Self-consistent phonon calculations of lattice dynamical properties in cubicSrTiO3with first-principles anharmonic force constants

非谐性 声子 凝聚态物理 物理 四方晶系 相变 材料科学 相(物质) 量子力学
作者
Terumasa Tadano,Shinji Tsuneyuki
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:92 (5) 被引量:577
标识
DOI:10.1103/physrevb.92.054301
摘要

We present an ab initio framework to calculate anharmonic phonon frequency and phonon lifetime that is applicable to severely anharmonic systems. We employ self-consistent phonon (SCPH) theory with microscopic anharmonic force constants, which are extracted from density functional calculations using the least absolute shrinkage and selection operator technique. We apply the method to the high-temperature phase of ${\mathrm{SrTiO}}_{3}$ and obtain well-defined phonon quasiparticles that are free from imaginary frequencies. Here we show that the anharmonic phonon frequency of the antiferrodistortive mode depends significantly on the system size near the critical temperature of the cubic-to-tetragonal phase transition. By applying perturbation theory to the SCPH result, phonon lifetimes are calculated for cubic ${\mathrm{SrTiO}}_{3}$, which are then employed to predict lattice thermal conductivity using the Boltzmann transport equation within the relaxation-time approximation. The presented methodology is efficient and accurate, paving the way toward a reliable description of thermodynamic, dynamic, and transport properties of systems with severe anharmonicity, including thermoelectric, ferroelectric, and superconducting materials.
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