利用维也纳从头算模拟软件包（Vienna Ab initio Simulation Package）进行的计算可用于确定纳米材料的本征电子特性，并预测潜在的水分解光催化剂。
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本文内容
摘要
摘要
基于密度泛函理论（DFT）的计算工具能够探索具有定性新特性且实验上可实现的纳米尺度化合物，以满足特定应用需求。理论模拟可深入揭示功能材料的本征电子特性。本实验方案的目标是通过计算解构方法筛选光催化剂候选材料。光催化应用需要合适的带隙以及相对于氧化还原电势的适当能带边缘位置。杂化泛函可提供这些性质的精确数值，但计算成本较高；而Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函级别的计算结果可用于提出通过电场和拉伸应变进行能带结构调控的策略，以提升光催化性能。为说明这一点，本文采用基于DFT的模拟软件VASP，研究纳米管与纳米带组合形成的纳米复合材料在基态下的能带排列。为研究激发态下光生空穴和电子的寿命，需要进行非绝热动力学计算。
引言
全球对清洁和可持续能源的需求推动了新型材料的研究，以减少对有限石油资源的依赖。相比实验方法，模拟技术在加速寻找新型功能材料方面更为高效且经济1。由于计算资源的快速发展和理论的不断进步，从理论角度进行材料设计2,3,4 越来越受到重视，使计算模拟的结果更加可靠5。许多计算程序中实现的密度泛函理论（DFT）计算正变得愈加稳健，并能产生可重复的结果6。
维也纳从头算模拟软件包 (VASP)7 是预测分子和晶体性质最具前景的密度泛函理论（DFT）计算程序之一，已有超过 40,000 项研究使用该程序并发表。大多数研究采用 Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) 泛函方法8，该方法会低估能带间隙的大小，但能够准确反映能带排列和能带偏移的基本趋势3。本实验方案旨在详细阐述如何利用这一计算工具，研究用于清洁能源和可再生能源的纳米材料的能带边轮廓和能带间隙。更多使用 VASP 的示例可访问 htt....
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方案
1. 优化原子结构。
- 为VASP结构弛豫计算准备四个输入文件：INCAR、POSCAR、POTCAR和KPOINTS。
注意：INCAR 文件中包含定义计算的特定参数。该行 "EDIFFG = 0.02" INCAR 文件中的参数表示所有原子都会被弛豫，直到每个原子上的受力小于设定阈值 <0.02 eV/Å。POSCAR 文件包含原子几何结构信息。POSCAR 文件中的初始晶格参数可从理论计算中选取3 或实验参考文献12,13KPOINTS 文件定义了k点网格，POTCAR 是赝势文件。POSCAR 中原子类型的顺序应与 POTCAR 中的顺序一致。结构弛豫的输入文件示例如下所示 补充材料 （除赝势文件外，该文件需要 VASP 的许可证）。- 生成氮化硼（BN）纳米带（NR）的初始结构 "POSCAR".
- 从 https://materialsproject.org 下载 BN 块体单胞的 POSCAR 文件。
- 使用 v2xsf 将 POSCAR 文件转换为 xcrysden 可读的 xsf 格式文件。输入 v2xsf POSCAR 在Ubuntu系统....
- 生成氮化硼（BN）纳米带（NR）的初始结构 "POSCAR".
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结果
选择将锯齿形氮化硼纳米带（BN-NRs）封装在扶手椅型氮化硼纳米管（BN-NTs）(11,11) 内的结构作为一维范德华异质结的代表性示例。晶格参数取自 Sahin 等人的研究20。为方便起见，锯齿形纳米带简写为 Zn，其中 n 表示沿宽度方向的 III–V 双原子对数14。步骤 2.3 中得到的封装能 EL 被用作评估该纳米复合结构能量稳定性的粗略指标。Z2、Z3 和 Z4 封装在 BN-NT (11,11) 内时的 EL 值分别为 -0.033 eV/Å、-0.068 eV/Å 和 -0.131 eV/Å10，如图 1所示。尽管 EL 随 BN-NR 尺寸变化了近一个数量级，但这三种纳米复合结构均呈现出优于全碳体系的 II 型能带结构（来自步骤 3.4）
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讨论
第2、3和4节中关于电子性质的计算在各种纳米材料之间是相似的。步骤1中的初始原子模型应精心设计，以提取有意义的信息。例如，选择模型的依据可以是材料的尺寸或手性。此外，步骤1.1中的初始原子模型应合理构建，以便以较低成本实现结构弛豫。以本实验方案中的纳米复合材料为例，纳米棒（NR）应在纳米管（NT）内部以对称方式封装。否则，使用VASP搜索优化结构将耗费大量时间。
为了考虑电场的影响，需在 VASP 的周期性单元胞真空区域中部添加一个人工偶极层22。真空区域不宜过宽，且电场应足够弱，以避免产生人为的场致发射23。
虽然通过改变POSCAR文件中的晶格参数即可简单实现应变效应，但在纳米复合材料中，情况会更为复杂。纳米管（NT）和纳米棒（NR）的弹性响应可能不同，即使它们经受相同的应变强度，也会导致结构的不均匀变形。例如，当沿周期性方向施加单轴拉伸应变时，纳米管和纳米棒在该方向上的优化晶格参数分别从初始的1.8 Å变为2.0 Å和2.2 .......
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披露
作者无任何披露信息。
致谢
本工作得到中国博士后科学基金（资助号：2017M612348）、青岛博士后基金（资助号：3002000-861805033070）以及中国海洋大学青年人才项目（资助号：3002000-861701013151）的支持。作者感谢李雅冲女士协助完成旁白的准备工作。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 纳米管建模工具 | 由 Dr. Steffen Weber 开发 | NanotubeModeler1.8 | http://www.jcrystal.com/products/wincnt/NanotubeModeler.exe |
| P4VASP | Orest Dubay | p4vasp 0.3.30 | 开源软件，可从 www.p4vasp.at 获取 |
| v2xsf | 由 Dr. Jens Kunstmann 开发 | v2xsf | http://theory.chm.tu-dresden.de/~jk/software.html |
| VASP 软件 | 维也纳大学物理系计算材料物理部门 | vasp.5.4.1 | https://www.vasp.at |
| VMD 软件 | 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校理论与计算生物物理学研究组 | vmd1.9.3 | https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd |
| xcrysden | 约瑟夫·斯特凡研究所物理与有机化学系 | XCrySDen1.5.60 | http://www.xcrysden.org/ |
| Xmakemol | 由 M. P. Hodges 开发 | xmakemol5.16 | https://www.nongnu.org/xmakemol/XmakemolDownloads.html |
| Xmgrace 软件 | 在 Evgeny Stambulchik 协调下的 Grace 开发团队 | xmgrace5.1.25 | http://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/ |
参考文献
- Collins, C., et al. Accelerated discovery of two crystal structure types in a complex inorganic phase field. Nature. 546 (7657), 280-284 (2017).
- Jain, A., Shin, Y., Persson, K. A. Computational predictions of energy materials using densit....
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重印与许可
