【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料性能的理论计算领域，特别是涉及一种计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法。
技术介绍
1、掺杂作为调控与优化材料性能的关键策略，作用显著。以热电材料为例，其可通过调整能带结构来提升电输运性能，异价掺杂引入的载流子能实现最佳载流子浓度，从而获取高功率因子。在热输运性质方面，掺杂能引入电声散射、缺陷散射、晶界散射等多类散射机制，同时改变基体的固有性质，有效降低晶格热导率。尽管实验测定是研究缺陷体系热输运的重要方式，但测量技术的成本、难度及样品复杂性会影响结果精确性。故而利用理论计算来研究掺杂引起的多种散射机制下的材料热输运性质问题，不但有助于深刻理解掺杂材料热输运性质的微观机理，还可为高性能材料的设计提供理论引导。
2、在研究掺杂体系的热输运性质时，掺杂剂的引入必然破坏晶体周期性结构，给传统理论研究方法带来挑战。传统观点把掺杂剂视为点缺陷，基于微扰理论，将其对热导率影响归结于点缺陷散射机制的引入。点缺陷模型起初是为微量掺杂设计，然而当下热电材料应用中的掺杂浓度渐高，甚至形成固溶体。继续基于基体性质不变的假设，把掺杂视为独立散射源的做法值得商榷。此外，根据掺杂原子与基体原子价电子数是否相同，掺杂可分为等电子掺杂和异价掺杂两大类。异价掺杂不仅产生类似等电子掺杂的效应，还因额外电荷引入带来新影响，如诱导电声散射机制的产生。
3、综上所述，当前理论上对掺杂体系在多散射机制下热输运性质的研究尚存一定不足，尤其面对高掺杂浓度和固溶体等复杂材料时。所以需要一种能合理解决具有掺杂缺陷体系的热输运性质，特
技术实现思路
1、本专利技术方法主要解决两个层面的问题，一方面为如何处理缺陷与基体之间的关系，另一方面为如何将多种散射机制同时考虑到热输运性质中。为了合理解决掺杂材料在多散射机制下晶格热导率问题，本专利技术采用的技术方案如下：
2、一种计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，步骤包括：
3、s1，构建具有掺杂缺陷的超胞晶体结构；
4、s2，基于超胞晶体结构，计算三声子散射过程的相关物理量；
5、s3，基于相关物理量，判断掺杂体系是异价掺杂还是等电子掺杂，若为异价掺杂，则计算电声散射率，进入s4；若为等电子掺杂，则直接进入s4；
6、s4，基于掺杂体系的晶粒尺寸，结合相关物理量，计算晶界散射率；
7、s5，利用马西森定则，计算得到总声子散射率；
8、s6，基于总声子散射率和相关物理量，获得掺杂体系在多散射机制下的晶格热导率。
9、优选地，s1中，在数据库平台获取未进行掺杂的材料体系的晶体结构，对原胞进行扩胞，并取代替换一个基体原子为掺杂原子，得到超胞晶体结构。
10、优选地，s1中，通过实验获得的晶体信息，构建超胞晶体结构。
11、优选地，s2中，对超胞晶体结构进行扩胞，再利用第一性原理计算获得掺杂体系的二阶原子间力常数和三阶原子间力常数，然后结合玻尔兹曼输运方程进行迭代求解，获得三声子散射过程的相关物理量，相关物理量包括声子群速度v，三声子散射率声子热容cv，声子振动频率ω。
12、优选地，s3中，若掺杂体系为异价掺杂，则基于超胞晶体结构，通过密度泛函理论计算得到掺杂体系在粗网格k下的电子信息，密度泛函微扰理论计算得到掺杂体系在粗q网格下的声子信息，再利用瓦尼尔函数插值法获得倒空间中细网格下k(q)的电子和声子相关信息，以及电声耦合矩阵()，然后通过如下公式获得掺杂体系的电声散射率：
13、
14、电声散射率公式描述波矢为k，能带n的初态电子被波矢q，模式λ的声子散射到波矢为k+q，能带m的末态时的散射率，式中ε表示电子能量，f表示费米狄拉克分布，为约化普朗克常数。
15、优选地，s4中，晶界散射率表达式：
16、
17、式中l为晶粒尺寸，通常代入实验值，单位为m；v为步骤s2中获得的声子群速度。
18、优选地，s5中，若掺杂体系为异价掺杂，则利用马西森定则将s2得到的三声子散射率，s3得到的电声散射率，s4得到的晶界散射率组合，得到总声子散射率：
19、
20、即声子的总散射率为各个散射机制散射率的总和。
21、优选地，s5中，若掺杂体系为等电子掺杂，则利用马西森定则将s2得到的三声子散射率，和s4得到的晶界散射率组合，得到总声子散射率：
22、
23、即声子的总散射率为各个散射机制散射率的总和。
24、优选地，s6中，热导率张量公式：
25、
26、式中ω为原胞体积，τλ为总声子弛豫时间，κl为晶格热导率，kb为玻尔兹曼常数，t为温度，n为撒点个数，λ为声子模式数，f为费米狄拉克分布，为约化普朗克常数，ω为声子振动频率，v为声子群速度。声子弛豫时间为声子散射率的倒数。
27、与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：
28、本专利技术针对处理掺杂缺陷材料热输运性质传统方法的局限性，提出了新的解决办法。此外该专利技术方法可同时处理掺杂体系中的多种散射机制，使理论模拟的晶格热导率精度进一步提升；为材料性能优化和材料设计提供理论指导。
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1.一种计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，步骤包括：
2.根据权利要求1所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述S1中，在数据库平台获取未进行掺杂的材料体系的晶体结构，对原胞进行扩胞，并取代替换一个基体原子为掺杂原子，得到所述超胞晶体结构。
3.根据权利要求1所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述S1中，通过实验获得的晶体信息，构建所述超胞晶体结构。
4.根据权利要求2所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述S2中，对所述超胞晶体结构进行扩胞，再利用第一性原理计算获得掺杂体系的二阶原子间力常数和三阶原子间力常数，然后结合玻尔兹曼输运方程进行迭代求解，获得三声子散射过程的相关物理量，所述相关物理量包括声子群速度v，三声子散射率声子热容Cv，声子振动频率ω。
5.根据权利要求4所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述S3中，若掺杂体系为异价掺杂，则基于所述超胞晶体结构，通过密度泛函理论计算得到掺杂体系在粗网格k
6.根据权利要求5所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述S4中，所述晶界散射率表达式：
7.根据权利要求6所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述S5中，若所述掺杂体系为异价掺杂，则利用马西森定则将所述S2得到的三声子散射率，所述S3得到的电声散射率，所述S4得到的晶界散射率组合，得到总声子散射率：
8.根据权利要求6所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述S5中，若所述掺杂体系为等电子掺杂，则利用马西森定则将所述S2得到的三声子散射率，和所述S4得到的晶界散射率组合，得到总声子散射率：
9.根据权利要求7或权利要求8所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述S6中，热导率张量公式：
...【技术特征摘要】
1.一种计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，步骤包括：
2.根据权利要求1所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述s1中，在数据库平台获取未进行掺杂的材料体系的晶体结构，对原胞进行扩胞，并取代替换一个基体原子为掺杂原子，得到所述超胞晶体结构。
3.根据权利要求1所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述s1中，通过实验获得的晶体信息，构建所述超胞晶体结构。
4.根据权利要求2所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述s2中，对所述超胞晶体结构进行扩胞，再利用第一性原理计算获得掺杂体系的二阶原子间力常数和三阶原子间力常数，然后结合玻尔兹曼输运方程进行迭代求解，获得三声子散射过程的相关物理量，所述相关物理量包括声子群速度v，三声子散射率声子热容cv，声子振动频率ω。
5.根据权利要求4所述的计算掺杂材料在多散射机制下晶格热导率的方法，其特征在于，所述s3中，若掺杂体系为异价掺杂，则基于所述超胞晶体结构，通过密度泛函理论计...
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