Beyond Perturbation: Modeling Anharmonicity in Materials
Doctoral thesis, 2024

The vibrational motion of atoms is essential for understanding condensed matter systems. It directly influences numerous thermodynamic properties with significant technological implications. Additionally, these atomic movements indirectly contribute to a variety of electronic and optical properties, making the study of vibrations both challenging and rewarding.

Today, we conceptualize these collective vibrational excitations as phonons. The study of phonons bridges theoretical and experimental approaches through computer simulations. Typically, phonons are studied at the lowest harmonic order and occasionally to the first order using perturbation theory. However, in many systems of interest, anharmonic motion, which represents interactions among phonons, is critical. Modeling this anharmonicity beyond perturbation theory is computationally intensive. Fortunately, recent advancements in various fields, both within and outside condensed matter physics, have made these simulations more feasible.

In this thesis, the primary computational tools for studying phonons are outlined and applied to a diverse range of materials. Emphasis is placed on understanding the underlying dynamics through microscopic correlation functions and their link to experimental observables via spectral functions. Additionally, some practical details, often overlooked in the literature, are discussed. Specifically, the framework of lattice dynamics and the characterization of the potential energy surface through force constants are described. For complex systems that extend beyond perturbation theory, the complementary approach of molecular dynamics is explored, with a focus on phonon dynamics.

These techniques are applied to two sets of materials currently of interest. First, anisotropic thermal conduction in rotationally disordered 2D van der Waals structures is examined using the Green-Kubo method. The findings align well with experimental results, demonstrating a substantial anisotropy that could be advantageous for managing thermal waste in integrated circuits. Moreover, the chemistry-independent suppression of through-plane thermal conductivity in these materials is shown. Additionally, through-plane thermal conduction as a function of the moiré twist angle is analyzed and correlated with an entropy measure. Lastly, the limitations of the quasi-particle picture of phonons are investigated in an inorganic halide perovskite. It is found that the soft phonons are overdamped over a wide temperature range above the phase transition but remain consistent with the model of independent damped harmonic oscillators.

Lattice Thermal Conductivity

Lattice dynamics

Molecular Dynamics

Peierls-Boltzmann Transport Equation

Phonons

Green-Kubo

Force Constants

Anharmonicity

Kollektorn, MC2 byggnad, Kemivägen 9, Chalmers, Göteborg
Opponent: Dr. Florian Libisch, Vienna University of Technology, Austria

Author

Fredrik Eriksson

Chalmers, Physics, Condensed Matter and Materials Theory

Hur atomer vibrerar i kondenserade material dikterar många av materialets egenskaper. Exempel på egenskaper som direkt kan kopplas till atomernas vibrerande rörelser är hur väl de leder värme och deras fasdiagram. Att förstå hur atomerna vibrerar är också viktigt eftersom det påverkar elektriska och optiska egenskaper. Atomernas vibrationer är starkt korrelerade och vi kallar dessa kollektiva excitationer för fononer efter latinets "phon" som betyder ljud. Idag studeras fononernas dynamik med hjälp av teoretiska modeller, spridningsexperiment samt datorsimuleringar. Hur man modellerar fononernas dynamik med hjälp av datorer är temat för denna avhandling.

En av fononernas primära egenskaper som vi är intresserade av är deras frekvenser. Den typiska förenklingen vi gör är att anta att fononerna har en fix frekvens som de oscillerar med och att de inte påverkas nämnvärt av de övriga fononerna i materialet. Detta kallas för den harmoniska förenklingen och fungerar väl för många system. För att förklara experiment och förstå till exempel termisk ledning måste vi dock modellera hur fononerna interagerar med varandra via anharmoniska interaktioner. Gitterdynamik är ett ramverk för att studera fononer i kristaller och här kan vi studera interaktionerna via störningsteori. För mer komplicerade material studerar vi istället fononer med en annan metod som heter molekylärdynamik.

Dessa två ramverk beskrivs i kappan och appliceras i de häftade artiklarna. I de två första artiklarna utvecklar vi en mjukvara för att från elektronstrukturberäkningar extrahera anharmoniska kraftkonstanter. Kraftkonstanterna är parametrarna som beskriver hur atomerna interagerar och styr därmed fononernas egenskaper. I de tre sista artiklarna använder vi maskininlärda interatomära potentialer för att med hjälp av molekylärdynamik studera fononer i olika material. Speciell vikt läggs på att studera termisk ledning i rotationsmässigt oordnade staplade strukturer av 2D-material.

Phase behavior and electronic properties of mixed halide perovskites from atomic scale simulations

Swedish Research Council (VR) (2020-04935), 2020-12-01 -- 2024-11-30.

Modelling Charge and Heat Transport in 2D-materials based Composites (MECHANIC)

Swedish Research Council (VR) (2017-06819), 2017-12-01 -- 2019-12-31.

Roots

Basic sciences

Infrastructure

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

Subject Categories

Probability Theory and Statistics

Condensed Matter Physics

Areas of Advance

Materials Science

ISBN

978-91-8103-041-9

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5499

Publisher

Chalmers

Kollektorn, MC2 byggnad, Kemivägen 9, Chalmers, Göteborg

Opponent: Dr. Florian Libisch, Vienna University of Technology, Austria

More information

Latest update

4/26/2024