使用第一性原理计算探究一维范德华异质结构中的II型能带排列

本方案通过第一性原理计算，报道了一种具有II型能带排列的光催化剂的计算筛选，以卡莱尔软线大规模表达的、封装在纳米管内的氮化硼亚硝酸纳米带为例，并列举了其他示例。步骤一：优化原子结构。

通过 vast、INCAR、POSCAR、POTCAR 和 KPOINTS 准备结构弛豫计算的输入文件。文件 INCAR 中包含定义计算的特定参数。文件 INCAR 中用蓝色框标出的行表示，当所有原子均被弛豫，直至每个原子上的受力小于 0.028 每原子时的情况。

文件POSCAR包含原子几何结构信息。该文件中的初始晶格参数可从理论计算或实验参考文献中选择，如橙色框所示。

KPOINTS 定义了一个K点网格，而POSCAR仍是生成用于POSCAR的氮化硼纳米带初始结构的势文件。首先从Materials Project网站下载氮化硼方块单胞的POSCAR文件。他们使用V2SXF将POSCAR转换为SXF格式的文件。

SXF 文件可能是正确的表达式。将 V2SXF POSCAR 输入至双带系统中。然后输出 POSCAR SXFGZ 选项卡中的 gunzi POSCAR 以及 delta SXF-GZ。

并输出 POSCAR SXF 文件。我们将使用 xcrysden 构建氮化硼的超胞。输入命令 xcrysden-sxf POSCAR.Xsf。

选择菜单，修改所绘制的病灶数量，并在 X 和 Y 方向上扩展样式。选择菜单中的“文件”，保存 XSF 结构以导出超晶胞结构。

输入 xmakemol -f supercell 以使用 xmakemol 打开超胞。选择菜单并将其设为可见。点击 toggle 以延迟范围内的原子，并制备具有指定宽度和手性的纳米带。

氮化硼纳米管可以通过纳米管建模工具构建，在 Windows 系统中打开纳米管建模工具 EXC。选择菜单，选择类型为 B-N，并指定手性。

选择菜单中的“文件”→“保存XYZ表格”以导出此结构。在开始创建计算任务之前，使用VMD Southwire检查原子结构。在内部VMD系统中输入VMD。

在打开的 VMD 主窗口中，选择菜单中的“文件”（File）→“分子”（Molecule），然后在浏览窗口中找到 POSCAR 文件。通过选择类型为 MAGE 并加载 POSCAR 文件来载入该文件。

在图形表示绘制方法窗口中，以不同样式显示结构。例如，选择CPK样式，每个原子由一个球体表示，每条化学键由一个柱状物表示。

输入 qsub job.pbs 以将作业提交至计算机。该文件属于可移植批处理系统脚本。

这是一个名为 job.pbs 的脚本示例。作业完成后，如果比率需要精确停止，则结构能量最小化会出现在输出文件末尾。收敛结果为 pend。

生成的POSCAR将作为后续计算的输入文件POSCAR，用于分析材料的电子性质。第二步。

计算包埋能。在Linux系统中输入命令 mkdir nanocomposite isolated-nanoribbon isolated-nanotube，以创建用于纳米复合材料、孤立纳米带和孤立纳米管的qsub文件夹。准备一个PBS脚本，job。

pbs 和四个输入文件 INCAR、POSCAR、POTCAR 以及 KPOINTS。用于在每个文件夹中进行能量计算。输入文件 POSCAR 以相同的方式弛豫结构并统计 CAR 形成情况。

进入每个文件夹，在内部 Linux 系统中输入 qsub job.pbs。这一系列关联作业将分别对纳米复合材料、独立的纳米带和独立的纳米管进行静态自洽能量计算。

接下来，针对每个体系，从 OUTCAR 文件中追踪总能量。完成静态自洽计算后，根据此公式计算包埋能。纳米复合材料的周期性相互作用允许沿 Z 轴方向，L 为晶胞沿 Z 轴的晶格常数。包埋能可用于评估纳米复合材料的能量稳定性。

第三步，从能带结构中提取电子性质。准备一个 PBS 脚本文件 job.pbs 和六个输入文件。

INCAR、POSCAR、POTCAR、KPOINTS、CHGCAR 和 CHG。对于能带计算，在 INCAR 中设置 ICHARG 等于 11。预转换的 CHGCAR 和 CHG 文件来自静态自洽计算。

KPOINTS 中的 KPOINT 采样采用线模式。在内部 Linux 系统中输入 qsub job.pbs 以提交作业。

使用 p4vasprun 生成投影能带。通过输入 p4v vasprun 加载 vasprun.xml。

在终端中打开xml。选择菜单，电子局域DOS能带。控制，然后选择能带。

在标签原子选择中指定纳米管的原子序数。通过使用 VMD 指向相应原子来获取原子序数。为投影能带结构指定符号的颜色、类型和大小。

这些菜单符号及其符号大小。按下菜单，添加新行。图形将显示来自纳米管贡献的能带结构。

然后重复相同的步骤，以收集来自纳米带的投影能带。选择菜单中的“图形导出”，将图形导出为 agr 格式的文件。

例如，保存为 11-4.agr。使用 XM 级别识别投影条带。输入命令 xmgrace11-4。

在终端中输入 agr 以启动 xmgrace 菜单系统。选择菜单中的“Plot”→“Axis Properties”以识别坐标轴的标签及其范围。选择“Manual Plot Set Appearance”，读取指定能带序号及关键点处的能量值。

通过分别投影纳米管或纳米带的能带贡献，可直接获得纳米管或纳米带的价带最大值和导带最小值。然后计算价带偏移、导带偏移以及带隙。选择菜单中的“文件”，指向以APS格式导出图像。

计算价带顶（VBM）和导带底（CBM）的能带分解电荷密度。准备一个 pbs 脚本作业文件、pbs 文件以及七个输入文件：INCAR、POSCAR、POTCAR、KPOINTS、WAVECAR、CHGCAR 和 CHG。

指定CBM和VBM的能带编号，然后在INCAR中输入IBAND。每个能带边缘使用对应的单个KPOINT。

该点收敛的CHGCAR、CHG以及WAVECAR文件均来自静态自洽计算。输入命令qsub job。

将pbs提交至内部Linux系统以运行任务。任务完成后，使用VMD在实空间中绘制价带最大值（VBM）和导带最小值（CBM）。启动VMD会话并加载POSCAR。

在 VMD 主窗口中选择菜单“文件”→“新建分子”。通过浏览窗口找到 PARCHG 文件。按类型加载 PARCHG，然后点击并评分 PARCHG。

选择菜单，绘制实心表面，并在图形表示窗口中显示实心表面。将 ISO 值更改为合适的数值，例如 0.02。通过菜单着色方法更改 ISO 表面的颜色。

第四步，通过外加场调控纳米复合材料的电子特性。向纳米复合材料施加一个横向电场。准备一个 PBS 脚本作业。

pbs 以及四个输入文件 INCAR、POSCAR、POTCAR 和 KPOINTS。通过 e-field 标签以 eV/Å 为单位定义电场强度。将 LDIPOL 设为 T，将 IDIPOL 设为 2。

电场将施加于Y轴方向。在不进行结构优化的情况下，按照步骤二和步骤三进行静态自洽计算和能带结构计算。对纳米复合材料施加纵向强度测试，沿周期性方向调整晶格参数，以考虑链状效应。

例如，若施加1%的应变以优化纳米复合材料沿轴方向的晶格参数，且沿Z轴的轴向抗拉强度通过作用发生变化，则将POSCAR文件中的晶格参数更改为2.529545 Å。按照步骤一弛豫修改后的结构，随后按照步骤二和步骤三进行静态自洽计算和能带结构计算。

代表性结果。包埋能可用于粗略估计纳米复合材料的能量稳定性。氮化硼纳米带 a2、a3 和 a4 被包埋在氮化硼纳米管 (11,11) 内时的包埋能分别为 0.033 eV Astrum、0.068 eV Astrum 和 0.131 eV Astrum。

尽管封装能随纳米带尺寸变化而改变一个数量级，但三种纳米复合材料均呈现第二类带阶排列。这是氮化硼与纳米带的能带结构，其中四号纳米带被封装在氮化硼纳米管（11,11）内。价带顶位于纳米管，导带底位于纳米带。

交错的能带排列有利于光生电流，其主要的电荷传输机制如下：在X点处，光在纳米带中产生电子-空穴对。随后，空穴从纳米带解离至纳米管。

计算得到的价带偏移为317 µeV，大于300 K时的热能（约13 µeV），这有效地降低了光生载流子的复合速率。

为了通过宽光谱增强光吸收，将电场和纵向拉伸应力施加于氮化硼纳米带，该纳米带为四重封装在氮化硼纳米管（11, 11）内部的结构。这是相对于真空能级的能带边缘演化情况，且在无外场时无响应。在此纳米复合材料中，两种外场均使其带隙显著减小，最大可降至接近 0.95 eV。

更重要的是，这种交错的能带排列在扩散作用下仍得以保持。水的氧化还原电位由蓝色虚线标出。能带边缘相对于氧化还原电位的位置表明，该纳米复合材料在水分解反应中具有良好的应用前景。结论。

采用计算筛选方法发现具有适用于单独水分解特性的低维材料，是一种快速且高效的方法。这类一维体系有望整合光催化产氢与安全胶囊式反应结构。光生电子可由纳米带收集，质子则穿过纳米管，通过静电吸引结合生成氢分子。

产生的氢气被完全隔离在纳米管内部，以避免发生不需要的逆反应或爆炸。使用PPE泛函的第一性原理计算会低估能隙状态，但能够捕捉到能带排列和能带偏移的基本趋势。

与实验工作相比，若要获得更准确的价带偏移、导带偏移及带隙数值，需采用杂化泛函，但这将比使用PPE泛函耗费更多计算时间。此外，为研究光生空穴和电子在静态纳米体系中的寿命，还需进行一些必要的计算。这对于设计具有长载流子寿命的光催化剂至关重要。