Name: 使用第一原理计算在一维范德瓦尔斯异构结构中的探头 II 型带对齐 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-10-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 56 s
Description: 了解使用第一性原理计算筛选一维范德瓦尔斯异质结构光催化剂的方法。本研究通过VASP软件优化氮化硼纳米带封装结构，预测水分解光催化性能。

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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。

1. 优化原子结构。
<ol>
	<li>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 &#34;EDIFFG = 0.02&#34; 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 &#60;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）。
	<ol>
		<li>生成氮化硼（BN）纳米带（NR）的初始结构 &#34;POSCAR&#34;.
		<ol>
			<li>从 https://materialsproject.org 下载 BN 块体单胞的 POSCAR 文件。</li>
			<li>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系统的终端中获取 &#34;POSCAR.xsf.gz&#34;类型 解压 POSCAR.xsf.gz 并输出 POSCAR.xsf 文件。</li>
			<li>使用 xcrysden 构建 BN 超胞。
			<ol>
				<li>类型 xcrysden --xsf POSCAR.xsf 在 Ubuntu 系统的终端中，选择菜单 修改/采集的样本单位数量 并在 X 和 Y 方向上扩展细胞。</li>
				<li>选择菜单 文件/保存 XSF 结构 导出名为的超胞结构 &#34;超晶胞&#34;. 
				注意：该结构的名称是任意定义的。</li>
			</ol>
			</li>
			<li>使用 xmakemol 打开超胞。输入 xmakemol -f 超晶胞 在Ubuntu系统的终端中。选择菜单 编辑/可见. 点击 切换 删除该区域内的原子，并将纳米带切割至所需的宽度和手性。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>生成BN纳米管（NT）的初始结构以用于POSCAR。下载 &#34;NanotubeModeler&#34; 来自 http://www.jcrystal.com/products。在 Windows 系统中打开 NanotubeModeler.exe。选择菜单 选择类型/B-N 并指定手性。选择菜单 文件/保存 XYZ 表格 导出结构。</li>
		<li>通过将步骤1.1.1中获得的NR封装到步骤1.1.2中获得的NT内部，构建纳米复合材料的初始结构。 
		注意：可通过调节纳米棒（NR）和纳米管（NT）的笛卡尔坐标来完成封装10,14,15.</li>
		<li>使用 VMD 软件在提交计算任务前检查原子结构。
		<ol>
			<li>类型 vmd 在Ubuntu系统的终端中。在打开的VMD主窗口中，选择菜单 文件/新建分子 并通过以下方式找到 POSCAR 文件 浏览 窗口。通过输入加载POSCAR VASP_POSCAR.</li>
			<li>以不同样式显示结构 图形表示/绘图方法 窗口。 
			注意：例如，选择CPK后，每个原子（键）将由一个球体（棍状）表示。VMD的安装指南和完整教程可在http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd获取。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>类型 qsub job.pbs 在Linux系统的终端中提交作业至计算机集群。 
	注意： &#34;job.pbs&#34; 表示 PBS 脚本的名称。PBS 脚本的名称可任意定义。四个输入文件应与 PBS 脚本一同置于工作目录中。该命令 qsub job.pbs 将在步骤 2.2、3.2、3.5.2 和第 4 节中使用。PBS 脚本的示例可在补充代码文件中找到。提交的作业完成后，如果 &#34;达到所需精度——停止结构能量最小化&#34; 在输出日志末尾出现时，表示已获得收敛结果。所得的 CONTCAR 文件将用作步骤 2.1、3.1、3.5.1、3.5.3.1、4.1.1、4.1.4 以及第 4.2 节中的输入文件 POSCAR。</li>
</ol>
2. 计算包封能。
<ol>
	<li>在 Linux 系统的终端中输入 mkdir nanocomposite isolated-nanoribbon isolated-nanotube，以创建三个文件夹，分别用于存放纳米复合物、纳米带（NR）和纳米管（NT）。在每个文件夹中准备一个 PBS 脚本&#34;job.pbs&#34;以及四个输入文件：INCAR、POSCAR、POTCAR 和 KPOINTS，用于能量计算。 
	注意：输入文件 POSCAR 是步骤 1 中结构弛豫完成后生成的名为 CONTCAR 的文件。输入文件的示例如下文补充材料所示（POTCAR 除外）。</li>
	<li>进入每个文件夹，并在 Linux 系统的终端中输入 qsub job.pbs。 
	注意：提交的这三个作业将分别对纳米复合物、孤立纳米带和孤立纳米管执行静态自洽能量计算。</li>
	<li>静态自洽计算完成后，从每个体系的 OUTCAR 文件中提取总能量。输入以下命令：grep “free energy TOTEN” ./nanocomposite/OUTCAR | tail -n 1、grep “free energy TOTEN” ./isolated-nanoribbon/OUTCAR | tail -n 1 和 grep “free energy TOTEN” ./isolated-nanotube/OUTCAR | tail -n 1。将显示的三个数值分别定义为 ENT+NR、ENR 和 ENT。计算每埃的包埋能：EL = (ENT+NR - ENT - ENR)/L14,15。 
	注意：每个体系的周期性方向沿 Z 轴，L 是晶胞在 Z 轴方向的晶格常数。需进行测试计算，以验证能量对平面波截断能和 k 点网格的依赖性。包埋能可用于评估纳米复合物的能量稳定性。</li>
</ol>
3. 从能带结构中提取电子性质。
<ol>
	<li>准备一个 PBS 脚本 &#34;job.pbs&#34; 和六个输入文件：INCAR、POSCAR、POTCAR、KPOINTS、CHGCAR 和 CHG，用于能带计算。在 INCAR 中设置 ICHARG = 11。 
	注意：预收敛的 CHGCAR 和 CHG 文件来自步骤 2.2 中的静态自洽计算。能带分析在 PBE 层次上进行。KPOINTS 文件中的 k 点采样采用线模式。此步骤的输入文件示例可在 补充材料 中找到（POTCAR 除外）。</li>
	<li>在 Linux 系统的终端中输入 qsub job.pbs 提交作业。</li>
	<li>使用 P4VASP 生成投影能带。
	<ol>
		<li>在 Ubuntu 系统的终端中输入 p4v vasprun.xml，通过键入命令加载 &#34;vasprun.xml&#34;。 
		注意：&#34;p4v&#34; 用于启动 P4VASP。&#34;vasprun.xml&#34; 文件应位于工作目录中。</li>
		<li>选择菜单 Electronic/Local DOS+bands control，然后选择 Select/Bands。
		<ol>
			<li>在 Atom selection 部分指定 NT 的原子序号。通过步骤 1.1.4 中提到的 vmd 指向相应原子以获取原子序号。通过 Symbol 和 Symbol size 菜单设置投影能带结构符号的颜色、类型和大小。点击 Add new line 菜单。 
			注意：图形将显示来自 NT 的贡献的能带结构。</li>
			<li>按照步骤 3.3.2.1 的相同流程，获取来自 NR 贡献的投影能带。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>选择菜单 Graph/Export。将图形导出为 agr 格式的文件（例如，&#34;11-4.agr&#34;）。 
		注意：P4VASP 输出的投影能带数据包含三列，其中第三列表示权重。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用 xmgrace 编辑投影能带。
	<ol>
		<li>在 Ubuntu 系统的终端中输入 xmgrace 11-4.agr 启动 xmgrace。选择菜单 Plot/Axis properties 以编辑坐标轴的标签和范围。</li>
		<li>选择菜单 Plot/Set appearance 以读取指定能带编号和 k 点处的能量值。 
		注意：NR/NT 的价带最大值（VBM）和导带最小值（CBM）可分别从对应 NR/NT 贡献的投影能带中读取。根据能带对齐情况，异质结构可分为三种类型：I 型（VBMNT &#60;VBMNR &#60;CBMNR &#60;CBMNT 或 VBMNR &#60;VBMNT &#60;CBMNT &#60;CBMNR），II 型（VBMNT &#60;VBMNR &#60;CBMNT &#60;CBMNR 或 VBMNR &#60;VBMNT &#60;CBMNR &#60;CBMNT），或 III 型（VBMNT &#60;VBMNT &#60;CBMNR &#60;CBMNR 或 VBMNR &#60;VBMNR &#60;CBMNT &#60;CBMNT）9。</li>
		<li>根据 Kang 等人16 的方法计算价带偏移（VBO）、导带偏移（CBO）和带隙。</li>
		<li>选择菜单 File/Print 将图形以 eps 格式导出。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>计算 VBM 和 CBM 的能带分解电荷密度。
	<ol>
		<li>准备一个 PBS 脚本 &#34;job.pbs&#34; 和七个输入文件：INCAR、POSCAR、POTCAR、KPOINTS、WAVECAR、CHGCAR 和 CHG。在 INCAR 中通过 IBAND 标签指定 CBM 和 VBM 的能带编号。对每个能带边缘使用对应的单个 k 点。 
		注意：预收敛的 CHGCAR、CHG 和 WAVECAR 文件来自步骤 2.2 中的静态自洽计算。此步骤的输入文件示例在 补充材料 中提供（POTCAR 除外）。</li>
		<li>在 Linux 系统的终端中输入 qsub job.pbs 提交作业。</li>
		<li>作业完成后，使用 vmd 在实空间中绘制 VBM 和 CBM。
		<ol>
			<li>启动一个 vmd 会话，并按照步骤 1.1.4 加载 POSCAR 文件。</li>
			<li>在 vmd 主窗口中选择菜单 File/New Molecule。通过 Browse 窗口找到 PARCHG 文件。输入 VASP_PARCHG 加载 PARCHG 文件。</li>
			<li>在 Graphical Representations 窗口中选择菜单 Draw/Solid Surface 和 Show/Isosurface。将等值面值更改为合适的数值（例如 0.02）。通过 Coloring Method 菜单更改等值面的颜色。 
			注意：这是相对于步骤 3.4 中能带类型的直观分析。通常，原子结构应远离边界排列，否则可视化电荷密度将无法连续显示。详情请参见 补充图 1。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 通过外场调节纳米复合材料（NT 封装在 NR 内部）的电子特性。
<ol>
	<li>向纳米复合材料施加横向电场17。
	<ol>
		<li>准备一个 PBS 脚本 &#34;job.pbs&#34; 和四个输入文件：INCAR、POSCAR、POTCAR 和 KPOINTS。</li>
		<li>通过标签 &#34;EFIELD&#34; 定义电场强度，单位为 eV/Å。</li>
		<li>设置 LDIPOL = T，并为 IDIPOL 指定确切值（1、2 或 3）。 
		注：添加这两个标签是为了引入偶极校正。通过将 IDIPOL 的值设为 1、2 或 3，电场将分别沿 X、Y 或 Z 轴方向施加。</li>
		<li>按照第 2 和第 3 节进行静态自洽计算和能带结构计算，但不进行结构优化。 
		注：先前的研究表明，超过 5 V/Å 的电场可用于调节 BN-NT 和 BN-NR 的带隙，而不会引起结构变形18,19。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>向纳米复合材料施加纵向拉伸应变。
	<ol>
		<li>改变周期性方向上的晶格参数，以反映应变效应。 
		注：例如，纳米复合材料沿 Z 轴方向的优化晶格参数为 2.5045 Å。若在 Z 方向施加 1% 的单轴拉伸应变，则将 POSCAR 中的晶格参数修改为 2.5045 × 1.01 = 2.529545 Å。</li>
		<li>按照第 1 节对修改后的结构进行弛豫。</li>
		<li>按照第 2 和第 3 节进行静态自洽计算和能带结构计算。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Collins, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accelerated+discovery+of+two+crystal+structure+types+in+a+complex+inorganic+phase+field%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Accelerated discovery of two crystal structure types in a complex inorganic phase field.</a> Nature. 546 (7657), 280-284 (2017).</li>
<li>Jain, A., Shin, Y., Persson, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computational+predictions+of+energy+materials+using+density+functional+theory%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Materials%22%5BJournal%5D)">Computational predictions of energy materials using density functional theory.</a> Nature Reviews Materials. 1 (1), 15004(2016).</li>
<li>de Jong, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Charting+the+complete+elastic+properties+of+inorganic+crystalline+compounds%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Data%22%5BJournal%5D)">Charting the complete elastic properties of inorganic crystalline compounds.</a> Scientific Data. 2, 150009(2015).</li>
<li>Fu, C. F., Wu, X. J., Yang, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Material+Design+for+Photocatalytic+Water+Splitting+from+a+Theoretical+Perspective%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Material Design for Photocatalytic Water Splitting from a Theoretical Perspective.</a> Advanced Materials. 30 (48), 1802106(2018).</li>
<li>Gu, T., Luo, W., Xiang, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prediction+of+two-dimensional+materials+by+the+global+optimization+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Wiley+Interdisciplinary+Reviews-Computational+Molecular+Science%22%5BJournal%5D)">Prediction of two-dimensional materials by the global optimization approach.</a> Wiley Interdisciplinary Reviews-Computational Molecular Science. 7 (2), e1295(2017).</li>
<li>Lejaeghere, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reproducibility+in+density+functional+theory+calculations+of+solids%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Reproducibility in density functional theory calculations of solids.</a> Science. 351 (6280), aad3000(2016).</li>
<li>Kresse, G., Furthmüller, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+Iterative+Schemes+for+ab+Initio+Total-Energy+Calculations+Using+a+Plane-Wave+Basis+Set%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+B%22%5BJournal%5D)">Efficient Iterative Schemes for ab Initio Total-Energy Calculations Using a Plane-Wave Basis Set.</a> Physical Review B. 54 (16), 11169-11186 (1996).</li>
<li>Perdew, J. P., Burke, K., Ernzerhof, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generalized+Gradient+Approximation+Made+Simple%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Generalized Gradient Approximation Made Simple.</a> Physical Review Letters. 77 (18), 3865-3868 (1996).</li>
<li>Ozcelik, V. O., Azadani, J. G., Yang, C., Koester, S. J., Low, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Band+alignment+of+two-dimensional+semiconductors+for+designing+heterostructures+with+momentum+space+matching%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+B%22%5BJournal%5D)">Band alignment of two-dimensional semiconductors for designing heterostructures with momentum space matching.</a> Physical Review B. 94 (3), 035125(2016).</li>
<li>Gong, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robust+staggered+band+alignment+in+one-dimensional+van+der+Waals+heterostructures%3A+binary+compound+nanoribbons+in+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Robust staggered band alignment in one-dimensional van der Waals heterostructures: binary compound nanoribbons in nanotubes.</a> Journal of Materials Chemistry C. 7 (13), 3829-3836 (2019).</li>
<li>Grimme, S., Antony, J., Ehrlich, S., Krieg, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Consistent+and+Accurate+ab+Initio+Parametrization+of+Density+Functional+Dispersion+Correction+%28DFT-D%29+for+the+94+Elements+H-Pu%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">A Consistent and Accurate ab Initio Parametrization of Density Functional Dispersion Correction (DFT-D) for the 94 Elements H-Pu.</a> Journal of Chemical Physics. 132 (15), 154104(2010).</li>
<li>Zhang, L., Chen, Z. Q., Su, J., Li, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Data+mining+new+energy+materials+from+structure+databases%5BTitle%5D)+AND+%22Renewable+%26+Sustainable+Energy+Reviews%22%5BJournal%5D)">Data mining new energy materials from structure databases.</a> Renewable & Sustainable Energy Reviews. 107, 554-567 (2019).</li>
<li>Zakutayev, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+open+experimental+database+for+exploring+inorganic+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Data%22%5BJournal%5D)">An open experimental database for exploring inorganic materials.</a> Scientific Data. 5, 180053(2018).</li>
<li>Kou, L. Z., Tang, C., Frauenheim, T., Chen, C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intrinsic+Charge+Separation+and+Tunable+Electronic+Band+Gap+of+Armchair+Graphene+Nanoribbons+Encapsulated+in+a+Double-Walled+Carbon+Nanotube%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+Letters%22%5BJournal%5D)">Intrinsic Charge Separation and Tunable Electronic Band Gap of Armchair Graphene Nanoribbons Encapsulated in a Double-Walled Carbon Nanotube.</a> Journal of Physical Chemistry Letters. 4 (8), 1328-1333 (2013).</li>
<li>Kou, L. Z., Tang, C., Wehling, T., Frauenheim, T., Chen, C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emergent+properties+and+trends+of+a+new+class+of+carbon+nanocomposites%3A+graphene+nanoribbons+encapsulated+in+a+carbon+nanotube%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Emergent properties and trends of a new class of carbon nanocomposites: graphene nanoribbons encapsulated in a carbon nanotube.</a> Nanoscale. 5 (8), 3306-3314 (2013).</li>
<li>Kang, J., Tongay, S., Zhou, J., Li, J. B., Wu, J. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Band+offsets+and+heterostructures+of+two-dimensional+semiconductors%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Band offsets and heterostructures of two-dimensional semiconductors.</a> Applied Physics Letters. 102 (1), 012111(2013).</li>
<li>Makov, G., Payne, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Periodic+boundary+conditions+in+ab+initio+calculations%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+B%22%5BJournal%5D)">Periodic boundary conditions in ab initio calculations.</a> Physical Review B. 51 (7), 4014-4022 (1995).</li>
<li>Chen, C., Lee, M., Clark, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Band+gap+modification+of+singlewalled+carbon+nanotube+and+boron+nitride+nanotube+under+a+transverse+electric+field%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Band gap modification of singlewalled carbon nanotube and boron nitride nanotube under a transverse electric field.</a> Nanotechnology. 15 (12), 1837(2004).</li>
<li>Zhang, Z. H., Guo, W. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Energy-gap+Modulation+of+BN+Ribbons+by+Transverse+Electric+Fields%3A+First-Principles+Calculations%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+B%22%5BJournal%5D)">Energy-gap Modulation of BN Ribbons by Transverse Electric Fields: First-Principles Calculations.</a> Physical Review B. 77 (7), 075403(2008).</li>
<li>Sahin, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monolayer+Honeycomb+Structures+of+Group-IV+Elements+and+III-V+Binary+Compounds%3A+First-Principles+Calculations%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+B%22%5BJournal%5D)">Monolayer Honeycomb Structures of Group-IV Elements and III-V Binary Compounds: First-Principles Calculations.</a> Physical Review B. 80 (15), 155453(2009).</li>
<li>Yang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+Photocatalytic+Hydrogen+Generation+and+Capsule+Storage+in+Graphene+Based+Sandwich+Structures%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Combining Photocatalytic Hydrogen Generation and Capsule Storage in Graphene Based Sandwich Structures.</a> Nature Communications. 8, 16049(2017).</li>
<li>Neugebauer, J., Scheffler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adsorbate-substrate+and+adsorbate-adsorbate+interactions+of+Na+and+K+adlayers+on+Al%28111%29%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+B%22%5BJournal%5D)">Adsorbate-substrate and adsorbate-adsorbate interactions of Na and K adlayers on Al(111).</a> Physical Review B. 46 (24), 16067(1992).</li>
<li>He, W., Li, Z. Y., Yang, J. L., Hou, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electronic+structures+of+organic+molecule+encapsulated+BN+nanotubes+under+transverse+electric+field%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Electronic structures of organic molecule encapsulated BN nanotubes under transverse electric field.</a> Journal of Chemical Physics. 124 (15), 154709(2006).</li>
<li>Zhang, R. Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+Z-Scheme+Water+Splitting+Photocatalyst+Based+on+Two-Dimensional+Van+Der+Waals+Heterostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+Letters%22%5BJournal%5D)">Direct Z-Scheme Water Splitting Photocatalyst Based on Two-Dimensional Van Der Waals Heterostructures.</a> Journal of Physical Chemistry Letters. 9 (18), 5419-5424 (2018).</li>
<li>Paiera, J., Marsman, M., Hummer, K., Kresse, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Screened+hybrid+density+functionals+applied+to+solids%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Screened hybrid density functionals applied to solids.</a> Journal of Chemical Physics. 124 (15), 154709(2006).</li>
<li>Pyzer-Knapp, E. O., Suh, C., Gómez-Bombarelli, R., Aguilera-Iparraguirre, J., Aspuru-Guzik, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((What+Is+High-Throughput+Virtual+Screening%3F+A+Perspective+from+Organic+Materials+Discovery%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Materials+Research%22%5BJournal%5D)">What Is High-Throughput Virtual Screening? A Perspective from Organic Materials Discovery.</a> Annual Review of Materials Research. 45, 195-216 (2015).</li>
<li>Cerqueira, T. F. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identification+of+Novel+Cu%2C+Ag%2C+and+Au+Ternary+Oxides+from+Global+Structural+Prediction%5BTitle%5D)+AND+%22Chemistry+of+Materials%22%5BJournal%5D)">Identification of Novel Cu, Ag, and Au Ternary Oxides from Global Structural Prediction.</a> Chemistry of Materials. 27 (13), 4562-4573 (2015).</li>
</ol>

作者无任何披露信息。

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 ...

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&#160;(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 https://www.vasp.at。
本报告介绍了对具II型能带排列的一维范德华异质结构的计算筛选9 在光催化水分解中具有良好的应用前景4具体而言，以纳米管（NTs）内封装的纳米带（NRs）为例进行考察10为考虑非共价相互作用，采用 DFT-D3 方法加入范德华修正11. 使用CenTOS系统中的高性能科研计算机，通过可移植批处理系统（PBS）脚本执行VASP在步骤1.2、2.2、3.2、3.5.2及第4节中的DFT计算。以下展示了一个PBS脚本的示例 补充材料. 第3.3步中使用P4VASP软件进行的数据后处理，以及第3.4步中使用xmgrace软件绘制图形，均在运行Ubuntu系统的本地计算机（笔记本或台式机）上完成。

<table><tbody><tr><td>纳米管建模工具</td><td>由 Dr. Steffen Weber 开发</td><td>NanotubeModeler1.8</td><td>http://www.jcrystal.com/products/wincnt/NanotubeModeler.exe</td></tr><tr><td>P4VASP</td><td>Orest Dubay</td><td>p4vasp 0.3.30</td><td>开源软件，可从 www.p4vasp.at 获取</td></tr><tr><td>v2xsf</td><td>由 Dr. Jens Kunstmann 开发</td><td>v2xsf</td><td>http://theory.chm.tu-dresden.de/~jk/software.html</td></tr><tr><td>VASP 软件</td><td>维也纳大学物理系计算材料物理部门</td><td>vasp.5.4.1</td><td>https://www.vasp.at</td></tr><tr><td>VMD 软件</td><td>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</td><td>vmd1.9.3</td><td>https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd</td></tr><tr><td>xcrysden</td><td>约瑟夫·斯特凡研究所物理与有机化学系</td><td>XCrySDen1.5.60</td><td>http://www.xcrysden.org/</td></tr><tr><td>Xmakemol</td><td>由 M. P. Hodges 开发</td><td>xmakemol5.16</td><td>https://www.nongnu.org/xmakemol/XmakemolDownloads.html</td></tr><tr><td>Xmgrace 软件</td><td>在 Evgeny Stambulchik 协调下的 Grace 开发团队</td><td>xmgrace5.1.25</td><td>http://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/</td></tr></tbody></table>

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

Probe Type II Band Alignment in One-Dimensional Van Der Waals Heterostructures Using First-Principles Calculations

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。

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）<sup class="xr...

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。

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

基于密度泛函理论（DFT）的计算工具能够探索定性上全新且可在实验上实现的纳米尺度……

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。

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科研

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Chemistry

化学

使用第一原理计算在一维范德瓦尔斯异构结构中的探头 II 型带对齐

无序结构为形成光子带隙以及在功能缺陷设计方面提供了新的机制和前所未有的自由度。为了克服无序系统在计算上的挑战，我们构建了这类新型光子带隙材料的模块化宏观样品，并以一种简便且低成本的方式利用微波来表征其尺度不变的光子特性。...

利用微波与介电体宏观样品研究无序光子带隙材料的光子特性

介绍了在扫描电子显微镜中使用电子沟道衬度成像技术来表征III-V族/Si异质外延薄膜中的缺陷。该方法可获得与透射电子显微镜平面观察相似的结果，但由于无需复杂的样品制备过程，所需时间显著缩短。...

电子沟道衬度成像用于快速表征III-V族异质外延材料

通过原子层沉积（ALD）在蓝宝石衬底上制备了二氧化钒（VO2）的薄膜（100–1000...

二氧化钒的原子层沉积及温度依赖性光学模型

本文介绍了一种在绢云母云母上直接生长外延且柔性的锆钛酸铅存储元件的方案。...

基于范德华异质外延的柔性铁电元件制备与测量方法

展示了基于 In0.75Ga0.25As 二维电子气（2DEG）的平面弹道 Josephson 结（JJs）阵列构成的量子集成电路（QICs）。讨论了两种不同的二维（2D）Josephson...

基于超导二维电子气平台的可扩展量子集成电路

通过结合单轴应变与自旋极化扫描隧道显微镜，我们实现了对铁基超导体母体化合物Fe1+yTe反铁磁畴结构的可视化与调控。...

使用自旋极化扫描隧道显微镜可视化 Fe1+YTe 中单轴应变对反铁磁畴的调控

在本研究中，我们描述了一种通过堆叠超薄层状二维材料来制备新型晶体（范德华异质结构）的技术，该技术可精确控制材料的位置和相对取向。...

精确旋转对准的范德华异质结构的制备

关键词：范德华异质结构，二维材料，转移堆叠，角度对准，纳米制造，材料科学，凝聚态物理

本文介绍了一种用于分析在体外模拟生理条件下纳米结构动态变化的实验方案。 透射电子显微镜（TEM）原位偏压技术用于叠层金属-绝缘体-金属结构。该技术在下一代可编程逻辑电路和神经形态硬件中的阻变交叉阵列中具有重要应用，可用于揭示其内在工作机理及实际应用潜力。...

原位透射电子显微镜下施加偏压并基于混合相 a-VOx 制备非对称交叉结构

本文介绍了一种经过优化且基于实践经验的制备高质量石墨烯基莫尔超晶格器件的方案，该方案采用改进的干法转移技术，结合高度可调的自制转移装置，可精确控制扭转角度。...

高质量基于石墨烯莫尔超晶格器件的优化制备工艺

本研究提出一种无残留物的制备方法，用于制备二维材料的单层薄片，并仅通过范德华相互作用将其组装成复杂的异质结构。该技术无需使用外部物质或特定实验条件，可通过自下而上、自上而下以及模块化堆叠的方式实现复杂异质结构的组装。...

二维材料范德华异质结构的无残留制备

我们介绍一种可重复的应变调控压电反射谱学实验方案，该方案采用锁相检测技术测量转移至压电陶瓷上的范德华晶体的ΔR/R，并通过ΔR/R光谱结合Aspnes公式的三阶导数拟合，实现对直接光学跃迁的表征。...

范德华层状晶体中光学跃迁的压电反射光谱学

了解使用第一性原理计算筛选一维范德瓦尔斯异质结构光催化剂的方法。本研究通过VASP软件优化氮化硼纳米带封装结构，预测水分解光催化性能。

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

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