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

Tek Boyutlu Van Der Waals Heteroyapılarda İlk İlkeler Hesaplamaları Kullanılarak Sonda Tip II Bant Hizalama

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

Vienna Ab initio Simülasyon Paketi tarafından yapılan hesaplamalar, nano ölçekli malzemelerin içsel elektronik özelliklerini belirlemek ve potansiyel su yarma fotokatalizörlerini tahmin etmek için kullanılabilir.

Abstract

Yoğunluk-fonksiyonel teorisine (DFT) dayalı hesaplama araçları, hedeflenen bir uygulama için nitel olarak yeni, deneysel olarak ulaşılabilir nano ölçekli bileşiklerin araştırılmasını sağlar. Teorik simülasyonlar, fonksiyonel malzemelerin içsel elektronik özelliklerihakkında derin bir anlayış sağlar. Bu protokolün amacı hesaplamalı diseksiyonu ile fotokatalizör adayları aramaktır. Fotokatalitik uygulamalar, redoks potansiyellerine göre uygun bant boşlukları, uygun bant kenarı pozisyonları gerektirir. Hibrit fonksiyonlar bu özelliklerin doğru değerlerini sağlayabilir ancak hesaplama açısından pahalıdır, oysa Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) fonksiyonel düzeyindeki sonuçlar bant yapısı mühendisliği için stratejiler önermek için etkili olabilir. fotokatalitik performansı artırmayı amaçlayan elektrik alanı ve çekme gerilimi. Bunu göstermek için, mevcut el yazmasında, DFT tabanlı simülasyon aracı VASP nanotüpler ve nanoribbons zemin durumunda kombinasyonları nanokompozitlerin bant hizalama araştırmak için kullanılır. Fotojenatyon deliklerinin ve elektronların kullanım ömrünü heyecanlı durumda ele almak için nonadiabatik dinamiği hesaplamalarına ihtiyaç vardır.

Introduction

Temiz ve sürdürülebilir enerji için dünya çapında talep sonlu petrol kaynaklarına bağımlılığı azaltmak için umut verici malzemeler için araştırma teşvik etmiştir. Simülasyonlar, yeni fonksiyonel malzemeler için aramayı hızlandıran deneylerden daha verimli ve ekonomiktir1. Teorik açıdan malzeme tasarımı2,3,4 artık hesaplamalı kaynaklar ve teori gelişmelerdeki hızlı gelişmeler nedeniyle daha popüler hale getirerek, hesaplamalı simülasyonları daha güvenilir hale getiriyor5 . Birçok kodda uygulanan yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) hesaplamaları daha sağlam hale gelmektedir ve tekrarlanabilir sonuçlar6.

Vienna Ab initio Simülasyon Paketi (VASP)7 moleküler ve kristal özellikleri tahmin etmek için en umut verici DFT kodlarından birini sunar ve bu kodu kullanan 40.000'den fazla çalışma yayınlanmıştır. Çoğu çalışma Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) fonksiyonel seviye8yapılır , hangi bant boşluğu boyutları hafife, ama bant hizalama ve bant ofset leri temel eğilimleri yakalar3. Bu protokol, bu hesaplama aracı nı kullanarak temiz ve yenilenebilir enerji için bant kenarı profillerinin ve nano ölçekli malzemelerin bant boşluklarının araştırılmasının ayrıntılarını ana hatlarını oluşturmayı amaçlamaktadır. https://www.vasp.at'da VASP kullanarak daha fazla örnek mevcuttur.

Bu rapor, fotokatalitik su bölme de umut verici bir uygulama için tip II bant hizalama9 ile tek boyutlu (1D) vdW heteroyapıların hesaplamalı tarama sunar4. Özellikle, nanotüpler (NTs) içinde kapsüllenmiş nanoribbons (NRs) örnek10olarak incelenir. Kovalent olmayan etkileşimleri gidermek için, DFT-D3 yöntemini kullanan vdW düzeltmeleri11'edahildir. VASP tarafından 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2 ve bölüm 4'teki DFT hesaplamaları, Centos sistemindeki yüksek performanslı araştırma bilgisayarları tarafından Taşınabilir Toplu İşlem Sistemi (PBS) komut dosyası kullanılarak gerçekleştirilir. PBS komut dosyasının bir örneği Ek Malzemeler'degösterilmiştir. P4VASP yazılımı nın 3.3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Atomik yapıyı optimize edin.

  1. VASP ile yapı gevşeme hesaplaması için dört giriş dosyası hazırlayın: INCAR, POSCAR, POTCAR ve KPOINTS.
    NOT: INCAR dosyasında hesaplamayı tanımlayan belirtilen parametreler vardır. INCAR dosyasındaki "EDIFFG = 0.02" satırı, her atomdaki kuvvet <0.02 eV/Å olana kadar tüm atomların rahatladığını gösterir. POSCAR dosyası atomik geometri bilgilerini içerir. POSCAR dosyasındaki ilk kafes parametreleri teorik3 veya deneysel referanslardan seçilebilir12,13. KPOINTS dosyası k noktası örgüve POTCAR pseudopotential dosya tanımlar. POSCAR'daki atom türlerinin sırası POTCAR'dakiyle aynı olmalıdır. Yapı gevşemesi için giriş dosyalarına örnekler Ek Malzemeler'de (VASP lisansı na ihtiyacı olan sözde potansiyel dosya hariç) gösterilmiştir.
    1. Bor nitrür (BN) nanoribbons (NR) "POSCAR" için ilk yapısını oluşturun.
      1. BN toplu birimi için POSCAR dosyasını https://materialsproject.org'dan indirin.
      2. POSCAR dosyasını xcrysden okunabilen xsf formatında bir dosyaya dönüştürmek için v2xsf'yi kullanın. Ubuntu sistemindeki terminalde v2xsf POSCAR yazın ve "POSCAR.xsf.gz" almak için. Gunzip POSCAR.xsf.gz yazın ve POSCAR.xsf dosyasını çıktı.
      3. BN süper hücreoluşturmak için xcrysden kullanın.
        1. Ubuntu sistemindeki terminalde xcrysden yazın --xsf POSCAR.xsf. Menüyü değiştir/Alınan Birim Sayısı'nı seçin ve hücreyi X ve Y yönünde genişletin.
        2. "supercell" adlı üst hücre yapısını dışa aktarmak için Dosya/XSF Yapısını Kaydet menüsünü seçin.
          NOT: Yapının adı rasgele bir tanımdır.
      4. Süper hücreyi açmak için xmakemol kullanın. Ubuntu sistemindeki terminale xmakemol -f süper hücre yazın. Menüyü Seç/Görünür. Bölge içindeki atomları silmek ve NR'yi istenilen genişliğe ve chirality'ye düşürmek için Toggle'ı tıklatın.
    2. POSCAR için BN nanotube'un (NT) ilk yapısını oluşturun. http://www.jcrystal.com/products adresinden "NanotubeModeler" adlı filmi indirin. Windows sisteminde NanotubeModeler.exe açın. Menüseçin Türü/B-N seçin ve chirality belirtin. Yapıyı dışa aktarmak için Dosya/XYZ tablosunu seçin.
    3. NT içinde NR (adım 1.1.1) kapsülleme tarafından nanokompozit ilk yapısını oluşturun (adım 1.1.2).
      NOT: Kapsülleme NR ve NT10,14,15Kartezyen koordinatları ayarlayarak bitmiş olabilir.
    4. Hesaplama işini göndermeden önce atomik yapıyı kontrol etmek için vmd yazılımını kullanın.
      1. Ubuntu sistemindeki terminale vmd yazın. Açılan vmd ana penceresinde Dosya/Yeni Molekül menüsünü seçin ve Browse penceresinden POSCAR dosyasını bulun. VASP_POSCARyazarak POSCAR yükleyin.
      2. Yapıyı Grafik Gösterimleri/Çizim Yöntemi penceresinde farklı stillerde görüntüleyin.
        NOT: Örneğin, CPK seçildikten sonra, her atom (bağ) bir küre (sopa) ile temsil edilir. Yükleme kılavuzu ve vmd tam öğretici http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd mevcuttur.
  2. İşi bilgisayar kümesine göndermek için Linux sistemindeki terminale qsub job.pbs yazın.
    NOT: "job.pbs" PBS komut dosyasının adını temsil eder. PBS komut dosyasının adı rasgele bir tanımdır. PBS komut dosyası ile birlikte dört giriş dosyaları çalışma dizininde olmalıdır. Qsub job.pbs komutu 2.2, 3.2, 3.5.2 ve bölüm 4'te kullanılacaktır. PBS komut dosyasının bir örneği ek kodlama dosyasında bulunabilir. Gönderilen iş bittikten sonra, çıkış günlüğünün sonunda "gerekli doğruluğa ulaşılırsa - yapısal enerjinin en aza inmesini durdurma" çıkarsa, yakınsanan sonuç elde edilir. Elde edilen CONTCAR dosyası 2.1, 3.1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4 ve bölüm 4.2 adımlarında giriş dosyası Olarak kullanılacaktır.

2. Kapsülleme enerjisini hesaplayın.

  1. Nanokompozit, NR ve NT için linux sistemindeki bir terminalde üç klasör oluşturmak için mkdir nanokompozit izole-nanoribbon izole-nanotube yazın. Her klasördeki enerji hesaplaması için bir PBS komut dosyası "job.pbs" ve dört giriş dosyası INCAR, POSCAR, POTCAR ve KPOINTS hazırlayın.
    NOT: Giriş dosyası POSCAR, 1. Giriş dosyası örnekleri Ek Malzemeler (POTCAR hariç) verilmiştir.
  2. Linux sistemindeki terminaldeki her klasöre gidin ve qsub job.pbs yazın.
    NOT: Gönderilen üç iş, sırasıyla nanokompozit, izole NR ve izole NT için statik kendi kendine tutarlı enerji hesaplamaları gerçekleştirecektir.
  3. Statik kendi kendine tutarlı hesaplamaları tamamladıktan sonra her sistem için outcar dosyasından toplam enerji ayıklayın. Tip grep "serbest enerji TOTEN" ./nanokompozit/OUTCAR | kuyruk -n 1, grep "serbest enerji TOTEN" ./izole-nanoribbon/OUTCAR | kuyruk -n 1, ve grep "serbest enerji TOTEN" ./izole-nanotube/OUTCAR | kuyruk -n 1. Görüntülenen üç değeri sırasıyla ENT+NR, ENRve ENTolarak tanımlayın. Anvraz başına kapsülleme enerjisini hesaplayın: EL = (ENT+NR - ENT -ENR)/L14,15.
    NOT: Her sistemdeki periyodik yön Z ekseni boyunca, L ise Z ekseni boyunca birim hücrenin kafes sabitidir. Düzlem dalga kesme enerjisi ve k noktası örgü enerji bağımlılığı test hesaplamaları gereklidir. Kapsülleme enerjisi nanokompozit enerjik istikrar için bir tahmin olarak kullanılabilir.

3. Bant yapısından elektronik özellikleri ayıklayın.

  1. Bir PBS komut dosyası "job.pbs" ve altı giriş dosyası hazırlayın: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, CHGCAR ve bant hesaplaması için CHG. Set ICHARG = 11 INCAR içinde.
    NOT: Önceden birleştirilmiş CHGCAR ve CHG dosyaları adım 2.2'deki statik kendi kendine tutarlı hesaplamalardan dır. Bant analizi PBE düzeyindedir. KPOINTS dosyasındaki k noktası örneklemesi satır modundadır. Bu adıma ait giriş dosyalarının örnekleri Ek Malzemeler'de (POTCAR hariç) bulunabilir.
  2. İşi göndermek için Linux sistemindeki terminale qsub job.pbs yazın.
  3. Öngörülen bandı oluşturmak için P4VASP'yi kullanın.
    1. Yük "vasprun.xml" Ubuntu sisteminde terminalüzerinde p4v vasprun.xml yazarak.
      NOT: P4VASP'yi başlatmak için "p4v" kullanılır. "vasprun.xml" dosyası çalışma dizininde olmalıdır.
    2. Elektronik/Yerel DOS+bantları denetim menüsünü seçin ve ardından Select/Bands' ı seçin.
      1. Atom seçimibölümünde NT'nin atom numaralarını belirtin. Adım 1.1.4'te belirtildiği gibi vmd kullanarak ilgili atomları işaret ederek atom numarasını alın. Menü Sembol ve Sembol boyutuaracılığıyla yansıtılan bant yapısı için sembolün rengini, türünü ve boyutunu belirtin. Menüye basın Yeni satır ekle.
        NOT: Grafik, NT katkılarıile bant yapısını gösterir.
      2. NR'nin katkılarıyla öngörülen bandı almak için 3.3.2.1 adımını takip ederek aynı yordamı tekrarlayın.
    3. Menü Grafik/Dışa Aktarma'yıseçin. Grafiği agr biçiminde bir dosyaya dışa aktar (örneğin, "11-4.agr" olarak).
      NOT: P4VASP tarafından öngörülen bantların çıkış verileri, üçüncünün ağırlığı temsil ettiği üç sütunda bulunur.
  4. Yansıtılan bandı düzenlemesi için xmgrace'i kullanın.
    1. Ubuntu sisteminde xmgrace başlatmak için terminalüzerinde xmgrace 11-4.agr yazın. Eksenin etiketini ve aralığını da letmek için Ekle/Eksen özelliklerini seçin.
    2. Belirtilen bant numarası ve k noktasındaki enerji değerini okumak için Çizim/Set görünümünü seçin.
      NOT: NR/NT'nin değerlik bandı maksimum (VBM) ve iletim bandı minimum (CBM) sırasıyla NR/NT'ye katkıları olan öngörülen banttan okunabilir. Bant hizalamalarına göre heteroyapılar üç tipe göre sınıflandırılabilir: tip I (VBMNT NR NR veya VBMNR NT NR ),) tip II (VBMNT NR NT NR veya VBMNR NT NR NRveya tip III (VBMNT NT NR NR veya VBMNR NR NT NT)9.
    3. Değerlik bandı ofset (VBO), iletim bandı ofset (CBO) ve Kang ve ark.16'yıizleyen bant boşluğunu hesaplayın.
    4. EPS formatında grafiği dışa aktarmak için Dosya/Yazdır menüsünü seçin.
  5. VBM ve CBM için bant ayrıştırılmış şarj yoğunluğunu hesaplayın.
    1. Bir PBS komut dosyası hazırlayın "job.pbs" ve yedi giriş dosyası: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, CHGCAR ve CHG. INCAR'daki IBAND etiketiyle CBM ve VBM'nin bant numaralarını belirtin. Her bant kenarı için karşılık gelen tek k noktasını kullanın.
      NOT: Önceden birleştirilmiş CHGCAR, CHG ve WAVECAR dosyaları adım 2.2'deki statik kendi kendine tutarlı hesaplamalardan dır. Bu adıma ait giriş dosyalarına örnekler Ek Malzemeler'de (POTCAR hariç) verilmiştir.
    2. İşi göndermek için Linux sistemindeki terminale qsub job.pbs yazın.
    3. İş bittikten sonra VBM ve CBM'yi gerçek alana çizmek için vmd'yi kullanın.
      1. Bir vmd oturumu başlatın ve adım 1.1.4'teki gibi POSCAR dosyasını yükleyin.
      2. vmd ana penceresinde dosya/yeni molekül menüsünü seçin. Gözat penceresinden PARCHG dosyasını bulun. VASP_PARCHGyazarak PARCHG yükleyin.
      3. Grafik Gösterimleri penceresinde Çiz/Katı Yüzey ve Göster/İzosurface menülerini seçin. İzodeğeri uygun bir değerle değiştirin (örneğin, 0,02). Menü Boyama Yöntemi ile isosurface rengini değiştirin.
        NOT: Bu adım 3.4 ile ilgili bant türleri için sezgisel bir analizdir. Genellikle, atomik yapı sınırdan uzakta düzenlenir, aksi takdirde görselleştirilmiş yük yoğunluğu sürekli bir şekilde gösterilmez. Ayrıntılar için lütfen Ek Şekil 1'e bakın.

4. Nanokompozitin (NT'nin nr içinde kapsüllenmiş) elektronik özelliklerini dış alanlara göre modüle edin.

  1. Nanokompozit17'yeenine elektrik alanı ekleyin.
    1. InCAR, POSCAR, POTCAR ve KPOINTS: Bir PBS komut dosyası "job.pbs" ve dört giriş dosyası hazırlayın.
    2. Elektrik alanının gücünü eV/Å birimlerindeki "EFIELD" etiketiyle tanımlayın.
    3. LDIPOL = T. Tam değeri (1, 2 veya 3) idipol belirtin ayarlayın.
      NOT: Bu iki etiket dipol düzeltmeleri içerecek şekilde eklenir. Elektrik alanı, Idipol değerini 1, 2 veya 3 olarak ayarlayarak X, Y veya Z ekseni boyunca uygulanır.
    4. Yapısal optimizasyon olmadan bölüm 2 ve 3'ten sonraki statik kendi kendine tutarlı hesaplamaları ve bant yapısı hesaplamalarını gerçekleştirin.
      NOT: Önceki çalışmalar 5 V /Å üzerindeki elektrik alanları yapısı 18 ,19deforme olmadan BN-NT ve BN-NR bant boşluğu değiştirmek için kullanılabilir olduğunu göstermektedir.
  2. Nanokompozit bir uzunlamasına çekme zorlanma ekleyin.
    1. Gerilim etkisini yansıtacak şekilde periyodik yönde kafes parametrelerini değiştirin.
      NOT: Örneğin, Z ekseni boyunca nanokompozitin en iyi duruma getirilmiş kafes parametresi 2,5045 Å'tir. Z yönünde %1 tek eksenli çekme gerilimi uygulanırsa, POSCAR'daki kafes parametresini 2,5045 x 1,01 = 2,529545 Å olarak değiştirin.
    2. Bölüm 1'den sonra değiştirilmiş yapıyı rahatlatın.
    3. Bölüm 2 ve 3'den sonra statik kendi kendine tutarlı hesaplamalar ve bant yapısı hesaplamaları gerçekleştirin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Zikzak BN-NRs koltuk BN-NTs içinde kapsüllü (11,11) 1D vdW heteroyapı için temsili örnek olarak seçildi. Kafes parametreleri Şahin ve ark.20 alınmıştır. Kolaylık sağlamak için, zikzak NR znkısaltılır , n genişliği boyunca III-V dimers temsil eder14. 2.3 adımdaki kapsülleme enerjisi EL, nanokompozitin enerjik stabilitesi için kaba bir tahmin olarak kullanılmıştır. BN-NT (11,11) içinde bulunan Z2,Z3ve Z4'ün EL değerleri Şekil1'degösterildiği gibi -0,033 eV/Å, -0,068 eV/Å ve -0,131 eV/Å idi. EL, BN-NR boyutuna sahip bir büyüklük sırasına göre değişiklik yapsa da, her üç nanokompozit de tip II bant yapılarını (3.4 adımdan) tüm karbon lu olgulardan daha üstün olaraksundular 14, tip II sadece tek bir uygun boyutu ile NR için ortaya çıktı NT14'eyerleştirilir.

Nanokompozitin 3.2, BN-NT (11,11) + Z4'den bant yapısı Şekil 2'degösterilmiştir. VBM/CBM, sırasıyla NT/NR'de (adım 3.5'ten) bulunur. Sendelenmiş bant hizalaması ışık hasadı için yararlı oldu. Yük aktarımının ana mekanizması şudur: Fotoğraf, Şekil 3'tegösterilen X noktasında Z 4'te elektron ve Z4'te bir delik oluşturur ve daha sonra deliğin Z4 'den (kX)NT'ye (11,11) (kVBM, VBM'nin k noktası bu nanokompozit), Şekil 4'tegösterilmiştir. Hesaplanan VBO (adım 3.4.3) 317 meV, 300 K (KT ~ 30 meV) termal enerji daha büyük ve etkili fotojentaşıyıcıların rekombinasyon oranını azaltır10.

Geniş bir spektrum la ışık hasat geliştirmek için, hem enine elektrik alanları ve boylamsal çekme suşları BN-NT uygulanır (11,11) + Z4. 4. basamaktaki vakum seviyesine göre bant kenarlarının evrimi Şekil 5'tegösterilmiştir. Bu nanokompozitte dış alanlar tarafından 0,95 eV'a yakın önemli bir boşluk azalması gözlenmektedir. Daha da önemlisi, sendelenmiş bant hizalamasıkorunur 10. Bu sonuçlara dayanarak, böyle bir 1D sistem fotokatalitik hidrojen üretimi ve güvenli kapsül depolama entegre bekleniyor21. Fotojenlenmiş elektronlar NR tarafından toplanabilir. Elektrostatik çekim tarafından yönlendirilen protonlar, hidrojen molekülü oluşturmak için NT'ye nüfuz eder. Üretilen hidrojen tamamen nanotüp içinde istenmeyen bir ters reaksiyon veya patlama önlemek için izole edilir.

Figure 1
Şekil 1: Zikzak BN nanoribbons Z2, Z3, ve Z4 bir BN nanotüp (11,11) içinde kapsüllü. Kapsülleme enerjisi (EL)her yapının altında listelenir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: BN nanotüp bant yapısı (11,11) + BN nanoribbon Z4. Nanotüp ve nanoribbon enerji bantları katkıları sırasıyla kırmızı ve mavi küreler, temsil edilmektedir. Sol insets CBM ve VBM devletlerin (işovalue 0.02 e/Å3)şarj yoğunluğu dağılımları gösterir. Bu rakam Gong ve ark.10'dan Royal Society of Chemistry'nin izniyle uyarlanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Fotoğraf, X noktasında elektron lar ve BN nanoribbon Z4'te bir delik oluşturur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Delik BN nanoribbon Z4 (kX)bn nanotube (11,11) (kVBM, bu nanokompozit için VBM k noktası) ayırır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: BN nanotüp (11,11) ve BN nanoribbon Z4'ün dış alanlara göre bant kenarı modülasyonu. Bant kenarlarının vakum seviyesine göre evrimi (A) bir elektrik alanı ve (B) tek eksenli çekme gerilimi. Elektrik alanının negatif yönü alt kenar atomu B'den z4'ünüst kenar atomu N'ye gösterilir. H+/H2'nin azalma potansiyeli ve O2/H2O'nun oksidasyon potansiyeli sırasıyla -4.44 eV ve pH = 0'da -5.67 eV'dir. pH = 7, suyun redoks potansiyellerini (pH x 0,059 eV' e göre) -4,027 eV ve -5,257 eV'e kaydırır, sırasıyla mavi kesik çizgiler olarak gösterilir. Bu rakam Gong ve ark.10'dan Royal Society of Chemistry'nin izniyle çoğaltıldı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Supplemental Figure 1
Ek Şekil 1: (A) BN nanotüp atomik yapısı (11,11) + BN nanoribbon Z4 sınır dan ve karşılık gelen iletim bandı minimum(B)düzenlenmiş. (C) Bir BN nanotüp (11,11) ve BN nanoribbon Z4'ün atomik yapısı bir sınır ve buna karşılık gelen iletim bandı minimum (D) ile uyumludur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tamamlayıcı Kodlama Dosyası: Bu dosyayı görüntülemek için lütfen buraya tıklayın (İndirmek için sağ tıklatın).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bölüm 2, 3 ve 4'teki elektronik özellikler için yapılan hesaplamalar çeşitli nano ölçekli malzemeler arasında benzer olacaktır. Adım 1'deki ilk atom modeli anlamlı bilgileri ayıklamak için dikkatle tasarlanmalıdır. Örneğin, modeli seçmek için faktör malzemelerin boyutu veya chirality olabilir. Ayrıca, adım 1.1 ilk atom modeli makul düşük maliyetli yapı gevşeme için hazırlanmalıdır. Protokoldeki nanokompozit iörnek olarak ele alınarak, NR nt içinde simetrik bir şekilde kapsüllenmelidir. Aksi takdirde, VASP tarafından optimize edilmiş yapıyı aramak zaman alır.

Bir elektrik alanının etkisini göz önünde bulundurarak, VASP22'dekiperiyodik birim hücredeki vakum parçasının ortasına yapay bir dipol levha sıyrık eklenir. Vakum bölgesi çok geniş olmamalı ve elektrik alanı yapay alan emisyon23önlemek için yeterince zayıf olmalıdır.

Suş etkisi sadece POSCAR kafes parametre değiştirerek gerçekleştirilebilir ise, nanokompozit durum daha karmaşık olacaktır. NR ve NT'nin elastik tepkileri birbirinden farklı olabilir ve aynı mukavemette yer alabilir. Bu orantısız bir yapıya yol açacaktır. Örneğin, tek eksenli çekme gerilimi periyodik yönde uygulandığında, NT ve NR'nin bu yöndeki en iyi leştirilmiş kafes parametresi sırasıyla ilk 1,8 Å'ten 2,0 Å'e ve 2,2 Å'a değişir. Modelleme için büyük süper hücreler gereklidir: bu durumda NT'nin en az 11 birim hücresi ve 10 birim NR hücresi (11 x 2.0 Å = 10 x 2.2 Å = 22 Å).

Malzemelerin zemin durumu elektronik özellikleri VASP tarafından oldukça iyi belirlenebilir iken, fotojenite delik ve elektronların yaşam boyu heyecanlı bir durumda mevcut adresine, nonadiabatic dinamikleri hesaplama gerçekleştirmek için daha iyidir24. Bu uzun ömürlü taşıyıcılar ile fotokatalizörler tasarlamak için önemlidir4.

VASP tarafından gerçekleştirilen hesaplamalı yaklaşımın rolü, yeni malzemelerin keşfi ve deneysel çalışmalara yardımcı olacak potansiyel fotokatalizörlerin taranması na katkıda dır. Su bölmede PBE düzeyinde bant hizalaması nicel deneysel çalışma kadar ikna edici değildir. Redoks potansiyellerine göre bant kenarlarının daha doğru değerleri, CBO ve VBO gereklidir. Bu Heyd-Scuseria-Ernzerhof kullanmak en iyi olurdu (HSE) hibrid fonksiyonel25, ama PBE daha fazla zaman alıcı. Bununla birlikte, PBE düzeyinde sonuçlar fotokatalitik aktivitenin geliştirilmesi için stratejiler önermek için etkili olabilir.

Vasp tarafından yapılan hesaplamalı tasarımın aynı zamanda güneş pili, termoelektrik malzeme, lityum pil malzemeleri, gaz yakalama malzemeleri, vb.2'nintahmin edilmesini sağlayacağından da belirtilmelidir. Yüksek iş hamuru hesaplamaları daha iyi malzeme tahmini ve daha düşük hesaplama maliyeti26,27için makine öğrenme prosedürleri ile birleştirilmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışma Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı (Grant No. 2017M612348), Qingdao Doktora Sonrası Vakfı (Grant No. 3002000-861805033070) ve Ocean University of China'daki Genç Yetenek Projesi'nden (Grant No. 3002000-861701013151) desteklenmiştir. Yazarlar bayan Ya Chong Li'ye anlatımı hazırladığı için teşekkür ediyor.

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

Kimya Sayı 152 tek boyutlu van der Waals heteroyapılar tip II bant hizalama nanoribbon nanotube ilk prensip hesaplamaları valans bandı maksimum iletim bandı minimum
Tek Boyutlu Van Der Waals Heteroyapılarda İlk İlkeler Hesaplamaları Kullanılarak Sonda Tip II Bant Hizalama
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