First principles investigation of the thermal conductivity of Zr, ZrC, and ZrN
2023 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
Ab initio-undersökning av värmeledningsförmåga hos Zr, ZrC och ZrN (Swedish)
Abstract [en]
The thermal conductivity and electrical resistivity of Zr, ZrC, and ZrN were calculated using first-principles density functional theory (DFT) and the Boltzmann transport equation. The electron-phonon scattering was modeled via the self-energy relaxation time approximation (SERTA), and the phonon-phonon scattering via the analogous single-mode relaxation time approximation (SMRTA). The results obtained from Abinit's electron-phonon coupling code EPH is in good agreement with experimental reference data for Zr and ZrN. Notably, the calculated electrical resistivity of ZrC was found to be significantly lower than the available reference data, likely due to deviations from a perfect Zr/C stoichiometric ratio in the experimental samples. Additionally, it was observed that the calculated lattice thermal conductivity was overestimated at low temperatures, possibly attributed to the neglect of electron-phonon scattering that otherwise appears in metallic systems.
Abstract [sv]
Värmeledningsförmågan och den elektriska resistiviteten för Zr, ZrC och ZrN beräknades med hjälp av täthetsfunktionalteori (DFT) och Boltzmanns transportekvation. Elektron-fononspridningen modellerades via 'self-energy relaxation time approximation' (SERTA), och fonon-fononspridningen via den motsvarande 'single-mode relaxation time approximation' (SMRTA). Resultaten från Abinits elektron-fononkopplingskod EPH stämmer väl överens med experimentella referensdata för Zr och ZrN. Den beräknade elektriska resistiviteten för ZrC visade sig emellertid vara betydligt lägre än all tillgänglig referensdata, troligtvis på grund av avvikelser från ett perfekt Zr/C-stökiometriskt förhållande i de experimentella proverna. Dessutom observerades att det beräknade fononbidraget till värmeledningsförmågan överskattades vid låga temperaturer, vilket möjligen beror på försummelsen av elektron-fononspridning som annars framträder i metalliska system.
Place, publisher, year, edition, pages
2023.
Series
TRITA-SCI-GRU ; 2023:351
Keywords [en]
Electron-phonon interaction, Density functional theory, Boltzmann transport equation, first-principles, thermal conductivity, electrical resistivity, Abinit, Phono3py
Keywords [sv]
Elektron-fononväxelverkan, täthetsfunktionalteori, Boltzmanns transportekvation, värmeledningsförmåga, elektrisk resistivitet, Abinit, Phono3py
National Category
Physical Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-337865OAI: oai:DiVA.org:kth-337865DiVA, id: diva2:1803740
Subject / course
Physics
Educational program
Master of Science - Engineeering Physics
Supervisors
Examiners
2023-10-102023-10-102023-10-10Bibliographically approved