基于Phonopy与Phono3py的晶格热输运仿真

关键词：Phonopy；Phono3py；声子谱；晶格热输运；VASP

一、文章简要介绍

晶态材料的热导率能压到0.2 W/(m·K)量级的没几个。这篇Nature Communications报道的AgTl2I3在300 K下实测0.21 W/(m·K)，523 K时进一步降到0.17，而且是简单晶体结构，不靠复杂原胞堆出来（DOI：10.1038/s41467-025-63300-w）。

晶体结构、XRD精修与热导率曲线

图1 AgTl2I3晶体结构、XRD精修与热导率温度曲线

工程上做热障涂层和热电材料，最怕温度一高热导率不降反升。这个材料没这个问题：面共享的Ag-I多面体让反键态延伸，键软、Ag原子rattling强，两条输运通道一起被压住。

SCPH温度重整化声子谱

图2 SCPH自洽声子重整化声子谱（100到600 K）

二、仿真流程与建模细节详解

DFT用VASP，PAW赝势加PBEsol泛函，截断520 eV，布里渊区6×6×6取样，弛豫到原子力小于10⁻⁴ eV/Å。AIMD用2×2×2超胞（144个原子），步长2 fs；每个温度取70个构型，用Hiphive拟合二、三、四阶力常数，截断8.0、5.5、4.0 Å。

谐和部分由Phonopy小位移法给出0 K声子谱；SCPH自洽声子把100到600 K的频率重整化，交给Phono3py算晶格热导率，线宽用ShengBTE算到四声子散射。

NEP机器学习势训练与验证

图3 NEP机器学习势训练与DFT对比

分子动力学走GPUMD：训练NEP机器学习势，能量、力、维里与DFT对上后，用HNEMD直接算热导率，和玻尔兹曼输运互相验证。

二阶力常数键刚度与声子群速度

图4 二阶力常数键刚度与声子群速度对比

键刚度看二阶力常数：最强的Ag2-I2只有2.89 eV/Ų，低于同类材料的Bi-I键。键软加原子重，实验测得横波1.138、纵波2.169 km/s，群速度压得很低。

重整化声子谱与声子线宽

图5 重整化声子谱与三、四声子线宽

三、关键结果与发现

热导率从300 K的0.21连续降到523 K的0.17 W/(m·K)，没有平台也不反弹。低频模由Tl和Ag主导，1.5 THz以下的模式主导输运；算到四声子后，波动型隧穿在600 K也没超过粒子型贡献。

机理落在化学键上：COHP显示Ag 4d、Tl 6s与I 5p在费米面以下形成大范围反键态。把反键态范围和强度做成描述符，AgTl2I3正好落在最低热导率一端。

COHP反键态分析

图6 COHP分析：银、铊与碘轨道的反键态延伸

做材料筛选时可以先算电子结构看反键态，再决定要不要跑完整的热输运流程，省机时。

热导率与反键态描述符关联

图7 热导率与反键态范围、强度的关联判据

四、我们提供的服务

声子谱与晶格热输运计算我们按项目交付：VASP加Phonopy的声子谱、Phono3py和ShengBTE的热导率、SCPH温度重整化、机器学习势与HNEMD验证，也接热导率预测和热障材料筛选。

如有需要，欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们。