【摘要】 第一性原理计算的最新进展终于使精确计算电子和声子相互作用成为可能。

固态技术主要依赖于电子、声子和激发态的动力学。例如，电子和光电子器件中的电荷输运受到带有声子和缺陷的载流子散射的限制，声子-声子散射控制着热输运和热电过程[1]。

 

发光器件的效率取决于激发电子的辐射重组而不是非辐射重组，例如，通过多声子发射、俄歇过程或缺陷捕获。

 

最后，自旋电子器件和用于量子计算的固态量子位依赖于通过抑制退相干效应实现的长寿命自旋居群。这些动态过程发生在飞秒到纳秒的时间尺度上，因此实验研究具有挑战性。

 

图1 电子(上图)和声子(下图)散射过程[1]。

 

计算方法可以为这些材料的超快动力学过程提供新的见解。在过去的几十年里，第一性原理计算集中在计算电子、声子和激发态的能量学上。例如，带隙、光谱和声子色散的计算一直是从头算界关注的焦点。相应的自能图如图1所示，以及借助电子能带结构和声子色散可视化的散射过程。

 

然而，在理解材料和器件方面，电子和声子的动力学至少与能量学一样重要。电子、声子、缺陷和激发态之间相互作用的分析理论已经得到了广泛的研究，但缺乏计算这些相互作用的精确方法构成了瓶颈。

 

第一性原理计算的最新进展终于使精确计算电子和声子相互作用成为可能。电子和声子动力学的第一性原理计算对广泛的科学影响具有独特的前景。

 

如图2所示，最近开发的RTs的第一性原理计算揭示了RTs对波段和k点的重要依赖，这没有被常数RT近似捕获，并且提高了计算电导率与实验的一致性这些新方法可以推进电子学、光电子学和可再生能源(如太阳能电池和热电)的研究，并改善设备的设计和制造。

 

图2 (a)电子-声子RTs，以fs为单位，映射在Cu的费米表面上。该图突出了参与传输的电子态的RTs的显著变化和k依赖性。(b)硅中空穴的平均自由程，计算了三个高对称晶体学方向。

 

计算得到的最大fps与最近的实验结果非常吻合。注意，这些曲线结合了来自多个波段的数据，并且能量零点是价带最大值。(c) GaAs中电子的弛豫时间，使用精细BZ栅格对不同导带谷进行分辨。插图显示了砷化镓中传导带谷的示意图。能量零点是导带的最小值[1]。

 

[1] Bernardi, M. First-principles dynamics of electrons and phonons*. Eur. Phys. J. B 89, 239 (2016).

 

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