Artículo de método

Alineación de bandas tipo II de sonda en heteroestructuras de Van Der Waals unidimensionales utilizando cálculos de primeros principios

DOI:

10.3791/60180

⸱

12 de octubre de 2019

 ,  ,  , 
1College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, 2Department of Physics, Southern University of Science and Technology

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los cálculos realizados por el paquete de simulación Vienna Ab initio se pueden utilizar para identificar las propiedades electrónicas intrínsecas de los materiales a nanoescala y predecir los posibles fotocatalizadores de división de agua.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Las herramientas computacionales basadas en la teoría de la densidad-funcional (DFT) permiten la exploración de los compuestos de nanoescala cualitativamente nuevos y alcanzables experimentalmente para una aplicación dirigida. Las simulaciones teóricas proporcionan una comprensión profunda de las propiedades electrónicas intrínsecas de los materiales funcionales. El objetivo de este protocolo es buscar candidatos de fotocatalizador por disección computacional. Las aplicaciones fotocatalíticas requieren espacios de banda adecuados, posiciones de borde de banda adecuadas en relación con los potenciales de redox. Las funciones híbridas pueden proporcionar valores precisos de estas propiedades, pero son costosas desde el punto de vista computacional, mientras que los resultados en el nivel funcional de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) podrían ser eficaces para sugerir estrategias para la ingeniería de la estructura de banda según campo eléctrico y tensión de tracción con el objetivo de mejorar el rendimiento fotocatalítico. Para ilustrar esto, en el presente manuscrito, la herramienta de simulación basada en DFT VASP se utiliza para investigar la alineación de bandas de nanocompuestos en combinaciones de nanotubos y nanocintas en estado de suelo. Para abordar la vida útil de los agujeros y electrones fotogenerados en estado excitado, se necesitan cálculos de dinámica no adiabática.

Introducción

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La demanda mundial de energía limpia y sostenible ha estimulado la investigación de materiales prometedores para reducir la dependencia de los recursos petrolíferos finitos. Las simulaciones son más eficientes y económicas que los experimentos para acelerar la búsqueda de nuevos materiales funcionales1. El diseño de materiales desde una perspectiva teórica2,3,4 es ahora cada vez más popular debido a los rápidos avances en los recursos computacionales y desarrollos teóricos, haciendo que las simulaciones computacionales sean más confiables5 . Los cálculos de la teoría funcional de densidad (DFT) implementados en muchos códigos son cada vez más robustos y producen resultados reproducibles6.

El Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)7 presenta uno de los códigos DFT más prometedores para predecir propiedades moleculares y cristalinas y se han publicado más de 40.000 estudios que hacen uso de este código. La mayoría de los trabajos se realizan en el nivel funcional8de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE), que subestima los tamaños de la brecha de banda, pero captura las tendencias esenciales en la alineación de bandas y los desplazamientos de banda3. Este protocolo tiene como objetivo esbozar los detalles de la investigación de los perfiles de borde de banda y las brechas de banda de materiales a nanoescala para energía limpia y renovable utilizando esta herramienta computacional. Más ejemplos con VASP están disponibles en https://www.vasp.at.

Este informe presenta el cribado computacional de heteroestructuras unidimensionales (1D) vdW con alineaciones de banda tipo II9 para una aplicación prometedora en la división fotocatalítica de agua4. Específicamente, las nanocintas (NR) encapsuladas dentro de nanotubos (NT) se examinan como un ejemplo10. Para abordar las interacciones no covalentes, se incluyen las correcciones vdW utilizando el método DFT-D311. Los cálculos de DFT en los pasos 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2 y sección 4 por VASP se realizan utilizando un script de sistema de lotes portátil (PBS) por los equipos de investigación de alto rendimiento en el sistema CenTOS. Un ejemplo de un script PBS se muestra en Materiales suplementarios. El postprocesamiento de datos por el software P4VASP en el paso 3.3 y la gráfica de figura por el software xmgrace en el paso 3.4 se llevan en un ordenador local (portátil o de escritorio) en el sistema Ubuntu.

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Protocolo

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1. Optimice la estructura atómica.

  1. Prepare cuatro archivos de entrada para el cálculo de relajación de la estructura por VASP: INCAR, POSCAR, POTCAR y KPOINTS.
    NOTA: Hay parámetros especificados en el archivo INCAR que definen el cálculo. La línea "EDIFFG a 0,02" en el archivo INCAR indica que todos los átomos se relajan hasta que la fuerza en cada átomo es <0.02 eV/. El archivo POSCAR contiene la información de geometría atómica. Los parámetros de celosía iniciales en el archivo POSCAR se pueden elegir entre referencias teóricas3 o experimentales12,13. El archivo KPOINTS define la malla de punto k y POTCAR es el archivo pseudopotencial. El orden de los tipos de átomos en POSCAR debe ser el mismo que el de POTCAR. Los ejemplos de archivos de entrada para la relajación de la estructura se muestran en los materiales complementarios (excepto el archivo pseudopotencial, que necesita una licencia de VASP).
    1. Generar la estructura inicial de nanocintas de nitruro de boro (BN) (NR) para "POSCAR".
      1. Descargue el archivo POSCAR para la unidad masiva BN desde https://materialsproject.org.
      2. Utilice v2xsf para convertir el archivo POSCAR a un archivo en formato xsf que puede ser leído por xcrysden. Escriba v2xsf POSCAR en el terminal en el sistema Ubuntu para obtener "POSCAR.xsf.gz". Escriba gunzip POSCAR.xsf.gz y genere el archivo POSCAR.xsf.
      3. Utilice xcrysden para construir la supercélula BN.
        1. Escriba xcrysden --xsf POSCAR.xsf en el terminal del sistema Ubuntu. Seleccione el menú Modificar/Número de unidades dibujadas y extienda la celda en las direcciones X e Y.
        2. Seleccione el menú Archivo/Guardar estructura XSF para exportar la estructura de supercélula, denominada "supercélula".
          NOTA: El nombre de la estructura es una definición arbitraria.
      4. Utilice xmakemol para abrir la supercélula. Escriba xmakemol -f supercell en el terminal en el sistema Ubuntu. Seleccione el menú Editar/Visible. Haga clic en Alternar para eliminar los átomos dentro de la región y cortar el NR al ancho y la quiralidad deseados.
    2. Generar la estructura inicial del nanotubo BN (NT) para POSCAR. Descargar "NanotubeModeler" desde http://www.jcrystal.com/products. Abra NanotubeModeler.exe en el sistema Windows. Seleccione el menú Seleccionar tipo/B-N y especifique la quiralidad. Seleccione el menú Archivo/Guardar tabla XYZ para exportar la estructura.
    3. Genere la estructura inicial del nanocompuesto encapsulando el NR (del paso 1.1.1) dentro del NT (del paso 1.1.2).
      NOTA: La encapsulación se puede terminar ajustando las coordenadas cartesianas del NR y el NT10,14,15.
    4. Utilice el software vmd para comprobar la estructura atómica antes de enviar el trabajo de cálculo.
      1. Escriba vmd en el terminal en el sistema Ubuntu. En la ventana principal de vmd abierta, seleccione el menú Archivo/Nueva molécula y busque el archivo POSCAR a través de la ventana Examinar. Cargar POSCAR escribiendo VASP_POSCAR.
      2. Muestre la estructura en diferentes estilos en la ventana Representaciones gráficas/Método de dibujo.
        NOTA: Por ejemplo, una vez que se elige la CPK, cada átomo (enlace) está representado por una esfera (palo). La guía de instalación y el tutorial completo de vmd están disponibles en http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
  2. Escriba qsub job.pbs en el terminal del sistema Linux para enviar el trabajo al clúster de equipos.
    NOTA: "job.pbs" representa el nombre del script PBS. El nombre del script PBS es una definición arbitraria. Los cuatro archivos de entrada junto con el script PBS deben estar en el directorio de trabajo. El comando qsub job.pbs se utilizará en los pasos 2.2, 3.2, 3.5.2 y sección 4. Un ejemplo de un script PBS se puede encontrar en el archivo de codificación suplementario. Una vez finalizado el trabajo enviado, si "alcanzó la precisión requerida - detenerla minimización de energía estructural" aparece al final del registro de salida, se obtiene el resultado convergente. El archivo CONTCAR resultante se utilizará como archivo de entrada POSCAR en los pasos 2.1, 3.1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4 y sección 4.2.

2. Calcule la energía de encapsulación.

  1. Escriba mkdir nanocomposite isolated-nanoribbon isolated-nanotube para crear tres carpetas para el nanocompuesto, el NR y el NT en un terminal en un sistema Linux. Prepare un script PBS "job.pbs" y cuatro archivos de entrada INCAR, POSCAR, POTCAR y KPOINTS para el cálculo de energía en cada carpeta.
    NOTA: El archivo de entrada POSCAR es el archivo denominado CONTCAR con la estructura relajada del paso 1. Ejemplos de archivos de entrada se dan en Materiales Suplementarios (excepto POTCAR).
  2. Vaya a cada carpeta y escriba qsub job.pbs en el terminal en el sistema Linux.
    NOTA: Los tres trabajos presentados realizarán los cálculos de energía autocoherentes estáticos para el nanocompuesto, el NR aislado y el NT aislado, respectivamente.
  3. Extraiga la energía total del archivo OUTCAR para cada sistema después de finalizar los cálculos autocoherentes estáticos. Escriba grep "Free Energy TOTEN" ./nanocomposite/OUTCAR - cola -n 1, grep "free energy TOTEN" ./isolated-nanoribbon/OUTCAR - tail -n 1, y grep "free energy TOTEN" ./isolated-nanotube/OUTCAR - tail tail -n 1. Defina los tres valores mostrados como ENT+NR, ENRy ENT, respectivamente. Calcular la energía de encapsulación por angstrom: EL (ENT+NR - ENT -ENR)/L14,15.
    NOTA: La dirección periódica en cada sistema es a lo largo del eje Z y L es la constante de celosía de la celda de la unidad a lo largo del eje Z. Se necesitan cálculos de prueba de la dependencia de energía de la energía de corte de onda plana y la malla de punto k. La energía de encapsulación se puede utilizar como estimación para la estabilidad energética del nanocompuesto.

3. Extraiga las propiedades electrónicas de la estructura de la banda.

  1. Prepare un script PBS "job.pbs" y seis archivos de entrada: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, CHGCAR y CHG para el cálculo de bandas. Ajuste ICHARG n.o 11 en INCAR.
    NOTA: Los archivos CHGCAR y CHG preconvergentes provienen de los cálculos autocoherentes estáticos del paso 2.2. El análisis de la banda está en el nivel PBE. El muestreo de puntok en el archivo KPOINTS está en modo de línea. Ejemplos de archivos de entrada para este paso se pueden encontrar en los materiales suplementarios (excepto POTCAR).
  2. Escriba qsub job.pbs en el terminal del sistema Linux para enviar el trabajo.
  3. Utilice P4VASP para generar la banda proyectada.
    1. Cargar "vasprun.xml" escribiendo p4v vasprun.xml en el terminal en el sistema Ubuntu.
      NOTA: "p4v" se utiliza para iniciar P4VASP. El archivo "vasprun.xml" debe estar en el directorio de trabajo.
    2. Seleccione el menú Control electrónico/Local DOS+bandas y, a continuación, Seleccionar/Bandas.
      1. Especifique los números atómicos de NT en la sección Selección de átomos. Obtenga el número atómico señalando a los átomos correspondientes usando vmd como se menciona en el paso 1.1.4. Especifique el color, el tipo y el tamaño del símbolo para la estructura de banda proyectada a través del menú Símbolo y Tamaño de símbolo. Pulse el menú Añadir nueva línea.
        NOTA: El gráfico mostrará la estructura de la banda con las contribuciones del NT.
      2. Repita el mismo procedimiento después del paso 3.3.2.1 para obtener la banda proyectada con contribuciones del NR.
    3. Seleccione el menú Gráfico/Exportar. Exporte el gráfico a un archivo con un formato agr (por ejemplo, como "11-4.agr").
      NOTA: Los datos de salida de las bandas proyectadas por P4VASP se encuentran en tres columnas donde la tercera representa la ponderación.
  4. Utilice xmgrace para editar la banda proyectada.
    1. Escriba xmgrace 11-4.agr en el terminal para iniciar xmgrace en el sistema Ubuntu. Seleccione el menú Propiedades de trazado/eje para editar la etiqueta y el rango del eje.
    2. Seleccione el menú Trazar/Establecer apariencia para leer el valor de energía en el número de banda especificado y el punto k.
      NOTA: La banda de valencia máxima (VBM) y la banda de conducción mínima (CBM) de NR/NT se pueden leer de la banda proyectada con contribuciones sobre NR/NT, respectivamente. Según las alineaciones de banda, las heteroestructuras se pueden clasificar en tres tipos: tipo I (VBMNT NR NR NT o VBMNR NT NT NR), tipo II (VBMNT NR NT NR o VBMNR NT NR NT), o tipo III (VBMNT NT NR NR o VBMNR NR NT NT)9.
    3. Calcule el desplazamiento de la banda de valencia (VBO), el desplazamiento de la banda de conducción (CBO) y la brecha de banda después de Kang et al.16.
    4. Seleccione el menú Archivo/Imprimir para exportar el gráfico con formato eps.
  5. Calcule la densidad de carga descompuesta de banda para el VBM y el CBM.
    1. Prepare un script PBS "job.pbs" y siete archivos de entrada: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, CHGCAR y CHG. Especifique los números de banda para CBM y VBM por la etiqueta IBAND en INCAR. Utilice el único punto k correspondiente para cada borde de banda.
      NOTA: Los archivos CHGCAR, CHG y WAVECAR preconvergentes provienen de los cálculos autocoherentes estáticos del paso 2.2. Ejemplos de archivos de entrada para este paso se dan en los materiales suplementarios (excepto POTCAR).
    2. Escriba qsub job.pbs en el terminal del sistema Linux para enviar el trabajo.
    3. Utilice vmd para trazar el VBM y CBM en el espacio real una vez finalizado el trabajo.
      1. Inicie una sesión vmd y cargue el archivo POSCAR como en el paso 1.1.4.
      2. Seleccione el menú Archivo/Nueva molécula en la ventana principal de vmd. Busque el archivo PARCHG a través de la ventana Examinar. Cargar PARCHG escribiendo VASP_PARCHG.
      3. Seleccione los menús Dibujar/Superficie sólida y Mostrar/Isosuperficie en la ventana Representaciones gráficas. Cambie el isovalor a un valor adecuado (por ejemplo, 0,02). Cambiar el color de la isosuperficie a través del menú Método de colorear.
        NOTA: Este es un análisis intuitivo para los tipos de banda con respecto a que en el paso 3.4. Generalmente, la estructura atómica está dispuesta lejos del límite, de lo contrario la densidad de carga visualizada no se muestra de manera continua. Consulte la Figura suplementaria 1 para obtener más información.

4. Modular las propiedades electrónicas del nanocompuesto (NT encapsulado dentro de NR) por campos externos.

  1. Añadir un campo eléctrico transversal al nanocompuesto17.
    1. Prepare un script PBS "job.pbs" y cuatro archivos de entrada: INCAR, POSCAR, POTCAR y KPOINTS.
    2. Definir la fuerza del campo eléctrico por la etiqueta"EFIELD"en unidades de eV / .
    3. Especificar LDIPOL en T. Especificar IDIPOL con un valor exacto (1, 2 o 3).
      NOTA: Estas dos etiquetas se añaden para incluir correcciones de dipolo. El campo eléctrico se aplicará a lo largo del eje X, Y o Z estableciendo el valor de IDIPOL en 1, 2 o 3.
    4. Realice los cálculos autocoherentes estáticos y los cálculos de la estructura de bandas siguiendo las secciones 2 y 3 sin optimización estructural.
      NOTA: Estudios previos indican que los campos eléctricos de más de 5 V / o se pueden utilizar para modificar la brecha de banda de BN-NT y BN-NR sin deformar la estructura18,19.
  2. Añadir una tensión longitudinal al nanocompuesto.
    1. Cambie los parámetros de celosía a lo largo de la dirección periódica para reflejar el efecto de deformación unitaria.
      NOTA: Por ejemplo, el parámetro de celosía optimizado del nanocompuesto a lo largo del eje Z es de 2.5045 . Si se aplica una tensión uniaxial del 1% a lo largo de la dirección Z, cambie el parámetro de celosía en POSCAR a 2.5045 x 1.01 a 2.529545 .
    2. Relaje la estructura modificada siguiendo la sección 1.
    3. Realice cálculos estáticos autocoherentes y cálculos de estructura de bandas siguiendo las secciones 2 y 3.

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Resultados

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Los BN-NR en zigzag encapsulados dentro del sillón BN-NTs (11,11) fueron elegidos como ejemplos representativos para una heteroestructura 1D vdW. Los parámetros de celosía fueron tomados de Sahin y otros20. Para mayor comodidad, los NR en zigzag se abrevian Zn, donde n representa los dimers III-V a lo largo de la anchura14. La energía de encapsulación EL del paso 2.3 se utilizó como estimación aproximada para la estabilidad energética del nanocompuesto...

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Discusión

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Los cálculos de las propiedades electrónicas de las secciones 2, 3 y 4 serían similares entre varios materiales a nanoescala. El modelo atómico inicial del paso 1 debe diseñarse cuidadosamente para extraer información significativa. Por ejemplo, el factor para seleccionar el modelo podría ser el tamaño o la quiralidad de los materiales. Además, el modelo atómico inicial en el paso 1.1 debe estar razonablemente preparado para la relajación de la estructura de bajo costo. Tomando el nanocompuesto en el protocolo como ejemp...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabajo fue apoyado por China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2017M612348), Qingdao Postdoctoral Foundation (Grant No. 3002000-861805033070) y del Young Talent Project en ocean University of China (Grant No. 3002000-86170101013151). Los autores agradecen a la señorita Ya Chong Li por preparar la narración.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Modelador de nanotubosdesarrollado por el Dr. Steffen WeberNanotubeModeler1.8http://www.jcrystal.com/products/wincnt/NanotubeModeler.exe
p4VASPOrest Dubayp4vasp 0.3.30Código abierto, disponible en www.p4vasp.at
v2xsfDesarrollado por el Dr. Jens Kunstmannv2xsfhttp://theory.chm.tu-dresden.de/~jk/software.html
softwareVASPFísica Computacional de Materiales, Departamento de Física, Universidad de Vienavasp.5.4.1https://www.vasp.at
VMD softwareGrupo de Biofísica Teórica y Computacional, Universidad de Illinois en Urbana-Champaignvmd1.9.3https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd
xcrysdenDepartamento de Química Física y Orgánica, Instituto Jozef StefanXCrySDen1.5.60http://www.xcrysden.org/
XmakemolDesarrollado por M. P. Hodgesxmakemol5.16https://www.nongnu.org/xmakemol/XmakemolDownloads.html
Xmgrace softwareGrace Equipo de desarrollo bajo la coordinación de Evgeny Stambulchikxmgrace5.1.25http://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/

Referencias

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