Waiting
Procesando inicio de sesión ...

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

Chemistry

Соединение группы зонда II в одномерных гетероструктурах Van Der Waals с использованием расчетов первого принципа

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

Расчеты, выполненные Венским пакетом ab initio Simulation Package, могут быть использованы для выявления внутренних электронных свойств наномасштабных материалов и прогнозирования потенциальных фотокатализаторов для расщепления воды.

Abstract

Вычислительные инструменты, основанные на плотности функциональной теории (DFT), позволяют исследовать качественно новые, экспериментально достижимые наноразмерные соединения для целевого применения. Теоретические моделирования дают глубокое понимание внутренних электронных свойств функциональных материалов. Целью этого протокола является поиск кандидатов на фотокатализатор путем компьютерного вскрытия. Фотокаталитические приложения требуют подходящих зазоров полосы, соответствующих позиций края полосы по отношению к потенциалу Redox. Гибридные функции могут обеспечить точные значения этих свойств, но являются вычислительно дорогими, в то время как результаты на функциональном уровне Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) могут быть эффективными для предложения стратегий проектирования структуры полос через электрическое поле и напряжение штамма, направленных на повышение фотокататической производительности. Чтобы проиллюстрировать это, в настоящей рукописи, DFT на основе моделирования инструмент VASP используется для исследования группы выравнивания нанокомпозитов в комбинации нанотрубок и нанориббонов в наземном состоянии. Для решения вопросов, привычных фотоотверстиями и электронами в возбужденном состоянии, необходимы расчеты неадиабатической динамики.

Introduction

Мировой спрос на чистую и устойчивую энергию стимулировал исследования перспективных материалов для уменьшения зависимости от ограниченных нефтяных ресурсов. Моделирование более эффективно ежей и экономичнее, чем эксперименты по ускорению поиска новых функциональных материалов1. Материал дизайн с теоретической точки зрения2,3,4 в настоящее время все более и более популярным из-за быстрого прогресса в вычислительных ресурсов и теории развития, что делает вычислительные моделирования болеенадежными 5 . Расчеты функциональной теории плотности (DFT), реализованные во многих кодах, становятся более надежными и дают воспроизводимые результаты6.

Венский пакет аб инитио-симуляции (VASP)7 представляет один из самых перспективных кодов DFT для прогнозирования молекулярных и кристаллических свойств, и было опубликовано более 40 000 исследований, использующих этот код. Большинство работ выполняется на Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) функциональный уровень8, который недооценивает размеры полосы разрыв, но захватывает основные тенденции в выравнивании полосы и полоса компенсирует3. Этот протокол направлен на изложение деталей исследования профилей края полосы и bandgaps наномасштабных материалов для чистой и возобновляемой энергии с помощью этого вычислительного инструмента. Другие примеры с использованием VASP доступны в https://www.vasp.at.

В этом докладе представлен вычислительный скрининг одномерных (1D) vdW гетероструктур с типом II диапазон выравнивания9 для перспективного применения в фотокататической воды расщепления4. В частности, нанориббоны (NRs), инкапсулированные внутри нанотрубок (НТ), рассматриваются в качестве примера10. Для решения нековалентных взаимодействий, vdW коррекции с помощью метода DFT-D3 включены11. Расчеты DFT в шагах 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2 и разделе 4 VASP выполняются с помощью портативного пакетного системы (PBS) с помощью высокопроизводительного исследовательского компьютера в системе CenTOS. Пример скрипта PBS показан в дополнительных материалах. Постобработка данных программным обеспечением P4VASP в шаге 3.3 и рисунок по программному обеспечению xmgrace в шаге 3.4 переносятся на локальном компьютере (ноутбук или рабочий стол) в системе Ubuntu.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Оптимизируйте атомную структуру.

  1. Подготовьте четыре входных файла для расчета релаксации структуры по VASP: INCAR, POSCAR, POTCAR и KPOINTS.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В файле INCAR есть определенные параметры, определяющие расчет. Строка "EDIFFG - 0,02" в файле INCAR указывает на то, что все атомы расслаблены до тех пор, пока сила на каждом атоме не будет .lt;0.02 eV/q. Файл POSCAR содержит информацию об атомной геометрии. Первоначальные параметры решетки в файле POSCAR могут быть выбраны из теоретических3 или экспериментальных ссылок12,13. Файл KPOINTS определяет сетку k point, а POTCAR — псевдопотенциальный файл. Порядок типов атомов в POSCAR должен быть таким же, как и в POTCAR. Примеры входных файлов для релаксации структуры приведены в дополнительных материалах (кроме псевдопотенциального файла, которому нужна лицензия от VASP).
    1. Создание начальной структуры наноритов бора (BN) (NR) для "POSCAR".
      1. Скачать файл POSCAR для ОПК с https://materialsproject.org.
      2. Используйте v2xsf для преобразования файла POSCAR в файл в формате xsf, который можно прочитать xcrysden. Тип v2xsf POSCAR на терминале в системе Ubuntu, чтобы получить "POSCAR.xsf.gz". Тип gunzip POSCAR.xsf.gz и выход файла POSCAR.xsf.
      3. Используйте xcrysden для создания суперклетки BN.
        1. Введите xcrysden --xsf POSCAR.xsf на терминале в системе Ubuntu. Выберите меню Изменить /Количество единиц нарисованных и расширить ячейку в Направлениях X и Y.
        2. Выберите меню File/Save XSF Structure для экспорта структуры суперклеток, названной«суперклетка».
          ПРИМЕЧАНИЕ: Название структуры является произвольным определением.
      4. Используйте хмакемол, чтобы открыть суперклетку. Введите суперклетку xmakemol -f на терминале в системе Ubuntu. Выберите меню Edit/Visible. Нажмите переключатель, чтобы удалить атомы внутри области и сократить NR до нужной ширины и chirality.
    2. Создание начальной структуры нанотрубки BN (NT) для POSCAR. Скачать "NanotubeModeler" из http://www.jcrystal.com/products. Открыть NanotubeModeler.exe в системе Windows. Выберите тип меню/B-N и укажите хиральность. Выберите таблицу меню File/Save XY, чтобы экспортировать структуру.
    3. Создать начальную структуру нанокомпозита путем инкапсулирования NR (от шага 1.1.1) внутри NT (от шага 1.1.2).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Инкапсуляция может быть завершена путем регулировки декартовых координат NR и NT10,14,15.
    4. Используйте программное обеспечение vmd, чтобы проверить атомную структуру перед отправкой задания расчета.
      1. Введите vmd на терминале в системе Ubuntu. В открытом главном окне vmd выберите файл меню/Новая молекула и найдите файл POSCAR через окно Browse. Загрузите POSCAR, введя VASP-POSCAR.
      2. Отобразить структуру в разных стилях в окне Графического представления/метода рисования.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Например, после выбора CPK каждый атом (связь) представлен сферой (палкой). Руководство по установке и полный учебник vmd доступны в http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
  2. Введите qsub job.pbs на терминале в системе Linux, чтобы представить задание в компьютерный кластер.
    ПРИМЕЧАНИЕ: "job.pbs" представляет название скрипта PBS. Название скрипта PBS является произвольным определением. Четыре файла ввода вместе со скриптом PBS должны быть в рабочем каталоге. Команда qsub job.pbs будет использоваться в шагах 2.2, 3.2, 3.5.2 и разделе 4. Пример скрипта PBS можно найти в дополнительном файле кодирования. После завершения представленного задания, если"достигнута требуемая точность - остановка структурной минимизации энергии"появляется в конце вывода журнала, получается конвергентный результат. Полученный файл CONTCAR будет использоваться в качестве вхотворного файла POSCAR в шагах 2.1, 3.1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4 и разделе 4.2.

2. Рассчитайте энергию инкапсуляции.

  1. Тип mkdir нанокомпозита изолированных-nanoribbon изолированные-nanotube для создания трех папок для нанокомпозита, NR, и NT на терминале в системе Linux. Подготовьте один скрипт PBS «job.pbs»и четыре входных файла INCAR, POSCAR, POTCAR и KPOINTS для расчета энергии в каждой папке.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Файл ввода POSCAR — это файл под названием CONTCAR с расслабленной структурой со ступени 1. Примеры входных файлов приведены в дополнительных материалах (кроме POTCAR).
  2. Перейти к каждой папке и типа qsub job.pbs на терминале в системе Linux.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Три представленных задания будут выполнять статические самосогласованные расчеты энергии для нанокомпозита, изолированного NR и изолированного NT, соответственно.
  3. Извлеките общую энергию из файла OUTCAR для каждой системы после завершения статических самосогласованных вычислений. Введите grep "свободная энергия TOTEN" ./nanocomposite/OUTCAR - хвост -n 1, grep "свободная энергия TOTEN" ./изолированно-нанориббон/OUTCAR хвост -n 1, и grep "свободная энергия TOTEN" ./изолированный-nanotube/OUTCAR - хвост -n 1. Определите три отображаемых значения как ENT-NR,ENRи ENT, соответственно. Рассчитайте энергию инкапсуляции на ангстрем: EL q (ENT-NR - ENT -ENR)/L14,15.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Периодическое направление в каждой системе находится вдоль оси, а L является решеткой константы ячейки вдоль оси. Необходимы тестовые расчеты энергетической зависимости от энергии отсечения волны самолета и сетки k point. Энергия инкапсуляции может быть использована в качестве оценки энергетической устойчивости нанокомпозита.

3. Извлеките электронные свойства из структуры полосы.

  1. Подготовьте один сценарий PBS "job.pbs"и шесть входных файлов: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, CHGCAR и CHG для расчета полосы. Установить ICHARG No 11 в INCAR.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Предварительно конвергентные файлы CHGCAR и CHG взяты из статических самосогласованных расчетов в шаге 2.2. Анализ полосы находится на уровне PBE. Выборка k точки в файле KPOINTS находится в режиме строки. Примеры входных файлов для этого шага можно найти в дополнительных материалах (кроме POTCAR).
  2. Введите qsub job.pbs на терминале в системе Linux, чтобы представить работу.
  3. Используйте P4VASP для создания проецируемой полосы.
    1. Загрузите "vasprun.xml" путем ввода p4v vasprun.xml на терминале в системе Ubuntu.
      ПРИМЕЧАНИЕ: "p4v" используется для запуска P4VASP. Файл "vasprun.xml" должен находиться в рабочем каталоге.
    2. Выберите меню Electronic/Local DOS-полосы управления, а затем выберите / Полосы.
      1. Укажите атомные числа NT в разделе Atom выбор. Получите атомное число, указав на соответствующие атомы с использованием vmd, как указано в шаге 1.1.4. Укажите цвет, тип и размер символа для проецируемой структуры полосы через символ меню и размер символа. Нажмите меню Добавить новую строку.
        ПРИМЕЧАНИЕ: График покажет структуру группы с участием NT.
      2. Повторите ту же процедуру после шага 3.3.2.1, чтобы получить прогнозируемую полосу с участием NR.
    3. Выберите меню График/Экспорт. Экспортировать график в файл с форматом агре (например, как "11-4.agr").
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выходные данные прогнозируемых диапазонов P4VASP находятся в трех столбцах, где третий представляет взвешивание.
  4. Используйте xmgrace для отоденать проецируемую полосу.
    1. Введите xmgrace 11-4.agr на терминале, чтобы начать xmgrace в системе Ubuntu. Выберите свойства меню Plot/Axis для отобрагивать метку и диапазон оси.
    2. Выберите внешний вид меню Plot/Set, чтобы прочитать энергетическую ценность в указанном номере полосы и точке k.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Максимальная валентная полоса (VBM) и минимум дирижерской группы (CBM) NR/NT можно прочитать из прогнозируемой группы с вкладом на NR/NT, соответственно. В соответствии с рядовыми линиями группы, гетероструктуры можно классифицировать на три типа: тип I (VBMNT lt;VBMNR lt;CBMNR lt;CBMNT или VBMNR lt;VBMNT NTNT nt ТИП II (VBM NT ЗЛТ;VBMNR злт;CBMNT lt;CBMNR или VBMNR nt lt;VBMNT NT NT NT Lt;CBMNR или VBMNR Злт;VBMNR ЗЛТ;КБМNT ЗЛТ; CBMNT NTNT )9.
    3. Рассчитайте смещение валентной полосы (VBO), смещение дирижерской группы (CBO) и разрыв в группе после Кан и др.16.
    4. Выберите меню Файл/Печать для экспорта графика с форматом eps.
  5. Рассчитайте плотность разложенного заряда полосы для VBM и CBM.
    1. Подготовьте один pbS-сценарий "job.pbs"и семь входных файлов: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, CHGCAR и CHG. Укажите номера полос для CBM и VBM по тегу IBAND в INCAR. Используйте одну соответствующую точку k для каждого края полосы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Предварительно конвергентные файлы CHGCAR, CHG и WAVECAR взяты из статических самосогласованных расчетов в шаге 2.2. Примеры входных файлов для этого шага приведены в дополнительных материалах (кроме POTCAR).
    2. Введите qsub job.pbs на терминале в системе Linux, чтобы представить работу.
    3. Используйте vmd для прокладки VBM и CBM в реальном пространстве после завершения работы.
      1. Запустите сеанс vmd и загрузите файл POSCAR в шаге 1.1.4.
      2. Выберите меню Файл / Новая молекула в vmd основное окно. Найдите файл PARCHG через окно Browse. Загрузите PARCHG, введя VASP-PARCHG.
      3. Выберите меню Draw/Solid Surface и Show/Isosurface в окне графических представлений. Измените изозначение на соответствующее значение (например, 0,02). Измените цвет изоповерхности через метод окраскименю.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Это интуитивный анализ для типов полос в отношении этого в шаге 3.4. Как правило, атомная структура расположена от границы, в противном случае визуализированная плотность заряда не отображается в непрерывном порядке. Дополнительные сведения можно найти на дополнительной диаграмме 1.

4. Модулировать электронные свойства нанокомпозита (NT, инкапсулированного внутри NR) внешними полями.

  1. Добавьте поперечное электрическое поле к нанокомпозиту17.
    1. Подготовьте один сценарий PBS "job.pbs"и четыре входных файла: INCAR, POSCAR, POTCAR и KPOINTS.
    2. Определите прочность электрического поля по тегу «EFIELD» в единицах eV/no.
    3. Установите LDIPOL и T. Укажите IDIPOL с точным значением (1, 2 или 3).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эти два тега добавляются, чтобы включить дипольные коррекции. Электрическое поле будет применяться вдоль оси X, Y или No, установив значение IDIPOL до 1, 2 или 3.
    4. Выполните статические самосогласованные вычисления и расчеты структуры полосы по следующим статьям 2 и 3 без структурной оптимизации.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Предыдущие исследования показывают, что электрические поля более 5 V / Кмогут быть использованы для изменения диапазона разрыв BN-NT и BN-NR без деформации структуры18,19.
  2. Добавьте продольный напряжение в нанокомпозит.
    1. Измените параметры решетки вдоль периодического направления, чтобы отразить эффект деформации.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Например, оптимизированный параметр решетки нанокомпозита вдоль оси q составляет 2,5045 евро. Если 1% одноаксиального напряжения напряжение применяется вдоль направления, изменение параметра решетки в POSCAR до 2,5045 х 1,01 и 2,529545 .
    2. Расслабьте измененную структуру после раздела 1.
    3. Выполните статические самосогласованные вычисления и расчеты структуры полосы по следующим статьям 2 и 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Зигзаг БН-НР инкапсулированные внутри кресла БНД-НТ (11,11) были выбраны в качестве репрезентативного примера для 1D vdW гетероструктуры. Параметры решетки были взяты из Sahin et al.20. Для удобства, зигзагообразные NRs являются сокращеннымиn, где n представляет III-V dimers по ширине14. Энергия инкапсуляции EL со ступени 2.3 использовалась в качестве приблизительной оценки энергетической устойчивости нанокомпозита. Значения EL в размере2,3и4 инкапсулированные внутри БН-NT (11,11) были -0.033 eV/no, -0.068 eV/no, и -0.131 eV/, соответственно10, как показано на рисунке 1. Хотя EL варьировался на порядок величины с размером BN-NR, все три нанокомпозита представлены структуры диапазона типа II (от шага 3.4), превосходящие всеуглеродные случаи14, где тип II появился только для NR только с одним соответствующим размером вставленв в NT14.

Структура полосы нанокомпозита со ступени 3.2, BN-NT (11,11) и4, показана на рисунке 2. VBM/CBM находится на NT/NR (от шага 3.5), соответственно. Шахматные выравнивания полосы было полезно для легкой уборки. Основной механизм передачи заряда заключается в следующем: фотография генерирует электроны и отверстие вNo 4 в точке X, показанное на рисунке 3, а затем отверстие отделяется от4 (kX) к NT (11,11) (kVBM, точка k VBM для этот нанокомпозит), показанный на рисунке 4. Расчетный VBO (от шага 3.4.3) составляет 317 мв., больше тепловой энергии на 300 K (KT 30 мэВ), и эффективно снижает скорость рекомбинации фотогенерируемых носителей10.

Для повышения уровня сбора света через широкий спектр, как поперечные электрические поля и продольные напряженные штаммы применяются к BN-NT (11,11) No4. Эволюция краев полосы относительно уровня вакуума от шага 4 показана на рисунке 5. Значительное сокращение разрыва до почти 0,95 эВ наблюдается в этом нанокомпозите внешними полями. Что еще более важно, шахматном выравнивание полосы сохраняется10. На основе этих результатов, такая 1D система, как ожидается, интегрировать фотокаталитической водородной генерации и безопасного хранениякапсулы 21. Фотогенерированные электроны могут быть собраны NR. Движимые электростатическим притяжением, протоны проникают через NT для генерации молекулы водорода. Произведенный водород полностью изолирован в нанотрубке, чтобы избежать нежелательной обратной реакции или взрыва.

Figure 1
Рисунок 1: Зигзаг BN нанориббоныNo 2,3, и4 инкапсулированные внутри нанотрубки BN (11,11). Энергия инкапсуляции (EL) перечислена под каждой структурой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Полоса структуры нанотрубки BN (11,11) Вклады нанотрубки и нанорибела в энергетические полосы представлены в красных и синих сферах, соответственно. Левые вставки показывают распределение плотности заряда в штатах CBM и VBM(изостоимость 0,02 e/3 ). Эта цифра была адаптирована из Гонг и др.10 с разрешения Королевского общества химии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3: Фотография генерирует электроны и отверстие в нанориббоне BNNo 4 в точке X. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4: Отверстие отделяется от нанориббона BNNo 4 (kX) к нанотрубке BN (11,11) (kVBM, точка k VBM для этого нанокомпозита). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 5
Рисунок 5: Модуляция края полосы нанотрубки BN (11,11) и bn nanoribbonNo 4 внешними полями. Эволюция краев полосы относительно уровня вакуума под(A) электрическое поле и (B)uniaxial напряжение деформации. Отрицательное направление электрического поля обозначается от атома Нижнего края B до атома верхнего края N No4. Потенциал сокращения Hq/H2 и потенциал окисления O2/H2O являются -4.44 eV и -5.67 eV при рН и 0, соответственно. рН No 7 сдвигает редокс-потенциалы воды (по рН х 0,059 eV) до -4,027 eV и -5,257 eV, соответственно, показаны как синие линии. Эта цифра была воспроизведена из Гонг и др.10 с разрешения Королевского общества химии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Supplemental Figure 1
Дополнительная рисунок 1: (A) Атомная структура нанотрубки BN (11,11) - BN nanoribbonNo 4 расположенот от границы и ее соответствующего минимума проводящей полосы(B). (C) Атомная структура нанотрубки BN (11,11) и BN nanoribbon No4, выровненная с одной границей и соответствующим минимумом проводящей полосы (D). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Дополнительный файл кодирования: Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть этот файл (Право нажмите кнопку, чтобы скачать).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Расчеты электронных свойств в разделах 2, 3 и 4 будут одинаковыми среди различных наномасштабных материалов. Первоначальная атомная модель в шаге 1 должна быть тщательно разработана для извлечения значимой информации. Например, фактором выбора модели может быть размер или хиральность материалов. Кроме того, первоначальная атомная модель в шаге 1.1 должна быть достаточно подготовлена к недорогостоящей структуре релаксации. Принимая нанокомпозит в протоколе в качестве примера, NR должен быть инкапсулирован внутри NT симметричным образом. В противном случае поиск оптимизированной структуры VASP займет много времени.

Для рассмотрения влияния электрического поля в середине вакуумной части в периодическую единую ячейку VASP22добавляется искусственный диполевой лист. Вакуумная область не должна быть слишком широкой, а электрическое поле должно быть достаточно слабым, чтобы избежать искусственного излучения поля23.

В то время как эффект штамма можно просто реализовать, изменив параметр решетки в POSCAR, в нанокомпозите ситуация была бы более сложной. Упругие реакции NR и NT могут отличаться друг от друга, подвергаясь той же силе. Это приведет к непропорциональной структуре. Например, при нанесении одноаксиального напряжения по периодическому направлению оптимизированный параметр решетки NT и NR в этом направлении изменяется с первоначальных 1,8 -2,0 и 2,2 и 2,2, соответственно. Для моделирования требуются большие суперэлементы: не менее 11 единиц ячеек NT и 10 единиц nr в этом случае (11 х 2,0 х 10 х 2,2 х 2,2 х 22 х).

В то время как наземные государственные электронные свойства материалов могут быть определены VASP достаточно хорошо, для решения срок службы фотогенерированных отверстий и электронов, существующих в возбужденном состоянии, лучше выполнить неадиабатический расчет динамики24. Это важно для разработки фотокатализаторов с длинными носителями жизни4.

Роль вычислительного подхода, выполняемого VASP, заключается в открытии новых материалов и скрининге потенциальных фотокатализаторов для оказания помощи экспериментальным усилиям. Выравнивание полосы на уровне PBE в расщеплении воды не так убедительно, как количественные экспериментальные работы. Более точные значения краев полосы относительно потенциалов Redox, CBO, и VBO необходимы. Было бы лучше использовать Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) гибридный функциональный25, но это больше времени, чем PBE. Тем не менее, результаты на уровне PBE могут быть эффективными для предложения стратегий повышения фотокаталитической активности.

Следует отметить, что вычислительная конструкция VASP также позволит прогнозировать солнечные элементы, термоэлектрические материалы, литиевые аккумуляторные материалы, газоотворители и т.д.2. Высокопроизводительные расчеты были объединены с процедурами машинного обучения для лучшего прогнозирования материалов и снижения вычислительнойстоимости 26,27.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана Китайским фондом постдокторской науки (Грант No 2017М612348), Постдокторским фондом Циндао (Грант No 30020000-861805033070) и проектом молодых талантов в Океанском университете Китая (Грант No 30020000-861701011111). Авторы благодарят мисс Я Чонг Ли за подготовку повествования.

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

Химия Выпуск 152 одномерные гетероструктуры ван дер Ваальса выравнивание полосы типа II нанориббон нанотрубка расчеты первых принципов максимум валентной полосы минимум проводящей полосы
Соединение группы зонда II в одномерных гетероструктурах Van Der Waals с использованием расчетов первого принципа
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