这有点难以回答,因为温度有几个影响,在DFT中可以用不同的方式解释这些影响。可能主要的四种直接影响是:
热膨胀(或收缩)
随着温度的升高,大多数材料和流体都会膨胀(尽管有些会收缩);这可能还伴随着内部原子弛豫。材料结构的这种变化会影响DOS和带结构,而带隙和磁性对此特别敏感\
原子运动
除了整体晶格的变化外,原子还可能改变其平衡位置,这甚至可以改变晶体的对称性。这对能带结构、DOS和磁性有直接影响,即使在Born-Oppenheimer近似中也是如此(即,即使忽略了运动本身)。
这种效应对于具有内部自由度(例如GaN)或可能变得不稳定的软声子模式的材料尤其重要。对于较轻的元件,您可能还需要考虑零点运动;钙钛矿型SrTiO$_3$例如,需要对零点运动进行建模,以获得正确的氧气位置,从而实现TiO的旋转$_3$八面体。
费米能级展宽
准粒子的状态通常由DFT中的Kohn-Sham本征态近似,随着温度的升高,准粒子获得热能。其主要作用是拓宽费米能级,导致准粒子在带隙中的热激发。这导致费米能级附近的能带部分占据,因为上价带开始清空,下导带开始填充。这在室温下通常不是很重要,除非带隙很小,因为室温千比特美元$只是美元\sim$25 meV,但在较高温度下很重要。这可以用费米-迪拉克涂抹函数建模(在布里渊区积分所用的任何加宽之上)。
基态热无序
如果材料具有简并(或近简并)基态,那么在有限温度下,这些不同的原子构型可能都存在于实验样品中。大多数实验结构是通过衍射获得的,因此它们将对所有这些影响进行平均。例如,你可能有一个OH基团,它可以在一个特定的方向上排列成O-H或H-O,并且这些基团可能具有相同的能量。在实验结构中,结果将在这些配置上进行平均,这将导致一个具有热平均位置对称性的结构(在我的示例中为H-O-H)。当任何原子配置都无法满足所述晶体对称性时,这尤其令人困惑!有时,实验结构通过部分占据原子位置来表明这一点,在这种情况下,您需要创建一个超单元来对其进行建模,几乎可以肯定的是,必须降低实验结构中所述的对称性。
使用实验结构
通常,应始终在模型的基本状态下对材料建模,即应优化模拟几何体。对于大多数3D材料来说,当你采用实验晶格结构并尝试用DFT(或其他任何模型)对其建模时,热膨胀是最重要的影响从头算方法),因此可以从基本的可变细胞几何优化开始。
优化原子坐标时,请记住,对称性可能会随着单元的膨胀(或收缩)而改变。向原子位置添加一点噪声通常会破坏所有对称性,然后您可以看到原子是否松弛到先前对称的威科夫位置。噪声应相对较小,以便原子处于二次能量阱中且优化速度较快,但请记住,噪声必须足够大,以使力高于几何优化力容限,如果你不能关闭对称取景器,你还需要位移大于对称公差。
还要记住,实验结构不是“真实的”,这是某人在复杂的非唯一反转过程中的最佳尝试,提取2D衍射图案并从中推断出3D结构。一个常见的问题是,在X射线衍射(XRD)中,没有很多电子的原子实际上是不可见的,尤其是氢位置通常是由“实验”结构中的经典模型生成的。我建议你总是优化氢的位置,即使你确信实验结构非常好。
如果你希望你的系统是磁性的,请记住许多实验方法对此并不敏感,并且会给你结构的单位单元格,而不是有磁性的晶胞。反铁磁性材料是一个经典的例子,其中建模所需的原始细胞是大多数实验方法给出的原始细胞的两倍。
其他影响
我在这里假设,你正在研究的晶体相在不同的温度下仍然是稳定的,但在某一点上,随着温度的升高,相位会发生变化。有些材料有几个不同的固相(例如钙钛矿),在某些时候材料会熔化,然后沸腾(或升华)。
电子和声子之间的耦合通常被忽略,因为我们使用了Born-Oppenheimer近似,但它可以微扰地计算,并且它确实取决于温度。声学声子在$\伽马射线$-点(区域中心)具有线性色散,因此即使可以安全地忽略大多数声子模式,它们也很重要。低维材料也具有非常低频的弯曲声子模式,这也需要与声学模式一起考虑。这些弯曲模式有效地取代了3D材料可能具有的一些声学模式,并且它们具有二次色散,这意味着它们在更多布里渊区的频率通常保持较低。
在磁性材料中,磁性相可能随着温度的升高而改变,自旋也变得更加无序,最终导致材料退磁(居里/内尔温度)。标准DFT方法中没有捕捉到这一点,这是另一种电子-声子耦合效应。也可能发生更复杂的磁相变,例如不同的亚晶格可能在不同的温度下退磁,也可能发生其他现象,如畴壁的形成和移动。
真正的材料会有缺陷,其中一些缺陷会在较高的温度下开始迁移,特别是空位和表面吸附原子。