Extreme sensitivity of higher-order interatomic force constants and thermal conductivity to the energy surface roughness of exchange-correlation functionals

热导率 材料科学 电导率 表面粗糙度 表面光洁度 原子间势 凝聚态物理 热力学 化学 物理 分子动力学 复合材料 计算化学 物理化学
作者
Hao Zhou,Shuxiang Zhou,Zilong Hua,Kaustubh Bawane,Tianli Feng
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:123 (19) 被引量:16
标识
DOI:10.1063/5.0173762
摘要

In this Letter, we report that the fourth-order interatomic force constants (4th-IFCs) are significantly sensitive to the energy surface roughness of exchange-correlation (XC) functionals in density functional theory calculations. This sensitivity, which is insignificant for the second- (2nd-) and third-order (3rd-) IFCs, varies for different functionals in different materials and can cause misprediction of thermal conductivity by several times of magnitude. As a result, when calculating the 4th-IFCs using the finite difference method, the atomic displacement needs to be taken large enough to overcome the energy surface roughness, in order to accurately predict phonon lifetime and thermal conductivity. We demonstrate this phenomenon on a benchmark material (Si), a high-thermal conductivity material (BAs), and a low thermal conductivity material (NaCl). For Si, we find that the LDA, PBE, and PBEsol XC functionals are all smooth to the 2nd- and 3rd-IFCs but all rough to the 4th-IFCs. This roughness can lead to a prediction of nearly one order of magnitude lower thermal conductivity. For BAs, all three functionals are smooth to the 2nd- and 3rd-IFCs, and only the PBEsol XC functional is rough for the 4th-IFCs, which leads to a 40% underestimation of thermal conductivity. For NaCl, all functionals are smooth to the 2nd- and 3rd-IFCs but rough to the 4th-IFCs, leading to a 70% underprediction of thermal conductivity at room temperature. With these observations, we provide general guidance on the calculation of 4th-IFCs for an accurate thermal conductivity prediction.
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