Waiting
Login-Verarbeitung ...

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

Chemistry

Probe type II bånd justering i endimensionel van der Waals Heterostrukturer ved hjælp af første-principper beregninger

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

Beregninger udført af Vienna ab initio simulation Package kan bruges til at identificere de iboende elektroniske egenskaber af nanoskala materialer og forudsige de potentielle vand-opdeling foto katalysatorer.

Abstract

Beregningsmæssige værktøjer baseret på tæthed-funktionel teori (DFT) gør det muligt at udforske de kvalitativt nye, eksperimentelt opnåelige nanoskala forbindelser til en målrettet applikation. Teoretiske simuleringer giver en dybtgående forståelse af funktionelle materialers iboende elektroniske egenskaber. Målet med denne protokol er at søge efter katalysator kandidater ved Computational Dissection. Fotokatalytiske applikationer kræver passende bånd huller, passende bånd kant positioner i forhold til redox potentialerne. Hybride funktioners kan give nøjagtige værdier af disse egenskaber, men er beregningsmæssigt dyre, mens resultaterne på Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) funktionelle niveau kunne være effektive til at foreslå strategier for band strukturteknik via elektrisk felt og træk stamme sigter mod at forbedre den fotokatalytiske ydeevne. For at illustrere dette, i det nuværende manuskript, anvendes DFT baseret simuleringsværktøj vasp til at undersøge bandet tilpasning af nanokompositter i kombinationer af nanorør og nanoribbons i jorden tilstand. For at adressere levetiden for foto genererede huller og elektroner i den ophidsede tilstand er der behov for nonadiabatiske dynamik beregninger.

Introduction

Den verdensomspændende efterspørgsel efter ren og bæredygtig energi har ansporet forskning for lovende materialer til at reducere afhængigheden af begrænsede råolie ressourcer. Simuleringer er mere effektive og økonomiske end eksperimenter med at accelerere søgningen efter nye funktionelle materialer1. Materiale design fra et teoretisk perspektiv2,3,4 er nu mere og mere populært på grund af hurtige fremskridt i beregningsressourcer og teoriudvikling, hvilket gør beregningsmæssige simuleringer mere pålidelige5 . Den tæthed funktionelle teori (DFT) beregninger implementeret i mange koder bliver mere robust og udbytte reproducerbare resultater6.

Wien ab initio simulation Package (VASP)7 præsenterer en af de mest lovende DFT koder til forudsigelse af molekylære og krystallinske egenskaber og mere end 40.000 undersøgelser gør brug af denne kode er blevet offentliggjort. Det meste arbejde udføres på Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) funktionelle niveau8, som undervurderer bandet Gap størrelser, men fanger de væsentlige tendenser i bånd justering og band forskydninger3. Denne protokol har til formål at skitsere detaljerne i at undersøge bandet Edge profiler og bandgab af nanoskala materialer til ren og vedvarende energi ved hjælp af dette beregningsværktøj. Der findes flere eksempler på brug af VASP på https://www.vasp.at.

Denne rapport præsenterer beregningsmæssige screening af endimensionelle (1D) VDW heterostrukturer med type II-bånd justeringer9 for en lovende anvendelse i foto katalytisk vand opdeling4. Specifikt, nanoribbons (NRS) indkapslet inde nanorør (NTS) er undersøgt som et eksempel10. For at adressere ikke-kovalente interaktioner er vdW-korrektioner med metoden DFT-D3 inkluderet11. DFT beregninger i trin 1,2, 2,2, 3,2, 3.5.2, og afsnit 4 af VASP udføres ved hjælp af en Portable batch system (PBS) script af de højtydende forsknings computere i CenTOS systemet. Et eksempel på et PBS-script er vist i de supplerende materialer. Den datapost Processing af P4VASP software i trin 3,3 og figuren plot af xmgrace software i trin 3,4 bæres på en lokal computer (laptop eller desktop) i Ubuntu-systemet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Optimer den atomare struktur.

  1. Forbered fire input filer til beregning af struktur lempelse af VASP: INCAR, POSCAR, POTCAR og KPOINTS.
    Bemærk: der er angivet parametre i INCAR-filen, der definerer beregningen. Linjen "EDIFFG = 0,02" i INCAR-filen indikerer, at alle atomer er afslappet, indtil kraften på hvert Atom er < 0,02 eV/Å. POSCAR-filen indeholder oplysninger om atomgeometrien. De indledende gitter parametre i poscar-filen kan vælges fra teoretiske3 eller eksperimentelle referencer12,13. Den KPOINTS fil definerer k punkt mesh og POTCAR er den pseudopotential fil. Rækkefølgen af Atom typer i POSCAR bør være den samme som i POTCAR. Eksempler på input filer til struktur lempelse er vist i de supplerende materialer (undtagen den pseudopotential fil, som skal have en licens fra vasp).
    1. Generer den oprindelige struktur af bornitrid (BN) nanoribbons (NR) for "POSCAR".
      1. Download POSCAR-filen til BN bulk-enheden fra https://materialsproject.org.
      2. Brug v2xsf til at konvertere POSCAR-filen til en fil i xsf-format, der kan læses af xcrysden. Skriv V2XSF poscar på terminalen i Ubuntu-systemet for at få "poscar. xsf. gz". Skriv gunzip poscar. xsf. gz og output poscar. xsf fil.
      3. Brug xcrysden til at bygge BN-super cellen.
        1. Skriv xcrysden--xsf POSCAR. xsf på terminalen i Ubuntu-systemet. Vælg menuen Modificer/antal enheder trukket og Udvid cellen i X og Y retninger.
        2. Vælg menuen fil/Gem XSF struktur til at eksportere SuperCell struktur, der hedder "SuperCell".
          Bemærk: navnet på strukturen er en vilkårlig definition.
      4. Brug xmakemol til at åbne SuperCell. Type xmakemol-f SuperCell på terminalen i Ubuntu-systemet. Vælg menuen Redigér/synlig. Klik på Skift for at slette atomerne inde i regionen og klippe nr til den ønskede bredde og chirality.
    2. Generere den oprindelige struktur af bn nanorør (NT) for poscar. Hent "Nanotubemodeler" fra http://www.jcrystal.com/products. Åbn NanotubeModeler. exe i Windows-systemet. Vælg menuen Vælg type/B-N , og Angiv chiraliteten. Vælg menuen fil/Gem XYZ tabel for at eksportere strukturen.
    3. Generer den oprindelige struktur af nanokomposit ved at indkapme NR (fra trin 1.1.1) inde i NT (fra trin 1.1.2).
      Bemærk: indkapsling kan være færdig ved at justere de kartesiske koordinater af nr og NT10,14,15.
    4. Brug VMD-softwaren til at kontrollere den atomare struktur, før du indsender beregningsjobbet.
      1. Skriv VMD på terminalen i Ubuntu-systemet. I det åbne VMD-hovedvindue skal du vælge menufilen/det nye molekyle og finde poscar-filen via vinduet Gennemse . Indlæs POSCAR ved at skrive VASP_POSCAR.
      2. Vis strukturen i forskellige typografier i vinduet grafiske repræsentationer/tegnings metode .
        Bemærk: for eksempel, når CPK er valgt, hver Atom (obligation) er repræsenteret ved en sfære (stick). Installationsvejledningen og den fulde vejledning til VMD er tilgængelige på http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
  2. Skriv qsub job. PBS på terminalen i Linux-systemet for at indsende jobbet til computer klyngen.
    Bemærk: "job. PBS" repræsenterer navnet på PBS-scriptet. Navnet på PBS-scriptet er en vilkårlig definition. De fire input filer sammen med PBS-scriptet bør være på arbejdsmappen. Kommandoen qsub job. PBS vil blive brugt i trin 2,2, 3,2, 3.5.2 og afsnit 4. Et eksempel på en PBS script kan findes i den supplerende kodning fil. Når det sendte job er færdigt, hvis "nået krævede nøjagtighed-stop strukturel energi minimering" vises i slutningen af output loggen, det konvergerede resultat opnås. Den resulterende CONTCAR fil vil blive brugt som input fil POSCAR i trin 2,1, 3,1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4, og afsnit 4,2.

2. Beregn indkapsling energi.

  1. Type mkdir nanokompositovertræk isoleret-nanoribbon isoleret-nanotube til at skabe tre mapper til nanokompositovertræk, nr, og NT på en terminal i et Linux-system. Forbered en PBS script "job. PBS" og fire input filer INCAR, POSCAR, potcar, og kpoints for energi beregningen i hver mappe.
    Bemærk: Inputfilen POSCAR er den fil, der hedder CONTCAR med den afslappede struktur fra trin 1. Eksempler på input filer er givet i supplerende materialer (undtagen potcar).
  2. Gå til hver mappe og Skriv qsub job. PBS på terminalen i Linux-systemet.
    Bemærk: de tre indsendte job vil udføre de statiske selv konsistente energiberegninger for henholdsvis nanokomposit, isoleret NR og isoleret NT.
  3. Uddrag den samlede energi fra filen OUTCAR for hvert system efter endt statiske selv konsistente beregninger. Type GREP-"gratis energi Toten"./nanocomposite/OUTCAR | hale-n 1, GREP-"gratis energi Toten"./isolated-nanoribbon/OUTCAR | hale-n 1, og GREP-"gratis energi Toten"./isolated-nanotube/OUTCAR | hale-n 1. Definer de tre viste værdier som henholdsvis ENT + nr, enrog eNT. Beregn indkapsling energi pr. Angstrom: eL = (ENT + nr -eNT -enr)/l14,15.
    Bemærk: den periodiske retning i hvert system er langs Z-aksen, og L er gitter konstanten af enhedens celle langs Z-aksen. Test beregninger af energiafhængighed på flyet bølge cutoff energi og k punkt mesh er nødvendige. Indkapsling energi kan bruges som et estimat for den energiske stabilitet af nanokomposit.

3. Uddrag de elektroniske egenskaber fra bandet struktur.

  1. Forbered en PBS script "job. PBS" og seks input filer: INCAR, POSCAR, POTCAR, kpoints, CHGCAR, og Chg for bandet beregning. Sæt Icharg = 11 i Incar.
    Bemærk: de preconverged CHGCAR-og CHG-filer er fra de statiske selv konsistente beregninger i trin 2,2. Bandet analyse er på PBE niveau. K-punkts sampling i KPOINTS-filen er i linjetilstand. Eksempler på input filer til dette trin kan findes i de supplerende materialer (undtagen potcar).
  2. Skriv qsub job. PBS på terminalen i Linux-systemet for at indsende jobbet.
  3. Brug P4VASP til at generere det projicerede bånd.
    1. Indlæs "vasprun. XML" ved at skrive p4v vasprun. XML på terminalen i Ubuntu-systemet.
      Bemærk: "p4v" bruges til at starte P4VASP. Filen "vasprun. xml" skal være på arbejdsmappen.
    2. Vælg menuen Electronic/Local DOS + bands Control og Vælg/bands.
      1. Angiv Atom numrene for NT i valg af sektions- Atom. Få atomnummeret ved at pege på de tilsvarende atomer ved hjælp af VMD som nævnt i trin 1.1.4. Angiv farve, type og størrelse på symbolet for den projekterede bånd struktur gennem menusymbolet og symbol størrelsen. Tryk på menu Tilføj ny linje.
        Bemærk: grafen vil vise bandet struktur med bidrag fra NT.
      2. Gentag den samme procedure efter trin 3.3.2.1 for at få det projekterede bånd med bidrag fra NR.
    3. Vælg Menugrafen/eksporten. Eksporter grafen til en fil med et AGR-format (f. eks. som "11 -4. AGR").
      Bemærk: output data for de projekterede bånd med P4VASP er i tre kolonner, hvor den tredje repræsenterer vægtningen.
  4. Brug xmgrace til at redigere det projicerede bånd.
    1. Skriv xmgrace 11 -4. AGR på terminalen for at starte xmgrace i Ubuntu-systemet. Vælg egenskaberne for menuen plot/akse for at redigere aksens etiket og område.
    2. Vælg Menuplot/set udseende for at læse energiværdien ved det angivne bånd nummer og k-punkt.
      Bemærk: maksimum for Valens bånd (VBM) og lednings frekvens (CBM) i NR/NT kan aflæses fra det projekterede bånd med bidrag på henholdsvis NR/NT. Ifølge bandet alignments kan heterostrukturer inddeles i tre typer: type I (VBMnt < vbmnr < CBMnr < cbmNT eller VBMnr < vbmNT < CBMNT < CBMnr), type II (VBMnt < vbmnr < CBMNT < cbmnr eller VBMnr < vbmNT < CBMnr < CBMNT) ellertype III (vbmNT < vbmNT < CBMnr < CBMnr eller vbmnr < Vbmnr ≪ CBMNT < CBMNT)9.
    3. Beregn Valens bånds offset (VBO), lednings bånds offset (CBO) og bånd hullet efter Kang et al.16.
    4. Vælg menuen fil/Udskriv for at eksportere grafen med EPS-format.
  5. Beregn den nedbrudte opladnings tæthed for VBM og CBM.
    1. Forbered en PBS script "job. PBS" og syv input filer: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, chgcar, og Chg. Angiv gruppe numrene for CBM og vbm ved tag IBAND i Incar. Brug det enkelte tilsvarende k-punkt for hver bånd kant.
      Bemærk: de preconverged CHGCAR-, CHG-og WAVECAR-filer er fra de statiske selv konsistente beregninger i trin 2,2. Eksempler på input filer til dette trin er angivet i de supplerende materialer (undtagen potcar).
    2. Skriv qsub job. PBS på terminalen i Linux-systemet for at indsende jobbet.
    3. Brug VMD til at afbilde VBM og CBM i det virkelige rum, når jobbet er færdigt.
      1. Start en VMD-session, og Indlæs POSCAR-filen som i trin 1.1.4.
      2. Vælg menufilen/det nye molekyle i hovedvinduet i VMD. Find PARCHG-filen via vinduet Gennemse . Indlæs PARCHG ved at skrive VASP_PARCHG.
      3. Vælg menuerne Draw/Solid Surface og show/Isosurface i vinduet grafiske repræsentationer . Du skal ændre isoværdien til en passende værdi (f. eks. 0,02). Skift farven på isoover fladen gennem Menufarve metoden.
        Bemærk: Dette er en intuitiv analyse for band typer med hensyn til det i trin 3,4. Generelt er den atomare struktur arrangeret væk fra grænsen, ellers den visualiserede ladning tæthed er ikke vist på en kontinuerlig måde. Se venligst supplerende figur 1 for detaljer.

4. moduter de elektroniske egenskaber for nanokomposit (NT indkapslet inde i NR) af eksterne felter.

  1. Tilføj et tværgående elektrisk felt til nanokompositovertræk17.
    1. Forbered en PBS script "job. PBS" og fire input-filer: INCAR, POSCAR, potcar, og kpoints.
    2. Definer styrken af det elektriske felt med tagget "Efield" i enheder af EV/Å.
    3. Indstil LDIPOL = T. Angiv IDIPOL med en eksakt værdi (1, 2 eller 3).
      Bemærk: disse to Tags tilføjes for at inkludere dipol korrektioner. Det elektriske felt vil blive anvendt langs X-, Y-eller Z-aksen ved at indstille værdien af IDIPOL til 1, 2 eller 3.
    4. Udfør de statiske selv konsistente beregninger og beregninger af bånd struktur efter afsnit 2 og 3 uden strukturel optimering.
      Bemærk: tidligere undersøgelser indikerer, at elektriske felter over 5 V/Å kan bruges til at ændre bånd afstanden for bn-NT og bn-nr uden at deforme strukturen18,19.
  2. Tilsæt en langsgående træk stamme til nanokomposit.
    1. Skift gitter parametrene langs den periodiske retning for at afspejle stamme effekten.
      Bemærk: for eksempel er den optimerede gitter parameter for nanokomposit langs Z-aksen 2,5045 Å. Hvis der påføres 1% uniaksial trækbelastning langs Z-retningen, ændres gitter parameteren i POSCAR til 2,5045 x 1,01 = 2,529545 Å.
    2. Slap af den modificerede struktur efter afsnit 1.
    3. Udfør statiske selv konsistente beregninger og beregninger af bånd struktur efter afsnit 2 og 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Zigzag BN-NRs indkapslet i lænestol BN-NTs (11, 11) blev valgt som repræsentative eksempler for en 1D vdW heterostruktur. Gitter parametrene blev taget fra Sahin et al.20. For nemheds skyld er zigzag NRs forkortet Zn, hvor n repræsenterer III-V-dimere langs bredden14. Indkapsling energi EL fra trin 2,3 blev brugt som et groft estimat for den energiske stabilitet af nanokomposit. EL -værdierne for z2, z3og z4 indkapslet i bn-NT (11, 11) var-0,033 EV/å,-0,068 EV/å og-0,131 EV/å, henholdsvis10, som vist i figur 1. Selv om EL varierede med en størrelsesorden med bn-nr størrelse, præsenterede alle tre nanokompositter type II-bånd strukturer (fra trin 3,4) overlegen i forhold til alle kulstof-tilfælde14, hvor type II kun opstod for nr med kun én passende størrelse indsat i NT14.

Den gruppestruktur af nanokomposit fra trin 3,2, BN-NT (11, 11) + Z4, er vist i figur 2. VBM/CBM lokaliserer henholdsvis NT/NR (fra trin 3,5). Den forskudte bånd justering var gavnlig for let høst. Den vigtigste mekanisme af Charge overførsel er som følger: billedet genererer elektroner og et hul i Z4 ved X punkt, vist i figur 3, og derefter hullet dissocierer fra Z4 (kX) til NT (11, 11) (kvbm, k punkt af vbm for nanokomposit), vist i figur 4. Den beregnede VBO (fra trin 3.4.3) er 317 meV, større end den termiske energi på 300 K (KT ~ 30 meV), og effektivt nedsætter rekombinationsprocenten for de fotogenererede bærere10.

For at forbedre lyshøsten gennem et bredt spektrum påføres både tværgående elektriske felter og langsgående træk træk på BN-NT (11, 11) + Z4. Udviklingen af båndkanter i forhold til vakuumniveauet fra trin 4 er vist i figur 5. En væsentlig reduktion af afstanden op til nær 0,95 EV observeres i denne nanokompositovertræk af eksterne felter. Endnu vigtigere, den forskudte bånd justering er bevaret10. På baggrund af disse resultater forventes et sådant 1D-system at integrere foto katalytisk brintproduktion og sikker kapsel opbevaring21. De foto genererede elektroner kunne indsamles af NR. Drevet af elektrostatisk tiltrækning trænger protoner gennem NT til at generere et brint molekyle. Den producerede hydrogen er helt isoleret i nanorøret for at undgå en uønsket omvendt reaktion eller eksplosion.

Figure 1
Figur 1: zigzag bn nanoribbons z2, z3og z4 indkapslet i et bn nanorør (11, 11). Indkapsling energi (EL) er opført under hver struktur. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: bånd struktur af bn nanorør (11, 11) + bn nanoribbon Z4. Bidragene fra nanorøret og nanoribbon til energi båndene er repræsenteret i henholdsvis røde og blå kugler. De venstre inddelinger viser fordelings tætheden for CBM og VBM-staterne (isoværdi 0,02 e/Å3). Dette tal blev tilpasset fra Gong et al.10 med tilladelse fra Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: fotoet genererer elektroner og et hul i bn nanoribbon Z4 ved X-punktet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: hullet dissocierer fra bn nanoribbon Z4 (kX) til bn nanorør (11, 11) (kvbm, k-punktet for vbm for denne nanokomposit). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: bånd kant modulation af bn nanorør (11, 11) og bn nanoribbon Z4 af eksterne felter. Udvikling af båndkanter i forhold til vakuumniveauet under (A) et elektrisk felt og (B) uniaksial trækbelastning. Den negative retning af elektrisk felt er angivet fra den nedre kant Atom B til den øvre kant Atom N af Z4. Reduktionspotentialet i H+/h2 og oxidations potentialet i o2/H2o er-4,44 EV og-5,67 EV ved pH = 0. PH = 7 flytter vandets redox potentialer (ved pH x 0,059 eV) til-4,027 eV og-5,257 eV, vist som blå stiplede linjer. Dette tal blev gengivet fra Gong et al.10 med tilladelse fra Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplemental Figure 1
Supplerende figur 1: (a) Atom struktur af et bn nanorør (11, 11) + bn nanoribbon Z4 arrangeret væk fra grænsen og det tilsvarende lednings bånd minimum (B). C) atomare struktur af et bn nanorør (11, 11) og bn nanoribbon Z4 justeret med én grænse og det tilsvarende lednings bånd minimum (D). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende kodning fil: Klik venligst her for at se denne fil (Højreklik for at downloade).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Beregningerne for elektroniske egenskaber i afsnit 2, 3 og 4 vil være de samme som i forskellige nanoskala-materialer. Den oprindelige atomare model i trin 1 skal være omhyggeligt designet til at udtrække meningsfulde oplysninger. For eksempel kan faktoren for valg af modellen være materialernes størrelse eller chiralitet. Også, den oprindelige atomare model i trin 1,1 bør være rimeligt forberedt til lavpris struktur afslapning. At tage nanokomposit i protokollen som et eksempel, bør NR være indkapslet inde i NT på en symmetrisk måde. Ellers vil det være tidskrævende at søge den optimerede struktur af VASP.

For at overveje effekten af et elektrisk felt, tilsættes en kunstig dipol ark i midten af vakuum delen i den periodiske enhed cellen i VASP22. Vakuum regionen bør ikke være for bred, og den elektriske felt skal være svag nok til at undgå kunstige felt emission23.

Der henviser til, at effekten af stammen simpelthen kan realiseres ved at ændre gitter parameteren i POSCAR, i nanokomposit situationen ville være mere kompleks. Den elastiske respons af NR og NT kan være forskellig fra hinanden, undergår samme styrke. Dette vil føre til en uforholdsmæssig struktur. For eksempel, når den uniaksiale trækbelastning påføres langs periodisk retning, ændres den optimerede gitter parameter i NT og NR langs denne retning fra henholdsvis 1,8 Å til 2,0 Å og 2,2 Å. Store super celler er nødvendige for modellering: mindst 11 enheds celler af NT og 10 enheds celler af NR i dette tilfælde (11 x 2,0 Å = 10 x 2,2 Å = 22 Å).

Mens Ground State elektroniske egenskaber af materialer kan bestemmes af VASP ganske godt, for at løse levetiden af foto genererede huller og elektroner eksisterende i en ophidset tilstand, er det bedre at udføre nonadiabatic Dynamics beregning24. Dette er vigtigt at designe foto katalysatorer med lang levetid bærere4.

Rollen som den Computational tilgang, der udføres af VASP, spiller ind i opdagelsen af nye materialer og screeningen for potentielle foto katalysatorer til at hjælpe eksperimenterende indsats. Båndet justering på PBE niveau i vand opdeling er ikke så overbevisende som kvantitative eksperimentelle arbejde. Mere nøjagtige værdier af båndet kanter i forhold til redox potentialer, CBO, og VBO er nødvendige. Det ville være bedst at bruge den hybrid funktionelle25, Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE), men det er mere tidskrævende end PBE. Ikke desto mindre kunne resultaterne på PBE-niveau være effektive til at foreslå strategier til forbedring af foto katalytisk aktivitet.

Det skal nævnes, at den beregningsmæssige design af VASP vil også gøre det muligt forudsigelse af solceller materialer, termoelektriske materialer, lithium batteri materialer, gas Capture materialer, etc.2. Beregninger med højt gennemløb er blevet kombineret med maskinernes indlærings procedurer for bedre materiale forudsigelse og lavere beregningsomkostninger26,27.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet fra China postdoc Science Foundation (Grant No. 2017M612348), Qingdao postdoc Foundation (Grant No. 3002000-861805033070) og fra Young talent Project på Ocean University of China (Grant No. 3002000-861701013151). Forfatterne takker Miss ya Chong Li for at forberede fortællingen.

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

Kemi endimensionel van der Waals heterostrukturer type II bånd justering nanoribbon nanotube første-principper beregninger Valence band maksimum ledningsføring band minimum
Probe type II bånd justering i endimensionel van der Waals Heterostrukturer ved hjælp af første-principper beregninger
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