Using density-functional perturbation theory and the Gr\"uneisen formalism, we directly calculate the linear thermal expansion coefficients (TECs) of a hexagonal bulk system MoS$_2$ in the crystallographic $a$ and $c$ directions. The TEC calculation depends critically on the evaluation of a temperature-dependent quantity $I_i(T)$, which is the integral of the product of heat capacity and $\Gamma_i(\nu)$, of frequency $\nu$ and strain type $i$, where $\Gamma_i(\nu)$ is the phonon density of states weighted by the Gr\"uneisen parameters. We show that to determine the linear TECs we may use minimally two uniaxial strains in the $z$ direction, and either the $x$ or $y$ direction. However, a uniaxial strain in either the $x$ or $y$ direction drastically reduces the symmetry of the crystal from a hexagonal one to a base-centered orthorhombic one. We propose to use an efficient and accurate symmetry-preserving biaxial strain in the $xy$ plane to derive the same result for $\Gamma(\nu)$. We highlight that the Gr\"uneisen parameter associated with a biaxial strain may not be the same as the average of Gr\"uneisen parameters associated with two separate uniaxial strains in the $x$ and $y$ directions due to possible preservation of degeneracies of the phonon modes under a biaxial deformation. Large anisotropy of TECs is observed where the linear TEC in the $c$ direction is about $1.8$ times larger than that in the $a$ or $b$ direction at high temperatures. Our theoretical TEC results are compared with experiment. The symmetry-preserving approach adopted here may be applied to a broad class of two lattice-parameter systems such as hexagonal, trigonal, and tetragonal systems, which allows many complicated systems to be treated on a first-principles level.


翻译:使用密度- 功能性扰动理论和“ 硬度- 硬度- 硬度- 硬度- 美元 ” 正式论, 我们直接计算六角体积系统中的线性热扩张系数( TECs ) 。 在晶体型 $a 和 美元方向中, MoS$_ 2美元。 TEC 计算的关键取决于对温度依赖量 $I_ i (T) 的评估, 这是热能产物和 $x 和 美元( nu) 的产物, 频率 $ 美元和 压力类型 美元( 美元- nu) 直接计算出六角体积( 美元- 美元) 的热度热度( 美元- 美元) 是按Gr\ “ uneisen” 参数加权方向加权的国家的光度密度。 我们表示, 确定线性 TEC 值- 值- 美元方向中, 美元方向中, 美元或 美元 美元- 直值( 美元) 的直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直度- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 直值- 。

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