscheinungsjahr
[2016]
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 18.12.2015
ger: Computersimulationen gewinnen zunehmend an Bedeutung für die Entwicklung und Verbesserung von Materialien. Präzise quantenmechanische Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie (DFT) wurden ursprünglich ausschließlich zur Bestimmung von T=0K Eigenschaften entwickelt. Atomare Schwingungen bei endlichen Temperaturen werden nur approximativ in harmonischer Näherung behandelt und die Berücksichtigung von Anharmonizitäten ist eine der derzeit drängendsten Herausforderungen für die DFT. Die hier vorliegende Arbeit stellt effiziente Methoden zur Bestimmung dieser Beiträge vor. Basierend auf einer weit angelegten Studie zur Berechnung von anharmonischen Effekten entwickeln wir die Lokale Anharmonische (LA) Näherung sowie eine Lokale Grüneisen Theorie (LGT). Diese berücksichtigen Phonon-Phonon-Wechselwirkungen und können die entsprechenden Energien für Defekte sowie perfekte Einkristalle mit einer bisher nicht erreichbaren Genauigkeit voraussagen. Es wird gezeigt, dass die bisher nicht ab initio berechenbaren anharmonischen Anregungen genauso entscheidend für die Thermodynamik von Festkörpern sind wie die in bisherigen Studien berücksichtigten quasiharmonischen Korrekturen. Ein qualitativer Einfluss von Anharmonizitäten wird bei der Berechnung von Defektenergien gefunden. Das hier erworbene physikalische Verständnis der Phonon-Phonon-Wechselwirkungen eröffnet die routinemäßige sowie hoch genaue Berechnung von thermodynamischen Eigenschaften über die gesamte Temperaturskala.
eng: Computer simulations are becoming increasingly important to develop and optimize materials. Highly accurate quantum mechanical approaches such as density-functional theory (DFT) have been originally designed to predict T=0K properties only. Finite temperature atomic vibrations are often treated approximatively and the extension to fully anharmonic vibrations is presently one of the major challenges in DFT. This thesis presents efficient tools to take these contributions into account. Based on a wide range of assessed materials we developed the Local Anharmonic (LA) approximation and the Local Grüneisen Theory (LGT), which consider anharmonic correlations of atomic vibrations and are able to describe energies of defects and bulk systems to unprecedented accuracy. It is shown that the so far not accessible ab initio calculated anharmonic excitations are as dominant to bulk thermodynamics as the generally considered quasiharmonic corrections. For defect properties even qualitative effects are found due to anharmonicity. The developed physical picture of the origin of phonon-phonon interactions opens the path toward a routine assessment of highly accurate material properties over the whole temperature range.