Waiting
登录处理中...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Probe type II band uitlijning in eendimensionale van der Waals Heterostructuren met behulp van berekeningen van de eerste principes

Published: October 12, 2019 doi: 10.3791/60180
Automatic Translation
1, 1, 1, 2
1College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, 2Department of Physics, Southern University of Science and Technology

Summary

Berekeningen die worden uitgevoerd door het Vienna ab initio simulatie pakket kunnen worden gebruikt om de intrinsieke elektronische eigenschappen van nanoschaal materialen te identificeren en de potentiële watersplitsings fotokatalysatoren te voorspellen.

Abstract

Computationele tools op basis van density-functionele theorie (DFT) maken het mogelijk om de kwalitatief nieuwe, experimenteel verkrijgbare nanoschaal verbindingen voor een gerichte toepassing te verkennen. Theoretische simulaties bieden een diepgaand inzicht in de intrinsieke elektronische eigenschappen van functionele materialen. Het doel van dit protocol is om foto katalysator kandidaten te zoeken op computationele dissectie. Fotokatalytische toepassingen vereisen geschikte band openingen, passende band rand posities ten opzichte van de redox potentials. Hybride functionals kunnen nauwkeurige waarden van deze eigenschappen bieden, maar zijn computationeel duur, terwijl de resultaten op de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) functioneel niveau effectief kan zijn voor het suggereren van strategieën voor bandstructuur engineering via elektrische veld-en trekspanning gericht op het verbeteren van de fotokatalytische prestaties. Om dit te illustreren, in het huidige manuscript, wordt de DFT gebaseerde simulatietool VASP gebruikt om de band uitlijning van nanocomposieten in combinaties van nanobuisjes en nanoribbons in de grondtoestand te onderzoeken. Om de levensduur van fotogegenereerde gaten en elektronen in de opgewonden toestand aan te pakken, zijn niet-adiabatische dynamiek berekeningen nodig.

Introduction

De wereldwijde vraag naar schone en duurzame energie heeft onderzoek gestimuleerd naar veelbelovende materialen om de afhankelijkheid van eindige Petroleum bronnen te verminderen. Simulaties zijn efficiënter en zuiniger dan experimenten in het versnellen van het zoeken naar nieuwe functionele materialen1. Materiaal ontwerp vanuit een theoretisch perspectief2,3,4 is nu meer en meer populair vanwege de snelle vooruitgang in computationele bronnen en theorie ontwikkelingen, waardoor computationele simulaties betrouwbaarder worden5 . De dichtheid functionele theorie (DFT) berekeningen geïmplementeerd in vele codes worden steeds robuuster en rendement reproduceerbare resultaten6.

Het Vienna ab initio simulatie package (VASP)7 presenteert een van de meest veelbelovende DFT-codes voor het voorspellen van moleculaire en kristallijne eigenschappen en meer dan 40.000 studies die gebruik maken van deze code zijn gepubliceerd. Het meeste werk wordt uitgevoerd op het functionele niveau8van de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE), dat de grootte van de band kloof onderschat, maar de essentiële trends in band uitlijning en band verschuivingen3vastlegt. Dit protocol is bedoeld om de details te schetsen van het onderzoeken van de band rand profielen en band kloven van nanoschaal materialen voor schone en hernieuwbare energie met behulp van deze computationele tool. Meer voorbeelden met behulp van VASP zijn beschikbaar op https://www.vasp.at.

Dit rapport presenteert de computationele screening van ééndimensionale (1d) VDW Heterostructuren met type II band overeenstemmingen9 voor een veelbelovende toepassing in fotokatalytisch water splitsen4. In het bijzonder worden nanoribbons (NRs) ingekapseld in nanobuisjes (NTs) onderzocht als een voorbeeld10. Om noncovalente interacties aan te pakken, worden vdW-correcties met de DFT-D3-methode opgenomen in11. De DFT-berekeningen in de stappen 1,2, 2,2, 3,2, 3.5.2 en sectie 4 door VASP worden uitgevoerd met behulp van een Portable batch System (PBS)-script door de High-Performance Research computers in het CenTOS-systeem. Een voorbeeld van een PBS-script wordt weergegeven in de aanvullende materialen. De gegevens naverwerking door de P4VASP-software in stap 3,3 en de figuur plot door de xmgrace-software in stap 3,4 worden uitgevoerd op een lokale computer (laptop of desktop) in het Ubuntu-systeem.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Optimaliseer de atoomstructuur.

  1. Bereid vier invoerbestanden voor de structuur ontspanning berekening door VASP: INCAR, POSCAR, POTCAR, en KPOINTS.
    Opmerking: er zijn opgegeven parameters in het INCAR-bestand waarmee de berekening wordt gedefinieerd. De lijn "EDIFFG = 0,02" in de INCAR bestand geeft aan dat alle atomen worden ontspannen totdat de kracht op elk atoom is < 0,02 eV/Å. Het POSCAR-bestand bevat de atomische geometrie-informatie. De initiële parameters van de rooster in het poscar-bestand kunnen worden gekozen uit theoretische3 of experimentele verwijzingen12,13. Het KPOINTS-bestand definieert het k-punt mesh en POTCAR is het pseudopotentiële bestand. De orde van atoom typen in POSCAR moet hetzelfde zijn als die in POTCAR. Voorbeelden van invoerbestanden voor de ontspanning van de structuur worden weergegeven in de aanvullende materialen (met uitzondering van het bestand pseudopotential, die een licentie van VASP nodig heeft).
    1. Genereer de initiële structuur van boornitride (BN) nanoribbons (NR) voor "POSCAR".
      1. Download het POSCAR-bestand voor de BN bulk-eenheid van https://materialsproject.org.
      2. Gebruik v2xsf om het POSCAR-bestand naar een bestand in het XSF-formaat te converteren dat kan worden gelezen door xcrysden. Typ V2XSF poscar op de terminal in het Ubuntu-systeem om "poscar. xsf. gz" te krijgen. Type gunzip POSCAR. xsf. gz en uitvoer de poscar. XSF bestand.
      3. Gebruik xcrysden om de BN SuperCell te bouwen.
        1. Type xcrysden--XSF POSCAR. XSF op de terminal in het Ubuntu-systeem. Selecteer het menu wijzigen/aantal eenheden getekend en breid de cel uit in de X-en Y-richtingen.
        2. Selecteer het menu bestand/Save XSF structuur om de SuperCell structuur te exporteren, genaamd "SuperCell".
          Opmerking: de naam van de structuur is een willekeurige definitie.
      4. Gebruik xmakemol om de SuperCell te openen. Typ xmakemol-f SuperCell op de terminal in het Ubuntu-systeem. Selecteer het menu bewerken/zichtbaar. Klik op Toggle om de atomen in de regio te verwijderen en SNIJD de nr naar de gewenste breedte en chiraliteit.
    2. Genereer de initiële structuur van de BN Nanotube (NT) voor POSCAR. Download "Nanotubemodeler" van http://www.jcrystal.com/Products. Open NanotubeModeler. exe in het Windows-systeem. Selecteer het menu Selecteer type/B-N en specificeer de chiraliteit. Selecteer het menu bestand/Save XYZ tabel om de structuur te exporteren.
    3. Genereer de initiële structuur van de nanocomposiet door de NR (vanaf stap 1.1.1) in de NT (vanaf stap 1.1.2) in te kapen.
      Opmerking: de inkaping kan worden voltooid door het aanpassen van de Cartesische coördinaten van de nr en de NT10,14,15.
    4. Gebruik de VMD-software om de atomische structuur te controleren voordat u de berekenings taak indient.
      1. Typ VMD op de terminal in het Ubuntu-systeem. Selecteer in het geopende hoofdvenster van VMD het menu bestand/nieuwe molecule en zoek het poscar-bestand via het Blader venster. Laad POSCAR door VASP_POSCARte typen.
      2. Geef de structuur in verschillende stijlen weer in het venster grafische voorstellingen/tekenmethode .
        Opmerking: bijvoorbeeld, zodra de CPK is gekozen, wordt elk atoom (binding) vertegenwoordigd door een bol (stok). De installatiehandleiding en volledige zelfstudie van VMD zijn beschikbaar op http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
  2. Typ qsub job. PBS op de terminal in het Linux-systeem om de taak naar het computercluster te verzenden.
    Opmerking: "Job. PBS" staat voor de naam van het PBS-script. De naam van het PBS-script is een willekeurige definitie. De vier invoerbestanden in combinatie met het PBS-script moeten in de werkmap staan. De opdracht qsub job. PBS wordt gebruikt in de stappen 2,2, 3,2, 3.5.2 en sectie 4. Een voorbeeld van een PBS-script vindt u in het aanvullende coderingsbestand. Nadat de ingediende taak is voltooid, als "bereikt vereiste nauwkeurigheid-stoppen van structurele energie minimalisatie" wordt weergegeven aan het einde van het uitvoerlogboek, wordt het geconvergeerde resultaat verkregen. Het resulterende CONTCAR-bestand zal worden gebruikt als het invoerbestand POSCAR in stappen 2,1, 3,1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4 en sectie 4,2.

2. Bereken de inkapings energie.

  1. Typ mkdir composiet isolated-nanoribbon geïsoleerd-Nanotube om drie mappen te maken voor de composiet, de nr, en de NT op een terminal in een Linux-systeem. Bereid één PBS-script "Job. PBS" en vier INVOERBESTANDEN INCAR, POSCAR, POTCAR en kpoints voor de energieberekening in elke map.
    Opmerking: het invoerbestand POSCAR is het bestand met de naam CONTCAR met de ontspannen structuur uit stap 1. Voorbeelden van invoerbestanden worden gegeven in aanvullende materialen (behalve potcar).
  2. Ga naar elke map en typ qsub job. PBS op de terminal in het Linux-systeem.
    Opmerking: de drie ingediende taken zullen de statische zelf-consistente energie berekeningen uitvoeren voor de nanocomposite, geïsoleerde NR, en geïsoleerd NT, respectievelijk.
  3. Pak de totale energie uit de file OUTCAR voor elk systeem na het voltooien van de statische zelf-consistente berekeningen. Type grep-"vrije energie TOTEN"./nanocomposite/OUTCAR | tail-n 1, grep-"vrije energie Toten"./isolated-nanoribbon/OUTCAR | tail-n 1, en grep-"vrije energie Toten"./isolated-nanotube/OUTCAR | tail-n 1. Definieer de drie weergegeven waarden als respectievelijk ENT + nr, eNren eNT. Bereken de inkapings energie per angstrom: eL = (eNT + nr -e NT -eNr)/l14,15.
    Opmerking: de periodieke richting in elk systeem is langs de z-as en L is de rooster-constante van de eenheidcel langs de z-as. Test berekeningen van de energieafhankelijkheid van de vlak Golf cutoff energie en de k Point mesh zijn nodig. De inkapings energie kan worden gebruikt als een schatting voor de energetische stabiliteit van het nanocomposiet.

3. Pak de elektronische eigenschappen uit de bandstructuur.

  1. Maak een PBS-script "Job. PBS" en zes invoerbestanden: INCAR, POSCAR, POTCAR, kpoints, CHGCAR en CHG voor de berekening van de band. Stel Icharg = 11 in Incar.
    Opmerking: de vooraf geconvergeerde CHGCAR-en CHG-bestanden zijn afkomstig van de statische zelf-consistente berekeningen in stap 2,2. De band analyse is op het niveau van de PBE. De steekproef van het k-punt in het KPOINTS-bestand bevindt zich in de lijnmodus. Voorbeelden van invoerbestanden voor deze stap u vinden in de aanvullende materialen (behalve potcar).
  2. Typ qsub job. PBS op de terminal in het Linux-systeem om de taak te verzenden.
  3. Gebruik P4VASP om de geprojecteerde band te genereren.
    1. Laad "vasprun. XML" door te typen p4v vasprun. XML op Terminal in het Ubuntu-systeem.
      Opmerking: "p4v" wordt gebruikt om P4VASP te starten. Het bestand "vasprun. xml" moet in de werkmap.
    2. Selecteer het menu elektronische/lokale DOS + bands en Selecteer/bands.
      1. Geef de atoom nummers van NT op in de sectie Atom-selectie. Krijg het atoomnummer door te wijzen naar de overeenkomstige atomen met behulp van VMD zoals vermeld in stap 1.1.4. Geef de kleur, het type en de grootte van het symbool voor de geprojecteerde bandstructuur op via het menu symbool en de Symboolgrootte. Druk op de menu nieuwe regel toevoegen.
        Opmerking: in de grafiek wordt de bandstructuur weergegeven met bijdragen van de NT.
      2. Herhaal dezelfde procedure volgende stap 3.3.2.1 om de geprojecteerde band te krijgen met bijdragen van de NR.
    3. Selecteer de menu grafiek/export. Exporteer de grafiek naar een bestand met een AGR-indeling (bijvoorbeeld "11-8. AGR").
      Opmerking: de uitvoergegevens van de geprojecteerde banden door P4VASP zijn in drie kolommen waar de derde de weging vertegenwoordigt.
  4. Gebruik xmgrace om de geprojecteerde band te bewerken.
    1. Typ xmgrace 11-nr. AGR op de terminal om xmgrace te starten in het Ubuntu-systeem. Selecteer de Eigenschappen menu plot/Axis om het label en bereik van de as te bewerken.
    2. Selecteer het menu plot/stel uiterlijk in om de energiewaarde te lezen op het opgegeven band nummer en k-punt.
      Opmerking: de valentieband maximum (VBM) en geleidings band minimum (CBM) van NR/NT kunnen worden gelezen uit de geprojecteerde band met bijdragen op NR/NT, respectievelijk. Volgens de band uitlijningen, halfgeleiderheterostructuren kunnen worden ingedeeld in drie typen: type I (VBMNT < VBMNr < cbmNr < cbmNT of VBMNr < VBMNT < cbmNT < cbmNr), type II (VBMnt < vbmNr < CBMNT < cbmNr of VBMnr < VBMNT < cbmNr < cbmNT), of type III (VBMNT < VBMNT < cbmNr < cbmNr of vbmNr < VBMNr ≪ cbmNT < cbmNT)9.
    3. Bereken de valentieband offset (VBO), geleiding band offset (CBO) en de band gap volgend Kang et al.16.
    4. Selecteer het menu bestand/afdrukken om de grafiek met EPS-indeling te exporteren.
  5. Bereken de band gedecomponeerde lading dichtheid voor de VBM en CBM.
    1. Bereid een PBS-script "Job. PBS" en zeven invoerbestanden: INCAR, POSCAR, POTCAR, kpoints, WAVECAR, chgcar, en CHG. Specificeer de band nummers voor de cbm en VBM door de tag iBand in Incar. Gebruik het enkele corresponderende k-punt voor elke band rand.
      Opmerking: de vooraf geconvergeerde CHGCAR-, CHG-en WAVECAR-bestanden zijn afkomstig van statische, zelf-consistente berekeningen in stap 2,2. Voorbeelden van invoerbestanden voor deze stap worden gegeven in de aanvullende materialen (behalve potcar).
    2. Typ qsub job. PBS op de terminal in het Linux-systeem om de taak te verzenden.
    3. Gebruik VMD om de VBM en CBM in de echte ruimte te tekenen nadat de taak is voltooid.
      1. Start een VMD-sessie en laad het POSCAR-bestand zoals in stap 1.1.4.
      2. Selecteer het menu bestand/nieuwe molecule in het hoofdvenster van VMD. Zoek het PARCHG-bestand via het Blader venster. Laad PARCHG door VASP_PARCHGte typen.
      3. Selecteer de menu's Draw/Solid Surface en show/Isosurface in het grafische venster. Wijzig de isovalue in een geschikte waarde (bijvoorbeeld 0,02). Verander de kleur van de data door de menu kleur methode.
        Opmerking: dit is een intuïtieve analyse voor bandtypen met betrekking tot die in stap 3,4. Over het algemeen wordt de atomaire structuur verwijderd van de grens, anders wordt de gevisualiseerde laad dichtheid niet continu weergegeven. Raadpleeg aanvullende afbeelding 1 voor meer informatie.

4. moduleren van de elektronische eigenschappen van de composiet (NT ingekapseld in nr) door externe velden.

  1. Voeg een transversaal elektrisch veld toe aan de nanocomposiet17.
    1. Bereid een PBS-script "Job. PBS" en vier invoerbestanden: INCAR, POSCAR, POTCAR en kpoints.
    2. Definieer de sterkte van het elektrisch veld door de tag "Efield" in eenheden van EV/Å.
    3. Set LDIPOL = T. Specificeer IDIPOL met een exacte waarde (1, 2 of 3).
      Opmerking: deze twee tags worden toegevoegd om dipool correcties op te nemen. Het elektrische veld wordt toegepast langs de X-, Y-of Z-as door de waarde van IDIPOL in te stellen op 1, 2 of 3.
    4. Voer de statische zelf-consistente berekeningen en bandstructuur berekeningen uit volgens de secties 2 en 3 zonder structurele optimalisatie.
      Opmerking: uit eerdere studies blijkt dat elektrische velden van meer dan 5 V/Å kunnen worden gebruikt om de band kloof van bn-NT en bn-nr te wijzigen zonder de structuur te vervormen18,19.
  2. Voeg een trekspanning in lengterichting toe aan het nanocomposiet.
    1. Verander de rooster parameters langs de periodieke richting om het strain-effect weer te geven.
      Opmerking: de geoptimaliseerde rooster parameter van de nanocomposiet langs de Z-as is bijvoorbeeld 2,5045 Å. Als 1% eenassige treksterkte wordt toegepast langs de Z-richting, verander de parameter voor het rooster in POSCAR naar 2,5045 x 1,01 = 2,529545 Å.
    2. Ontspan de gewijzigde structuur na sectie 1.
    3. Voer statische zelf-consistente berekeningen en bandstructuur berekeningen uit volgens de paragrafen 2 en 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Zigzag BN-NRs ingekapseld in fauteuil BN-NTs (11, 11) werden gekozen als representatieve voorbeelden voor een 1D vdW hetero structuur. De parameters van het rooster werden ontleend aan Sahin et al.20. Voor het gemak wordt zigzag NRs afgekort tot Zn, waarbij n de III-V Dimeren langs de breedte14vertegenwoordigt. De inkapings energie EL uit stap 2,3 werd gebruikt als een ruwe schatting voor de energetische stabiliteit van het nanocomposiet. De EL -waarden van z2, z3en z4 , ingekapseld in bn-NT (11, 11) waren-0,033 EV/å,-0,068 EV/å, en-0,131 EV/å, respectievelijk10, zoals weergegeven in Figuur 1. Hoewel EL varieerde door een orde van grootte met bn-nr grootte, presenteerde alle drie nanocomposieten type II band structuren (vanaf stap 3,4) superieur aan de all-Carbon cases14, waarbij type II alleen ontstond voor nr met slechts één geschikte maat ingevoegd in NT14.

De bandstructuur van de composiet uit stap 3,2, bn-NT (11, 11) + Z4, wordt weergegeven in Figuur 2. VBM/CBM zoekt op NT/NR (vanaf stap 3,5), respectievelijk. De gespreide band uitlijning was gunstig voor licht oogsten. Het belangrijkste mechanisme van de overdracht van de lading is als volgt: de foto genereert elektronen en een gat in Z4 op het X punt, getoond in Figuur 3, en vervolgens het gat dissocieert van Z4 (kX) naar NT (11, 11) (kVBM, de k punt van VBM voor Dit nanocomposiet), weergegeven in Figuur 4. De berekende VBO (vanaf stap 3.4.3) is 317 meV, groter dan de thermische energie bij 300 K (KT ~ 30 meV), en vermindert effectief de recombinatie snelheid van de fotogegenereerde dragers10.

Om licht oogsten door een breed spectrum te verbeteren, worden zowel dwarse elektrische velden als longitudinale Trek spanningen toegepast op BN-NT (11, 11) + Z4. De evolutie van de band randen ten opzichte van het vacuümniveau van stap 4 wordt weergegeven in Figuur 5. Een substantiële kloof reductie tot in de buurt van 0,95 eV wordt waargenomen in dit nanocomposiet door externe velden. Nog belangrijker is dat de gespreide band uitlijning10blijft behouden. Op basis van deze resultaten wordt verwacht dat een dergelijk 1D-systeem de fotokatalytische waterstof generatie en veilige capsule opslag21integreert. De fotogegenereerde elektronen kunnen worden verzameld door NR. Gedreven door elektrostatische aantrekkingskracht dringen protonen door de NT om een waterstof molecuul te genereren. De geproduceerde waterstof is volledig geïsoleerd in de nano buis om een ongewenste omgekeerde reactie of explosie te voorkomen.

Figure 1
Figuur 1: zigzag BN nanoribbons Z2, z3en z4 INGEKAPSELD in een bn Nanotube (11, 11). De inkapings energie (EL) wordt onder elke structuur vermeld. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: band structuur van BN Nanotube (11, 11) + BN nanoribbon Z4. De bijdragen van de nano buis en nanoribbon aan de energie banden worden respectievelijk weergegeven in rode en blauwe bollen. De linker inzetstukken tonen de charge density distributies van de cbm en de VBM toestanden (isovalue 0,02 e/Å3). Dit cijfer werd aangepast van Gong et al.10 met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: de foto genereert elektronen en een gat in de bn nanoribbon Z4 op het X punt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: het gat dissocieert van de bn nanoribbon Z4 (kX) tot de bn Nanotube (11, 11) (kVBM, het k-punt van VBM voor dit nanocomposiet). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: band rand modulatie van de BN Nanotube (11, 11) en de BN nanoribbon Z4 door externe velden. Evolutie van de band randen ten opzichte van het vacuümniveau ondera) eenelektrisch veld en (B) uniaxiale treksterkte. De negatieve richting van elektrisch veld wordt aangeduid met de onderste rand Atom B naar de bovenste rand Atom N van Z4. Het reductiepotentieel van H+/uur2 en het oxidatie potentieel vanO 2//2o zijn-4,44 EV en-5,67 EV bij pH = 0, respectievelijk. De pH = 7 verschuift de redox potentialen van het water (door pH x 0,059 eV) naar-4,027 eV en-5,257 eV, respectievelijk weergegeven als blauwe onderbroken lijnen. Dit cijfer werd gereproduceerd van Gong et al.10 met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Supplemental Figure 1
Aanvullend figuur 1: (a) atomaire structuur van een bn Nanotube (11, 11) + bn Nanoribbon Z4 , gerangschikt van de grens en de bijbehorende geleidings band minimum (B). C) atomaire structuur van een bn Nanotube (11, 11) en bn nanoribbon Z4 uitgelijnd met één grens en de bijbehorende geleidings band minimum (D). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Aanvullend coderingsbestand: Klik hier om dit bestand te bekijken (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De berekeningen voor elektronische eigenschappen in de secties 2, 3 en 4 zouden vergelijkbaar zijn bij verschillende nanoschaal materialen. Het initiële atomische model in stap 1 moet zorgvuldig worden ontworpen om zinvolle informatie te extraheren. De factor voor het selecteren van het model kan bijvoorbeeld de grootte of chiraliteit van de materialen zijn. Ook moet het initiële atomische model in stap 1,1 redelijkerwijs worden voorbereid voor de lage kostenstructuur ontspanning. Als voorbeeld van de nanocomposiet in het protocol moet de NR op symmetrische wijze in het NT worden ingekapseld. Anders zal het tijdrovend zijn om de geoptimaliseerde structuur door VASP te doorzoeken.

Om het effect van een elektrisch veld te overwegen, wordt een kunstmatig dipool blad toegevoegd in het midden van het vacuüm gedeelte in de cel van de periodieke eenheid in VASP22. Het vacuüm gebied mag niet te breed zijn en het elektrische veld moet zwak genoeg zijn om te voorkomen dat kunstmatige veld emissie23.

Overwegende dat het effect van de stam eenvoudig kan worden gerealiseerd door de parameter rooster in poscar te veranderen, in de nanocomposiet zou de situatie complexer zijn. De elastische reacties van de NR en NT kunnen verschillen van elkaar, ondergaan dezelfde sterkte. Dit zal leiden tot een onevenredige structuur. Bijvoorbeeld, wanneer de eenassige trekspanning wordt toegepast langs de periodieke richting, verandert de geoptimaliseerde rooster parameter van de NT en NR in deze richting van een eerste 1,8 Å naar 2,0 Å, en 2,2 Å, respectievelijk. Grote Super cellen zijn vereist voor modellering: ten minste 11 eenheids cellen van NT en 10 eenheids cellen van NR in dit geval (11 x 2,0 Å = 10 x 2,2 Å = 22 Å).

Terwijl de grond staat elektronische eigenschappen van materialen kunnen worden bepaald door VASP vrij goed, om de levensduur van de foto gegenereerde gaten en elektronen bestaande in een opgewonden toestand, is het beter om de nonadiabatic Dynamics berekening uitvoeren24. Dit is belangrijk voor het ontwerpen van fotokatalysatoren met lange levensduur dragers4.

De rol van de computationele aanpak van VASP speelt in op de ontdekking van nieuwe materialen en de screening op potentiële fotokatalysatoren om experimentele inspanningen te ondersteunen. De band uitlijning op het niveau van de PBE in het splitsen van water is niet zo overtuigend als kwantitatief experimenteel werk. Nauwkeurigere waarden van de band randen ten opzichte van de redox potentials, CBO en VBO zijn nodig. Het beste is om de Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) Hybrid functional25te gebruiken, maar het is meer tijdrovend dan PBE. Niettemin kunnen de resultaten op het niveau van de PBE efficiënt zijn voor het suggereren van strategieën voor de verbetering van de fotokatalytische activiteit.

Opgemerkt moet worden dat het computationele ontwerp van VASP ook de voorspelling van zonnecel materialen, thermo-elektrische materialen, lithium batterijmaterialen, gasafvang materialen, etc.2mogelijk zal maken. Berekeningen met hoge doorvoer zijn gecombineerd met de machine learning-procedures voor betere materiaal voorspelling en lagere rekenkosten26,27.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door de Chinese postdoctorale wetenschaps Stichting (Grant No. 2017M612348), Qingdao postdoctoraal Stichting (Grant nr. 3002000-861805033070) en van het Young Talent project aan de Ocean University of China (Grant No. 3002000-861701013151). De auteurs bedanken Miss ya Chong Li voor het voorbereiden van de vertelling.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Nanotube Modeler Developed by Dr. Steffen Weber NanotubeModeler1.8 http://www.jcrystal.com/products/wincnt/NanotubeModeler.exe
P4VASP Orest Dubay p4vasp 0.3.30 Open source, available at www.p4vasp.at
v2xsf Developed by Dr. Jens Kunstmann v2xsf http://theory.chm.tu-dresden.de/~jk/software.html
VASP software Computational Materials Physics, Dept. of Physics, University of Vienna vasp.5.4.1 https://www.vasp.at
VMD software Theoretical and Computational Biophysics Group, University of Illinois at Urbana-Champaign vmd1.9.3 https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd
xcrysden Dept. of Physical and Organic Chemistry, Jozef Stefan Institute XCrySDen1.5.60 http://www.xcrysden.org/
Xmakemol Developed by M. P. Hodges xmakemol5.16 https://www.nongnu.org/xmakemol/XmakemolDownloads.html
Xmgrace software Grace Development Team under the coordination of Evgeny Stambulchik xmgrace5.1.25 http://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Collins, C., et al. Accelerated discovery of two crystal structure types in a complex inorganic phase field. Nature. 546 (7657), 280-284 (2017).
  2. Jain, A., Shin, Y., Persson, K. A. Computational predictions of energy materials using density functional theory. Nature Reviews Materials. 1 (1), 15004 (2016).
  3. de Jong, M., et al. Charting the complete elastic properties of inorganic crystalline compounds. Scientific Data. 2, 150009 (2015).
  4. Fu, C. F., Wu, X. J., Yang, J. L. Material Design for Photocatalytic Water Splitting from a Theoretical Perspective. Advanced Materials. 30 (48), 1802106 (2018).
  5. Gu, T., Luo, W., Xiang, H. J. Prediction of two-dimensional materials by the global optimization approach. Wiley Interdisciplinary Reviews-Computational Molecular Science. 7 (2), e1295 (2017).
  6. Lejaeghere, K., et al. Reproducibility in density functional theory calculations of solids. Science. 351 (6280), aad3000 (2016).
  7. Kresse, G., Furthmüller, J. Efficient Iterative Schemes for ab Initio Total-Energy Calculations Using a Plane-Wave Basis Set. Physical Review B. 54 (16), 11169-11186 (1996).
  8. Perdew, J. P., Burke, K., Ernzerhof, M. Generalized Gradient Approximation Made Simple. Physical Review Letters. 77 (18), 3865-3868 (1996).
  9. Ozcelik, V. O., Azadani, J. G., Yang, C., Koester, S. J., Low, T. Band alignment of two-dimensional semiconductors for designing heterostructures with momentum space matching. Physical Review B. 94 (3), 035125 (2016).
  10. Gong, M., et al. Robust staggered band alignment in one-dimensional van der Waals heterostructures: binary compound nanoribbons in nanotubes. Journal of Materials Chemistry C. 7 (13), 3829-3836 (2019).
  11. Grimme, S., Antony, J., Ehrlich, S., Krieg, H. A Consistent and Accurate ab Initio Parametrization of Density Functional Dispersion Correction (DFT-D) for the 94 Elements H-Pu. Journal of Chemical Physics. 132 (15), 154104 (2010).
  12. Zhang, L., Chen, Z. Q., Su, J., Li, J. F. Data mining new energy materials from structure databases. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 107, 554-567 (2019).
  13. Zakutayev, A., et al. An open experimental database for exploring inorganic materials. Scientific Data. 5, 180053 (2018).
  14. Kou, L. Z., Tang, C., Frauenheim, T., Chen, C. F. Intrinsic Charge Separation and Tunable Electronic Band Gap of Armchair Graphene Nanoribbons Encapsulated in a Double-Walled Carbon Nanotube. Journal of Physical Chemistry Letters. 4 (8), 1328-1333 (2013).
  15. Kou, L. Z., Tang, C., Wehling, T., Frauenheim, T., Chen, C. F. Emergent properties and trends of a new class of carbon nanocomposites: graphene nanoribbons encapsulated in a carbon nanotube. Nanoscale. 5 (8), 3306-3314 (2013).
  16. Kang, J., Tongay, S., Zhou, J., Li, J. B., Wu, J. Q. Band offsets and heterostructures of two-dimensional semiconductors. Applied Physics Letters. 102 (1), 012111 (2013).
  17. Makov, G., Payne, M. C. Periodic boundary conditions in ab initio calculations. Physical Review B. 51 (7), 4014-4022 (1995).
  18. Chen, C., Lee, M., Clark, S. J. Band gap modification of singlewalled carbon nanotube and boron nitride nanotube under a transverse electric field. Nanotechnology. 15 (12), 1837 (2004).
  19. Zhang, Z. H., Guo, W. L. Energy-gap Modulation of BN Ribbons by Transverse Electric Fields: First-Principles Calculations. Physical Review B. 77 (7), 075403 (2008).
  20. Sahin, H., et al. Monolayer Honeycomb Structures of Group-IV Elements and III-V Binary Compounds: First-Principles Calculations. Physical Review B. 80 (15), 155453 (2009).
  21. Yang, L., et al. Combining Photocatalytic Hydrogen Generation and Capsule Storage in Graphene Based Sandwich Structures. Nature Communications. 8, 16049 (2017).
  22. Neugebauer, J., Scheffler, M. Adsorbate-substrate and adsorbate-adsorbate interactions of Na and K adlayers on Al(111). Physical Review B. 46 (24), 16067 (1992).
  23. He, W., Li, Z. Y., Yang, J. L., Hou, J. G. Electronic structures of organic molecule encapsulated BN nanotubes under transverse electric field. Journal of Chemical Physics. 124 (15), 154709 (2006).
  24. Zhang, R. Q., et al. Direct Z-Scheme Water Splitting Photocatalyst Based on Two-Dimensional Van Der Waals Heterostructures. Journal of Physical Chemistry Letters. 9 (18), 5419-5424 (2018).
  25. Paiera, J., Marsman, M., Hummer, K., Kresse, G. Screened hybrid density functionals applied to solids. Journal of Chemical Physics. 124 (15), 154709 (2006).
  26. Pyzer-Knapp, E. O., Suh, C., Gómez-Bombarelli, R., Aguilera-Iparraguirre, J., Aspuru-Guzik, A. What Is High-Throughput Virtual Screening? A Perspective from Organic Materials Discovery. Annual Review of Materials Research. 45, 195-216 (2015).
  27. Cerqueira, T. F. T., et al. Identification of Novel Cu, Ag, and Au Ternary Oxides from Global Structural Prediction. Chemistry of Materials. 27 (13), 4562-4573 (2015).

Tags

Scheikunde uitgave 152 eendimensionale van der Waals heterostructures type II band Alignment nanoribbon Nanotube eerste-principes berekeningen valentieband maximum geleidings band minimaal
Probe type II band uitlijning in eendimensionale van der Waals Heterostructuren met behulp van berekeningen van de eerste principes
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hu, H., Lu, D., Dou, K. P., Shi, X.… More

Hu, H., Lu, D., Dou, K. P., Shi, X. Q. Probe Type II Band Alignment in One-Dimensional Van Der Waals Heterostructures Using First-Principles Calculations. J. Vis. Exp. (152), e60180, doi:10.3791/60180 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter