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 band Alignment i en-dimensjonal Van der Waals Heterostructures bruke første-prinsipper 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 utført av Vienna ab initio simulering Package kan brukes til å identifisere de innebygde elektroniske egenskapene til nanoskala materialer og forutsi potensialet vann-splitting photocatalysts.

Abstract

Beregningsorientert verktøy basert på tetthet-funksjonell teori (DFT) gjør det mulig utforskning av kvalitativt nye, eksperimentelt oppnåelige nanoskala forbindelser for en målrettet søknad. Teoretiske simuleringer gir en dyp forståelse av de innebygde elektroniske egenskapene til funksjonelle materialer. Målet med denne protokollen er å søke etter fotokatalysator kandidater ved beregningsorientert disseksjon. Fotokatalytiske applikasjoner krever egnede band gap, passende bandet kanten posisjoner i forhold til Redox potensialer. Hybrid functionals kan gi nøyaktige verdier av disse egenskapene, men er beregningsmessig dyrt, mens resultatene på Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) funksjonsnivå kan være effektive for å foreslå strategier for band struktur engineering via elektrisk felt og strekk belastning sikte på å forbedre fotokatalytiske ytelse. For å illustrere dette, i dagens manuskript, DFT basert simulering verktøyet FINANCEIRO brukes til å undersøke bandet justering av nanokompositter i kombinasjoner av nanorør og nanoribbons i bakken staten. For å møte levetiden til photogenerated hull og elektroner i opphisset tilstand, nonadiabatic dynamikk beregninger er nødvendig.

Introduction

Den verdensomspennende etterspørselen etter ren og bærekraftig energi har påvirket forskning på lovende materialer for å redusere avhengigheten av begrensede petroleums ressurser. Simuleringer er mer effektive og økonomiske enn eksperimenter i akselererende søken etter nye funksjonelle materialer1. Material design fra et teoretisk perspektiv2,3,4 er nå mer og mer populært på grunn av raske fremskritt i beregningsressurser og teori utvikling, noe som gjør beregningsorientert simuleringer mer pålitelig5 . Tettheten funksjonell teori (DFT) beregninger implementert i mange koder blir mer robuste og gi reproduserbar resultater6.

Vienna ab initio simulering Package (FINANCEIRO)7 presenterer en av de mest lovende dft koder for å forutsi molekylær og krystallinsk egenskaper og mer enn 40 000 studier gjør bruk av denne koden har blitt publisert. De fleste arbeid er utført på Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) funksjonell nivå8, som undervurderer bandet gap størrelser, men fanger de essensielle trendene i bandet justering og bandet forskyvninger3. Denne protokollen tar sikte på å skissere detaljene for å undersøke bandet kanten profiler og bandgaps av nanoskala materialer for ren og fornybar energi ved hjelp av denne beregningsorientert verktøyet. Flere eksempler på bruk av FINANCEIRO er tilgjengelig på https://www.vasp.at.

Denne rapporten presenterer beregningsorientert screening av en-dimensjonal (1D) vdW heterostructures med type II band justeringer9 for en lovende anvendelse i fotokatalytiske vann splitting4. Spesielt er nanoribbons (NRs) innkapslet i nanorør (NTs) undersøkt som et eksempel10. For å adressere noncovalent interaksjoner, vdW rettelser ved hjelp av DFT-D3 metoden er inkludert11. DFT-beregningene i trinn 1,2, 2,2, 3,2, 3.5.2 og del 4 av FINANCEIRO utføres ved hjelp av en Portable batch system (PBS) skript av høy ytelse forskning datamaskiner i CenTOS systemet. Et eksempel på et PBS-skript vises i tilleggsmaterialene. Dataene post prosessering av P4VASP programvare i trinn 3,3 og figuren plottet av xmgrace programvare i trinn 3,4 er gjennomført på en lokal datamaskin (bærbar eller stasjonær) i Ubuntu-systemet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Optimaliser Atomic struktur.

  1. Forbered fire inndatafiler for struktur avslapping beregning av FINANCEIRO: INKARNASJON, POSCAR, POTCAR, og KPOINTS.
    Merk: det er angitt parametere i INKARNASJON-filen som definerer beregningen. Linjen "EDIFFG = 0,02" i INKARNASJON-filen indikerer at alle atomer er avslappet inntil kraften på hvert Atom er < 0.02 eV/å. POSCAR-filen inneholder informasjon om Atom-geometri. De første gitter parametrene i POSCAR-filen kan velges fra teoretisk3 eller eksperimentelle referanser12,13. Den KPOINTS filen definerer k punkt mesh og POTCAR er pseudopotential filen. Rekkefølgen av Atom typer i POSCAR bør være den samme som i POTCAR. Eksempler på inndatafiler for struktur avslapping vises i tilleggsmaterialene (bortsett fra pseudopotential-filen, som trenger en lisens fra financeiro).
    1. Generer den innledende strukturen av bor nitride (BN) nanoribbons (NR) for "POSCAR".
      1. Last ned POSCAR-filen for BN bulk enheten fra https://materialsproject.org.
      2. Bruk v2xsf til å konvertere POSCAR-filen til en fil i xsf-format som kan leses av xcrysden. Type V2XSF POSCAR på terminalen i Ubuntu-systemet for å få "POSCAR. xsf. gz". Skriv inn GUNZIP POSCAR. xsf. gz og utdata i POSCAR. xsf-filen.
      3. Bruk xcrysden til å bygge BN-SuperCell.
        1. Type xcrysden--xsf POSCAR. xsf på terminalen i Ubuntu-systemet. Velg menyen endre/antall enheter tegnet og utvide cellen i X og Y retninger.
        2. Velg menyen fil/lagre xsf-struktur for å eksportere SuperCell strukturen, kalt "SuperCell".
          Merk: navnet på strukturen er en vilkårlig definisjon.
      4. Bruk xmakemol for å åpne SuperCell. Type xmakemol-f SuperCell på terminalen i Ubuntu-systemet. Velg menyen Rediger/synlig. Klikk på veksle for å slette atomer inne i regionen og kutt nr til ønsket bredde og chiralitet.
    2. Generer den første strukturen i BN-nanorør (NT) for POSCAR. Dataoverføre "NanotubeModeler" fra http://www.jcrystal.com/products. Åpne NanotubeModeler. exe i Windows-systemet. Velg menyen Velg type/B-N og angi chiralitet. Velg meny filen/lagre XYZ-tabellen for å eksportere strukturen.
    3. Generer den innledende strukturen i nanokompositt ved å innkapsle den NR (fra trinn 1.1.1) inne i NT (fra trinn 1.1.2).
      Merk: innkapsling kan være ferdig ved å justere kartesiske koordinatene til nr og NT10,14,15.
    4. Bruk VMD programvare for å sjekke Atomic strukturen før du sender beregningen jobben.
      1. Skriv VMD på terminalen i Ubuntu-systemet. I åpnet VMD hovedvinduet, Velg menyen fil/nytt molekyl og finne POSCAR filen gjennom Bla gjennom vinduet. Load POSCAR ved å skrive VASP_POSCAR.
      2. Vis strukturen i forskjellige stiler i vinduet grafikk representasjoner/tegnings metode .
        Merk: for eksempel, når CPK er valgt, hvert Atom (Bond) er representert med en sfære (Stick). Installasjonsveiledningen og full opplæring av VMD er tilgjengelig på http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
  2. Skriv qsub Job. PBS på terminalen i Linux-systemet for å sende jobben til datamaskinen klyngen.
    Merk: "Job. PBS" representerer navnet på PBS-skriptet. Navnet på PBS-skriptet er en vilkårlig definisjon. De fire inndatafilene sammen med PBS-skriptet bør være i arbeidsmappen. Kommandoen qsub Job. PBS vil bli brukt i trinn 2,2, 3,2, 3.5.2 og avsnitt 4. Et eksempel på en PBS script kan bli funnet i supplerende koding filen. Etter den innsendte jobben er ferdig, hvis "nådd nødvendig nøyaktighet-stopper strukturelle energi minimering" vises på slutten av output loggen, det løpe resultat oppnås. Den resulterende CONTCAR-filen vil bli brukt som inndatafilen POSCAR i trinn 2,1, 3,1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4 og seksjon 4,2.

2. Beregn innkapsling energi.

  1. Type mkdir nanokompositt isolert-nanoribbon isolert-nanorør å opprette tre mapper for nanokompositt, den nr, og NT på en Terminal i et Linux-system. Forbered en PBS script "Job. PBS" og fire inndatafiler INKARNASJON, POSCAR, POTCAR, og KPOINTS for energi beregning i hver mappe.
    Merk: inndatafilen POSCAR er filen som heter CONTCAR med avslappet struktur fra trinn 1. Eksempler på inndatafiler er gitt i supplerende materialer (unntatt POTCAR).
  2. Gå til hver mappe og Skriv qsub Job. PBS på terminalen i Linux-systemet.
    Merk: de tre innsendte jobbene vil utføre de statiske selv konsekvente energi beregningene for henholdsvis nanokompositt, isolert NR og isolert NT.
  3. Pakk ut den totale energien fra filen OUTCAR for hvert system etter endt statisk selvtillit konsekvent beregninger. Type grep "fri energi TOTEN"./nanocomposite/OUTCAR | hale-n 1, grep "fri energi TOTEN"./Isolated-nanoribbon/OUTCAR | hale-n 1, og grep "ledig energi TOTEN"./Isolated-nanotube/OUTCAR | hale-n 1. Definer de tre viste verdiene som henholdsvis ENT + nr, eNrog eNT. Beregn innkapsling av energi per Angstrom: EL = (eNT + nr -eNT -eNr)/l14,15.
    Merk: den periodiske retningen i hvert system er langs Z-aksen og L er gitteret konstant av enheten cellen langs Z-aksen. Test beregninger av energien avhengighet av flyet bølgen cut energi og k punkt mesh er nødvendig. Innkapsling energien kan brukes som et estimat for den energiske stabiliteten til nanokompositt.

3. Pakk ut de elektroniske egenskapene fra band strukturen.

  1. Forbered en PBS script "Job. PBS" og seks inndatafiler: INKARNASJON, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, CHGCAR, og CHG for bandet beregning. Angi ICHARG = 11 i inkarnasjon.
    Merk: de preconverged CHGCAR-og CHG-filene er fra de statiske selv konsekvente beregningene i trinn 2,2. Bandet analysen er på PBE nivå. K-punkt-sampling i KPOINTS-filen er i linjemodus. Eksempler på inndatafiler for dette trinnet finnes i tilleggs materiellet (unntatt POTCAR).
  2. Skriv qsub Job. PBS på terminalen i Linux-systemet for å sende inn jobben.
  3. Bruk P4VASP til å generere det projiserte båndet.
    1. Load "vasprun. XML" ved å skrive P4v vasprun. XML på terminalen i Ubuntu-systemet.
      Merk: "P4v" brukes til å starte P4VASP. Filen "vasprun. XML" skal være på arbeidsmappen.
    2. Velg menyen elektronisk/lokal DOS + Bands-kontroll , og Velg deretter/band.
      1. Angi Atom numrene til NT i avsnittet Atom- valg. Få Atom nummeret ved å peke på de tilsvarende atomer ved hjelp av VMD som nevnt i trinn 1.1.4. Angi fargen, typen og størrelsen på symbolet for den projiserte bånd strukturen gjennom meny symbolet og symbol størrelsen. Trykk på menyen Legg til ny linje.
        Merk: grafen vil vise band strukturen med bidrag fra NT.
      2. Gjenta samme fremgangsmåte etter trinn 3.3.2.1 for å få det projiserte båndet med bidrag fra NR.
    3. Velg menyen graf/Export. Eksporter grafen til en fil med et agr format (for eksempel som "11 -4. agr").
      Merk: utdataene for de projiserte bandene av P4VASP er i tre kolonner der den tredje representerer vekting.
  4. Bruk xmgrace til å redigere det projiserte båndet.
    1. Type xmgrace 11 -4. agr på terminalen for å starte Xmgrace i Ubuntu-systemet. Velg Egenskaper for meny plott/akse for å redigere etiketten og området for aksen.
    2. Velg menyen plot/set utseende for å lese energi verdien på det angitte bånd nummer og k punkt.
      Merk: Valence bandet Maximum (VBM) og Lednings bånds minimum (CBM) av NR/NT kan leses fra det projiserte bandet med bidrag på NR/NT, henholdsvis. I henhold til REM justeringene kan heterostructures klassifiseres 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), eller type III (VBMNT < VBMNT < CBMNr < CBMNr eller VBMnr ≪ VBMNr < CBMNT < CBMNT)9.
    3. Beregn Valence bandet offset (VBO), ledning bandet offset (CBO), og bandet gapet etter Kang et al.16.
    4. Velg menyen fil/Skriv ut for å eksportere grafen med EPS-format.
  5. Beregn båndet nedbrutt lade tettheten for VBM og CBM.
    1. Forbered en PBS script "Job. PBS" og syv inndatafiler: INKARNASJON, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, CHGCAR, og CHG. Angi bånd NUMRENE for CBM og VBM med koden IBAND i inkarnasjon. Bruk ett tilsvarende k-punkt for hver bånd kant.
      Merk: preconverged CHGCAR-, CHG-og WAVECAR-filer er fra de statiske selv konsekvente beregningene i trinn 2,2. Eksempler på inndatafiler for dette trinnet er gitt i tilleggsmaterialene (unntatt POTCAR).
    2. Skriv qsub Job. PBS på terminalen i Linux-systemet for å sende inn jobben.
    3. Bruk VMD til å plotte VBM og CBM i virkelig rom etter at jobben er fullført.
      1. Start en VMD sesjon og Last inn POSCAR-filen som i trinn 1.1.4.
      2. Velg menyen fil/nytt molekyl i VMD HOVEDVINDU. Finn PARCHG-filen via Bla gjennom-vinduet. Load PARCHG ved å skrive VASP_PARCHG.
      3. Velg menyene Draw/solid Surface og Vis/Isosurface i vinduet grafiske fremstillinger . Endre isovalue til en passende verdi (for eksempel 0,02). Endre fargen på isosurface gjennom menyen coloring metode.
        Merk: Dette er en intuitiv analyse for band typer med hensyn til det i trinn 3,4. Vanligvis er det Atomic strukturen arrangert vekk fra grensen, ellers det visualisere lade tettheten er ikke vist på en kontinuerlig måte. Se supplerende figur 1 for detaljer.

4. modulere de elektroniske egenskapene til nanokompositt (NT innkapslet i NR) etter eksterne felt.

  1. Legg til et tverrgående elektrisk felt i nanokompositt17.
    1. Forbered en PBS script "Job. PBS" og fire input-filer: INKARNASJON, POSCAR, POTCAR, og KPOINTS.
    2. Definer styrken på det elektriske feltet ved å merke "EFIELD" i enheter av EV/å.
    3. Angi LDIPOL = T. Angi IDIPOL med en eksakt verdi (1, 2 eller 3).
      Merk: disse to kodene legges til for å inkludere dipol rettelser. Det elektriske feltet vil bli brukt langs X-, Y-eller Z-aksen ved å angi verdien for IDIPOL til 1, 2 eller 3.
    4. Utfør statiske selv konsekvente beregninger og bånd struktur beregninger følgende avsnittene 2 og 3 uten strukturell optimalisering.
      Merk: tidligere studier tyder på at elektriske felt over 5 V/å kan brukes til å endre bandets gap på BN-NT og BN-nr uten deformeres strukturen18,19.
  2. Legg til en langsgående strekk belastning til nanokompositt.
    1. Endre gitter parametre langs den periodiske retningen for å gjenspeile belastnings effekten.
      Merk: for eksempel er den optimaliserte gitter parameteren for nanokompositt langs Z-aksen 2,5045 å. Hvis 1% uniaxial strekk belastning påføres langs Z-retningen, endrer du gitter parameteren i POSCAR til 2,5045 x 1,01 = 2,529545 å.
    2. Slapp den endrede strukturen følgende avsnitt 1.
    3. Utfør statiske selv konsekvente beregninger og felt struktur beregninger etter avsnitt 2 og 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Sikk-sakk BN-NRs innkapslet i lenestolen BN-NTs (11, 11) ble valgt som representative eksempler for en 1D vdW heterostructure. Gitteret parametrene ble tatt fra Sahin et al.20. For enkelhets skyld, er sikksakk NRs forkortet Zn, der n representerer III-V dimers langs bredden14. Den innkapsling energi EL fra trinn 2,3 ble brukt som et grovt anslag for energisk stabiliteten av nanokompositt. EL -verdiene til z2, Z3og z4 innkapslet Inside 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 varierte med en størrelsesorden med BN-nr størrelse, alle tre nanokompositter PRESENTERT type II band strukturer (fra trinn 3,4) overlegen til alle-karbon tilfeller14, der type II bare fremkom for nr med bare én passende størrelse satt inn i NT14.

Bånd strukturen til nanokompositt fra trinn 3,2, BN-NT (11, 11) + Z4, vises i figur 2. VBM/CBM lokaliserer henholdsvis NT/NR (fra trinn 3,5). Den forskjøvet bandet justeringen var gunstig for lys høsting. Den viktigste mekanismen av kostnader overføring er som følger: bildet genererer elektroner og et hull i Z4 på X punkt, vist i Figur 3, og deretter hullet dissociates fra Z4 (kX) til NT (11, 11) (kVBM, k punkt VBM for Denne nanokompositt), som vist i Figur 4. Den beregnede VBO (fra trinn 3.4.3) er 317 meV, større enn den termiske energien ved 300 K (KT ~ 30 meV), og effektivt reduserer rekombinasjon rate av photogenerated bærere10.

For å forbedre lys høsting gjennom et bredt spekter, brukes både tverrgående elektriske felt og langsgående strekk stammer til BN-NT (11, 11) + Z4. Utviklingen av bånd kanter i forhold til vakuumnivået fra trinn 4 vises i figur 5. En betydelig gap reduksjon opp til nær 0,95 eV er observert i denne nanokompositt av eksterne felt. Enda viktigere er forskjøvet bandet justeringen bevart10. Basert på disse resultatene, er et slikt 1D-system forventet å integrere fotokatalytiske hydrogen generering og sikker kapsel lagring21. De photogenerated elektroner kan samles inn av NR. Drevet av elektrostatisk tiltrekning, protoner trenge gjennom NT for å generere et hydrogen molekyl. Den produserte hydrogen er helt isolert innenfor nanorør for å unngå en uønsket omvendt reaksjon eller eksplosjon.

Figure 1
Figur 1: sikksakk BN-nanoribbons Z2, Z3og Z4 innkapslet i en BN-nanorør (11, 11). Innkapsling energien (EL) er oppført under hver struktur. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: bånd strukturen til BN-nanorør (11, 11) + BN nanoribbon Z4. Bidragene fra nanorør og nanoribbon til energi båndene representeres i henholdsvis røde og blå kuler. Venstre inn data viser ladning tetthet distribusjoner av CBM og VBM statene (isovalue 0,02 e/å3). Dette tallet ble tilpasset fra Gong et al.10 med tillatelse fra Royal Society of Chemistry. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: bildet genererer elektroner og et hull i BN-Nanoribbon Z4 ved X-punktet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Bilde 4: hullet dissociates fra BN-Nanoribbon Z4 (kX) til BN-nanorør (11, 11) (kVBM, k-punktet til VBM for denne nanokompositt). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: bånd kant modulering av BN-nanorør (11, 11) og BN-nanoribbon Z4 ved eksterne felt. Utviklingen av bandet kanter i forhold til vakuumnivå under (A) et elektrisk felt og (B) uniaxial strekk belastning. Den negative retningen av elektriske feltet er merket fra den nedre kanten Atom B til den øvre kanten Atom N av Z4. Reduksjons potensialet til H+/H2 og oksidasjons potensialet til O2/H2O er-4,44 EV og-5,67 EV ved pH = 0, henholdsvis. PH = 7 skifter vannets Redox potensialer (ved pH x 0,059 eV) til-4,027 eV og-5,257 eV, henholdsvis vist som blå stiplede linjer. Dette tallet ble gjengitt fra Gong et al.10 med tillatelse fra Royal Society of Chemistry. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Supplemental Figure 1
Supplerende figur 1: (A) ATOMIC struktur av en BN nanorør (11, 11) + BN nanoribbon Z4 arrangert vekk fra grensen og tilsvarende Lednings bånd minimum (B). (C) Atomic struktur av en BN nanorør (11, 11) og BN nanoribbon Z4 justert med en grense og tilsvarende Lednings bånd minimum (D). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Supplerende Coding File: Vennligst klikk her for å se denne filen (Høyreklikk for å laste ned).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Beregningene for elektroniske egenskaper i avsnittene 2, 3 og 4 vil være lik blant ulike nanoskala materialer. Den første Atomic modellen i trinn 1 bør være nøye utformet for å trekke ut meningsfull informasjon. Faktoren for å velge modellen kan for eksempel være størrelsen eller chiralitet av materialene. Den første Atomic modellen i trinn 1,1 bør også være rimelig forberedt for lav prisstruktur avslapping. Ved å ta nanokompositt i protokollen som et eksempel, skal NR være innkapslet inne i NT på en symmetrisk måte. Ellers vil det være tidkrevende å søke den optimaliserte strukturen ved FINANCEIRO.

For å vurdere effekten av en elektrisk felt, en kunstig dipol ark er lagt i midten av vakuum del i periodisk enhet celle i FINANCEIRO22. Vakuum området bør ikke være for bredt, og det elektriske feltet bør være svakt nok til å unngå kunstige felt utslipp23.

Mens effekten av belastningen kan bare realiseres ved å endre gitteret parameter i POSCAR, i nanokompositt situasjonen ville være mer komplisert. Den elastiske reaksjoner av NR og NT kan være forskjellig fra hverandre, gjennomgår samme styrke. Dette vil føre til en uforholdsmessig struktur. For eksempel, når den uniaxial strekk belastningen påføres langs den periodiske retningen, endres den optimaliserte gitter parameteren NT og NR langs denne retningen fra en innledende 1,8 å til 2,0 å, og 2,2 å, henholdsvis. Store supercells er nødvendig for modellering: minst 11 enhets celler av NT og 10 enhets celler av NR i dette tilfellet (11 x 2,0 å = 10 x 2,2 a = 22 å).

Mens bakken statlige elektroniske egenskaper av materialer kan bestemmes av FINANCEIRO ganske godt, å ta livet av photogenerated hull og elektroner eksisterende i en spent tilstand, er det bedre å utføre nonadiabatic dynamikk beregning24. Dette er viktig å designe photocatalysts med lang levetid bærere4.

Rollen til beregningsorientert tilnærming utført av FINANCEIRO spiller inn i oppdagelsen av romanen materialer og screening for potensielle photocatalysts å bistå eksperimentell innsats. Bandet innretting på PBE nivå i vann splitting er ikke så overbevisende som kvantitativ eksperimentell arbeid. Mer nøyaktige verdier av bandet kantene i forhold til Redox potensialer, CBO, og VBO er nødvendig. Det ville være best å bruke Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) hybrid funksjonell25, men det er mer tidkrevende enn PBE. Likevel kan resultatene på PBE-nivået være effektive for å foreslå strategier for forbedring av fotokatalytiske aktivitet.

Det bør nevnes at beregningsorientert design av FINANCEIRO vil også muliggjøre prediksjon av sol celle materialer, termoelektrisk materialer, litium batteri materialer, gass fangst materialer, etc.2. Beregninger med høy gjennomstrømming er kombinert med maskin lærings prosedyrene for bedre Material forutsigelse og lavere beregningsorientert kostnad26,27.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet fra Kina postdoktor Science Foundation (Grant no. 2017M612348), Qingdao postdoktor Foundation (Grant no. 3002000-861805033070) og fra Young talent Project ved Ocean University of China (Grant no. 3002000-861701013151). Forfatterne takker Miss ya Chong Li for å forberede fortellerstemme.

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

Kjemi en-dimensjonal Van der Waals heterostructures type II band justering nanoribbon nanorør First-prinsipper beregninger Valence bandet maksimum Lednings bånd minimum
Probe type II band Alignment i en-dimensjonal Van der Waals Heterostructures bruke første-prinsipper 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