Summary
由维也纳Ab initio仿真包进行的计算可用于识别纳米级材料的内在电子特性，并预测潜在的水分裂光催化剂。
Abstract
基于密度函数理论 （DFT） 的计算工具能够探索定性上新的、实验性可实现的纳米级化合物，用于目标应用。理论模拟提供了对功能材料内在电子特性的深刻理解。该协议的目标是通过计算解剖来搜索光催化剂候选物。光催化应用需要合适的带隙，相对于氧化还原电位，需要适当的带边缘位置。混合函数可以提供这些属性的准确值，但计算成本高昂，而 Perdew-Burke-Ernzerhof （PBE） 功能级别的结果可以有效地通过电场和拉伸应变，旨在提高光催化性能。为了说明这一点，在本手稿中，基于 DFT 的仿真工具 VASP 用于研究纳米管和纳米带在接地状态下组合的纳米复合材料的带对齐。为了解决光产生孔和电子在兴奋状态下的寿命问题，需要非异化动力学计算。
Introduction
全世界对清洁和可持续能源的需求促使对有前途的材料进行研究，以减少对有限石油资源的依赖。仿真比实验更高效、更经济，可以加速寻找新的功能材料。材料设计从理论角度2，3，4现在越来越流行，由于快速的发展，计算资源和理论的发展，使计算模拟更可靠5.在许多代码中实现的密度函数理论（DFT）计算正变得越来越可靠，产生可重现的结果6。
维也纳 Ab initio 仿真包 （VASP）7提供了预测分子和晶体特性的最有前途的 DFT 代码之一，并发布了 40，000 多项研究，利用了该代码。大多数工作是在Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）功能级别8上完成的，它低估了波段间隙大小，但抓住了带对齐和带偏移3的基本趋势。该协议旨在概述使用此计算工具研究用于清洁和可再生能源的纳米级材料的带边缘轮廓和带隙的详细信息。更多使用 VASP 的示例可在https://www.vasp.at。
本报告介绍了II型带对齐9的一维（1D）vdW异构结构的计算筛选，在光催化水分裂4中具有广阔的应用前景。具体来说，封装在纳米管（NT）内的纳米带（NRs）作为示例10进行了检查。为了解决非共价交互问题，使用 DFT-D3 方法的 vdW 校正包含11。VASP 在步骤 1.2、2.2、3.2、3.5.2 和第 4 节中执行 DFT 计算，由 CenTOS 系统中的高性能研究计算机使用便携式批处理系统 （PBS） 脚本执行。PBS 脚本的示例显示在补充材料中。步骤 3.3 中的 P4VASP 软件进行的数据后处理和步骤 3.4 中的 xmgrace 软件的图形图在 Ubuntu 系统中的本地计算机（笔记本电脑或台式机）上进行。
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Protocol
1. 优化原子结构。
- 准备四个输入文件，用于 VASP 的结构松弛计算：INCAR、POSCAR、POTCAR 和 KPOINTS。
注： INCAR 文件中有定义计算的指定参数。INCAR 文件中的行"EDIFFG = 0.02"指示所有原子都放松，直到每个原子上的力为 <0.02 eV/* 。POSCAR 文件包含原子几何信息。POSCAR文件中的初始晶格参数可以从理论3或实验参考文献12、13中选择。KPOINTS 文件定义 k 点网格，POTCAR 是伪电势文件。POSCAR 中的原子类型顺序应与 POTCAR 中的原子类型顺序相同。用于结构松弛的输入文件示例显示在补充材料中（伪电位文件除外，该文件需要 VASP 许可）。- 为"POSCAR"生成氮化硼 （BN） 纳米带 （NR） 的初始结构。
- 从https://materialsproject.org下载 BN 散装机组的 POSCAR 文件。
- 使用 v2xsf 将 POSCAR 文件转换为 xsf 格式的文件，xcrysden 可以读取该文件。在 Ubuntu 系统中的终端上键入v2xsf POSCAR 以获取"POSCAR.xsf.gz"。类型枪zip POSCAR.xsf.gz并输出 POSCAR.xsf 文件。
- 使用 xcrysden 构建 BN 超级单元。
- 在 Ubuntu 系统中的终端上键入xcrysden --xsf POSCAR.xsf。选择"修改/绘制单位数"菜单，并在 X 和 Y 方向中扩展单元格。
- 选择菜单文件/保存 XSF 结构以导出名为"超级单元"的上单元结构。
注： 结构的名称是任意定义。
- 使用 xmakemol 打开超级细胞。在 Ubuntu 系统中的终端上键入xmakemol -f 超级电池。选择菜单编辑/可见。单击"切换"可删除区域内的原子，并将 NR 切至所需的宽度和手性。
- 为 POSCAR 生成 BN 纳米管 （NT） 的初始结构。从http://www.jcrystal.com/products下载"纳米管模型"。在 Windows 系统中打开纳米管模型.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 表以导出结构。
- 通过在 NT 内封装 NR（从步骤 1.1.1）来生成纳米复合材料的初始结构（从步骤 1.1.2 开始）。
注：封装可以通过调整NR和NT10、14、15的笛卡尔坐标完成。 - 在提交计算作业之前，使用 vmd 软件检查原子结构。
- 在 Ubuntu 系统中的终端上键入vmd。在打开的 vmd 主窗口中，选择菜单"文件/新分子"，然后通过"浏览"窗口查找 POSCAR 文件。通过键入VASP_POSCAR来加载 POSCAR 。
- 在"图形表示/绘图方法"窗口中以不同样式显示结构。
注： 例如，一旦选择了 CPK，每个原子（粘）由球体（棒）表示。vmd 的安装指南和完整教程可在 http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd。
- 为"POSCAR"生成氮化硼 （BN） 纳米带 （NR） 的初始结构。
- 在 Linux 系统中的终端上键入qsub 作业.pbs以将作业提交到计算机群集。
注："job.pbs"表示 PBS 脚本的名称。PBS 脚本的名称是任意定义。四个输入文件以及 PBS 脚本应位于工作目录中。命令qsub job.pbs将在步骤 2.2、3.2、3.5.2 和部分 4 中使用。可以在补充编码文件中找到 PBS 脚本的示例。提交的作业完成后，如果输出日志的末尾出现"达到所需的精度 - 停止结构能量最小化"，则得到收敛结果。生成的 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 和 4.2 节中的输入文件 POSCAR。
2. 计算封装能量。
- 类型mkdir 纳米复合隔离纳米带隔离纳米管，在 Linux 系统的终端上为纳米复合材料、NR 和 NT 创建三个文件夹。为每个文件夹中的能量计算准备一个 PBS脚本"job.pbs"和四个输入文件 INCAR、POSCAR、POTCAR 和 KPOINTS。
注： 输入文件 POSCAR 是名为 CONTCAR 的文件，其结构从步骤 1 开始。在补充材料（POTCAR除外）中给出了输入文件的示例。 - 转到每个文件夹，并在 Linux 系统中的终端上键入qsub job.pbs。
注：三个提交的作业将分别对纳米复合材料、隔离 NR 和隔离 NT 执行静态自一致性能量计算。 - 完成静态自一致性计算后，从每个系统的文件 OUTCAR 中提取总能量。类型grep "自由能量 TOTEN" ./纳米复合材料/OUTCAR = 尾部 -n 1， grep "自由能 TOTEN" ./隔离纳米带/OUTCAR = 尾部 -n 1， 和grep "自由能量 TOTEN" /隔离纳米管/OUTCAR = 尾部 -n 1.分别将三个显示的值定义为 ENT_NR、ENR和 ENT。计算每安格斯特罗姆的封装能量：EL = （ENT=NR - E NT-ENR）/L 14，15。
注： 每个系统的周期性方向沿 Z 轴，L 是沿 Z 轴的单位单元的晶格常数。需要测试计算对平面波切断能量和k点网格的能量依赖性。封装能量可用作纳米复合材料能量稳定性的估计值。
3. 从带结构中提取电子特性。
- 准备一个PBS脚本"job.pbs"和六个输入文件：INCAR，POSCAR，POTCAR，KPOINTS，CHGCAR和CHG进行波段计算。在 INCAR 中设置ICHARG = 11。
注： 预收敛的 CHGCAR 和 CHG 文件来自步骤 2.2 中的静态自一致性计算。波段分析处于 PBE 级别。KPOINTS 文件中的 k 点采样处于行模式。此步骤的输入文件示例可在补充材料（POTCAR除外）中找到。 - 在 Linux 系统中的终端上键入qsub 作业.pbs以提交作业。
- 使用 P4VASP 生成投影波段。
- 通过在 Ubuntu 系统中的终端上键入p4v vasprun.xml来加载"vasprun.xml"。
注："p4v"用于启动 P4VASP。文件"vasprun.xml"应位于工作目录中。 - 选择菜单"电子/本地 DOS+波段"控件，然后选择/波段。
- 在"原子"部分选择中指定 NT 的原子数。使用步骤 1.1.4 中提到的 vmd 指向相应的原子来获取原子数。通过菜单"符号"和"符号"大小指定投影带结构的符号的颜色、类型和大小。按菜单添加新行。
注： 该图将显示带状结构，并显示来自 NT 的贡献。 - 在步骤 3.3.2.1 之后重复相同的步骤，获取来自 NR 的贡献的投影波段。
- 在"原子"部分选择中指定 NT 的原子数。使用步骤 1.1.4 中提到的 vmd 指向相应的原子来获取原子数。通过菜单"符号"和"符号"大小指定投影带结构的符号的颜色、类型和大小。按菜单添加新行。
- 选择菜单图形/导出。将图形导出到具有 agr 格式的文件（例如，如"11-4.agr"）。
注： P4VASP 投影波段的输出数据分三列，其中第三列表示权重。
- 通过在 Ubuntu 系统中的终端上键入p4v vasprun.xml来加载"vasprun.xml"。
- 使用 xmgrace 编辑投影波段。
- 在端子上键入xmgrace 11-4.agr，在 Ubuntu 系统中启动 xmgrace。选择菜单"绘图/轴"属性以编辑轴的标签和范围。
- 选择菜单"绘图/设置"外观以读取指定波段数和 k 点的能量值。
注： NR/NT 的价带最大值 （VBM） 和传导带最小 （CBM） 可以从投影波段读取，其中的贡献分别位于 NR/NT 上。根据波段对齐，异构结构可分为三类：类型 I（VBMNTNT NR ），或第 III 类（VBM NT NT - 计算价格带偏移 （VBO）、传导带偏移 （CBO） 和 Kang 等人16之后的带隙。
- 选择菜单"文件/打印"以导出具有 eps 格式的图形。
- 计算 VBM 和 CBM 的带分解电荷密度。
- 准备一个PBS脚本"job.pbs"和七个输入文件：INCAR、POSCAR、POTCAR、KPOINTS、WAVECAR、CHGCAR和CHG。通过INCAR中的标签IBAND指定CBM和VBM的波段号。为每个带边使用单个对应的 k 点。
注： 预收敛的 CHGCAR、CHG 和 WAVECAR 文件来自步骤 2.2 中的静态自一致性计算。在补充材料（POTCAR除外）中提供了此步骤的输入文件示例。 - 在 Linux 系统中的终端上键入qsub 作业.pbs以提交作业。
- 使用 vmd 在作业完成后的实际空间中绘制 VBM 和 CBM。
- 启动 vmd 会话并加载 POSCAR 文件，如步骤 1.1.4 中。
- 在 vmd 主窗口中选择菜单"文件/新分子"。通过"浏览"窗口查找 PARCHG 文件。通过键入VASP_PARCHG来加载 PARCHG 。
- 在"图形表示"窗口中选择"绘制/实体曲面"和"显示/等视面"菜单。将等值更改为适当的值（例如 0.02）。通过菜单着色方法更改等曲面的颜色。
注： 这是与步骤 3.4 中有关波段类型的直观分析。通常，原子结构排列在远离边界的地方，否则可视化电荷密度不会以连续方式显示。有关详细信息，请参阅补充图 1。
- 准备一个PBS脚本"job.pbs"和七个输入文件：INCAR、POSCAR、POTCAR、KPOINTS、WAVECAR、CHGCAR和CHG。通过INCAR中的标签IBAND指定CBM和VBM的波段号。为每个带边使用单个对应的 k 点。
4. 用外部磁场调节纳米复合材料（封装在NR内的NT）的电子特性。
- 在纳米复合材料17中加入一个横向电场。
- 准备一个 PBS脚本"job.pbs"和四个输入文件：INCAR、POSCAR、POTCAR 和 KPOINTS。
- 用 eV/+ 单位的标签"EFIELD"定义电场的强度。
- 设置 LDIPOL = T. 使用精确值 （1、2 或 3） 指定 IDIPOL。
注： 添加这两个标记以包括偶极子校正。通过将 IDIPOL 的值设置为 1、2 或 3，将沿 X、Y 或 Z 轴应用电场。 - 在第 2 节和第 3 节之后执行静态自一致性计算和带状结构计算，无需进行结构优化。
注：以前的研究表明，超过5V/Ω的电场可用于修改BN-NT和BN-NR的带隙，而不会使结构变形18，19。
- 在纳米复合材料中加入纵向拉伸应变。
- 沿周期性方向更改晶格参数以反映应变效果。
注：例如，沿 Z 轴的纳米复合材料的优化晶格参数为 2.5045 Ω。如果沿 Z 方向应用 1% 的单轴拉伸应变，则将 POSCAR 中的晶格参数更改为 2.5045 x 1.01 = 2.529545 Ω。 - 根据第 1 节放宽修改后的结构。
- 在第 2 节和第 3 节之后执行静态自一致性计算和带状结构计算。
- 沿周期性方向更改晶格参数以反映应变效果。
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Representative Results
封装在扶手椅 BN-NT （11，11） 中的 Zigzag BN-NRs 被选为 1D vdW 异构结构的代表性示例。晶格参数取自Sahin等人20。为方便起见，zigzag N 缩写为 Zn，其中 n 表示沿宽度14的 III+V 二分器。步骤2.3中的封装能量EL被用作纳米复合材料能量稳定性的粗略估计。封装在 BN-NT （11，11） 内的 Z2、Z3和 Z4的 EL值分别为 -0.033 eV/Ω、-0.068 eV/Ω和 -0.131 eV/* ，如图1所示。虽然 EL随 BN-NR 尺寸变化幅度不等，但所有三种纳米复合材料都呈现 II 型带状结构（从步骤 3.4 起）优于全碳外壳14，其中 II 型仅针对只有一个适当尺寸的 NR 出现插入 NT14。
从步骤3.2，BN-NT（11，11）和Z4，纳米复合材料的带状结构如图2所示。VBM/CBM 分别位于 NT/NR（从步骤 3.5 开始）。交错带对齐有利于光的采集。电荷传输的主要机制如下：照片在X点产生电子和Z4的孔，如图3所示，然后孔从Z4（k X）分离到NT（11，11）（kVBM，VBM的k点此纳米复合材料），如图4所示。计算出的VBO（从步骤3.4.3）为317 meV，大于300K（KT =30 meV）的热能，并有效地降低了光生成载体10的重组率。
为了通过宽光谱增强光的采集，横向电场和纵向拉伸菌株均应用于BN-NT（11，11）+Z4。带边相对于步骤4的真空水平的演变如图5所示。在纳米复合材料中，外部磁场观察到接近0.95 eV的大幅度间隙缩小。更重要的是，交错的带对齐保留10。根据这些结果，这种一维系统有望集成光催化氢生成和安全胶囊储存21。光产生的电子可以由NR收集。在静电引力的驱动下，质子穿透NT产生氢分子。产生的氢气在纳米管内完全隔离，以避免不必要的反向反应或爆炸。
图1：Zigzag BN纳米带Z2、Z3和Z4封装在BN纳米管（11，11）内。封装能量 （ EL） 列在每个结构下.请点击此处查看此图的较大版本。
图2：BN纳米管（11，11）+BN纳米带Z4的带状结构。纳米管和纳米带对能量带的贡献分别以红色和蓝色球体表示。左侧内联显示 CBM 和 VBM 状态的电荷密度分布（等值 0.02 e/+3）。这个数字是经英国皇家化学学会许可，改编自公10。请点击此处查看此图的较大版本。
图3：照片在X点生成BN纳米带Z4上的电子和孔。请点击此处查看此图的较大版本。
图4：孔从BN纳米带Z4（k X）分离到BN纳米管（11，11）（kVBM，此纳米复合材料的VBM的k点）。请点击此处查看此图的较大版本。
图5：BN纳米管（11，11）和BN纳米带Z4的带边缘调制由外部场。带边缘相对于真空水平在电场和 （B） 单轴拉伸应变下的真空水平的演变.电场的负向表示从下边缘原子B到Z4的上边缘原子N。H=/H2的还原电位和 O2/H2O 的氧化电位在 pH = 0 时分别为 -4.44 eV 和 -5.67 eV。pH = 7 将水的氧化还原电位（pH x 0.059 eV）分别移至 -4.027 eV 和 -5.257 eV，显示为蓝色虚线。这个数字是经英国皇家化学学会许可转载的。请点击此处查看此图的较大版本。
补充图1：（A）BN纳米管的原子结构（11，11） = BN纳米带Z4排列在远离边界及其相应的传导带最小（B ）之外。（C） BN 纳米管 （11，11） 和 BN 纳米带 Z4的原子结构与一个边界及其相应的传导带最小值 （D） 对齐。请点击此处查看此图的较大版本。
补充编码文件：请点击此处查看此文件（右键单击下载）。
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Discussion
第2、3和4节中的电子特性计算在各种纳米级材料中相似。步骤 1 中的初始原子模型应经过仔细设计以提取有意义的信息。例如，选择模型的因素可以是材料的大小或手性。此外，步骤 1.1 中的初始原子模型应为低成本结构放松做好合理准备。以协议中的纳米复合材料为例，NR应该以对称的方式封装在NT内。否则，使用 VASP 搜索优化结构将非常耗时。
为了考虑电场的作用，在VASP22的周期性单元单元的真空部分中间添加了一个人造偶极子片。真空区域不应过于宽，电场应足够弱，以避免人为场排放23。
虽然应变的影响可以通过改变POSCAR中的晶格参数来实现，但在纳米复合材料中，情况会更加复杂。NR 和 NT 的弹性响应可能彼此不同，强度相同。这将导致不成比例的结构。例如，当沿周期性方向应用单轴拉伸应变时，沿此方向的 NT 和 NR 的优化晶格参数分别从初始的 1.8 Ω 更改为 2.0 Ω 和 2.2 Ω。建模需要大型超级细胞：在这种情况下，至少 11 个 NT 单位单元和 10 个 NR 单位单元（11 x 2.0 Ω = 10 x 2.2 = 22 Ω）。
虽然流体动力学的接地状态电子特性可以由VASP很好地确定，但为了解决光产生孔和电子在兴奋状态下存在的寿命问题，最好进行非异化动力学计算24。这对设计具有长寿命载体4的光催化剂非常重要。
VASP 执行的计算方法的作用作用是发现新材料和筛选潜在的光催化剂，以帮助实验工作。分水时PBE水平的带对齐不如定量实验工作令人信服。需要相对于氧化还原电位、CBO 和 VBO 的带边更精确的值。最好使用海德-斯库塞里亚-厄恩泽霍夫（HSE）混合功能25，但它比PBE更耗时。然而，PBE一级的结果可以有效地提出提高光催化活性的战略。
值得一提的是，VASP的计算设计还将对太阳能电池材料、热电材料、锂电池材料、气体捕获材料等进行预测。高通量计算已结合机器学习程序，以更好地预测材料，降低计算成本26，27。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了中国博士后科学基金会（授权号2017M612348）、青岛博士后基金会（授权号3002000-861805033070）和中国海洋大学青年人才项目（授权号3002000-8617013151）的支持。作者感谢李亚崇小姐准备了解说。
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/ |
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