Article de méthode

Alignement de bande de type II de sonde dans les hétérostructures unidimensionnelles de Van Der Waals utilisant des calculs de premiers principes

DOI :

10.3791/60180

⸱

12 octobre 2019

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

Dans cet article

Résumé

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

Les calculs effectués par le paquet de simulation de l'initio de Vienne Ab peuvent être utilisés pour identifier les propriétés électroniques intrinsèques des matériaux à l'échelle nanométrique et prédire les photocatalyseurs potentiels de division de l'eau.

Résumé

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

Les outils informatiques basés sur la théorie de la densité-fonctionnelle (DFT) permettent l'exploration des composés nanométriques qualitativement nouveaux et expérimentalement réalisables pour une application ciblée. Les simulations théoriques permettent de bien comprendre les propriétés électroniques intrinsèques des matériaux fonctionnels. Le but de ce protocole est de rechercher des candidats photocatalyseurs par dissection computationnelle. Les applications photocatalytiques nécessitent des lacunes de bande appropriées, des positions appropriées de bord de bande par rapport aux potentiels redox. Les fonctions hybrides peuvent fournir des valeurs précises de ces propriétés, mais elles sont coûteuses sur le plan du calcul, alors que les résultats au niveau fonctionnel de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) pourraient être efficaces pour suggérer des stratégies d'ingénierie de la structure de la bande par l'intermédiaire le champ électrique et la contrainte tendue visant à augmenter la performance photocatalytique. Pour illustrer cela, dans le présent manuscrit, l'outil de simulation basé sur le DFT VASP est utilisé pour étudier l'alignement des bandes de nanocomposites dans des combinaisons de nanotubes et de nanoribbons dans l'état du sol. Pour répondre à la durée de vie des trous photogénérés et des électrons dans l'état excité, des calculs de dynamique nonadiabatic sont nécessaires.

Introduction

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

La demande mondiale d'énergie propre et durable a stimulé la recherche de matériaux prometteurs afin de réduire la dépendance à l'égard des ressources pétrolières limitées. Les simulations sont plus efficaces et plus économiques que les expériences visant à accélérer la recherche de nouveaux matériaux fonctionnels1. La conception des matériaux d'un point de vue théorique2,3,4est maintenant de plus en plus populaire en raison des progrès rapides dans les ressources de calcul et les développements théoriques, ce qui rend les simulations de calcul plus fiables 5 . Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) mis en œuvre dans de nombreux codes sont de plus en plus robustes et donnent des résultats reproductibles6.

Le Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)7 présente l'un des codes DFT les plus prometteurs pour prédire les propriétés moléculaires et cristallines et plus de 40 000 études faisant usage de ce code ont été publiées. La plupart des travaux sont exécutés au niveau fonctionnel8de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE), qui sous-estime la taille des écarts de bande, mais qui capture les tendances essentielles en matière d'alignement des bandes et de décalages de bande3. Ce protocole vise à décrire les détails de l'étude des profils de bord de bande et des bandgaps de matériaux à l'échelle nanométrique pour l'énergie propre et renouvelable à l'aide de cet outil de calcul. D'autres exemples utilisant VASP sont disponibles à https://www.vasp.at.

Ce rapport présente le criblage computationnel des hétérostructures unidimensionnelles (1D) vdW avec des alignements de bande de type II9 pour une application prometteuse dans le fractionnement photocatalytique d'eau4. Plus précisément, les nanoribbons (NR) encapsulés à l'intérieur des nanotubes (NT) sont examinés à titre d'exemple10. Pour traiter les interactions non covalentes, les corrections vdW utilisant la méthode DFT-D3 sont incluses11. Les calculs DFT dans les étapes 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2, et la section 4 par VASP sont exécutés à l'aide d'un script de système de lots portables (PBS) par les ordinateurs de recherche haute performance dans le système CenTOS. Un exemple de script PBS est affiché dans les Matériaux Supplémentaires. Le post-traitement des données par le logiciel P4VASP à l'étape 3.3 et la parcelle de figure par le logiciel xmgrace à l'étape 3.4 sont effectués sur un ordinateur local (ordinateur portable ou bureau) dans le système Ubuntu.

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Protocole

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1. Optimiser la structure atomique.

  1. Préparer quatre fichiers d'entrée pour le calcul de la relaxation de la structure par VASP: INCAR, POSCAR, POTCAR et KPOINTS.
    REMARQUE : Il y a des paramètres spécifiés dans le fichier INCAR qui définissent le calcul. La ligne "EDIFFG - 0.02" dans le fichier INCAR indique que tous les atomes sont détendus jusqu'à ce que la force sur chaque atome soit 'lt;0.02 eV/' . Le fichier POSCAR contient les informations de géométrie atomique. Les paramètres de treillis initiaux dans le fichier POSCAR peuvent être choisis à partir de référencesthéoriques 3 ou expérimentales12,13. Le fichier KPOINTS définit le maillage k point et POTCAR est le fichier pseudopotentiel. L'ordre des types d'atomes dans POSCAR devrait être le même que celui de POTCAR. Des exemples de fichiers d'entrée pour la relaxation de la structure sont affichés dans les matériaux supplémentaires (à l'exception du fichier pseudopotentiel, qui a besoin d'une licence de VASP).
    1. Générer la structure initiale des nanoribbons de nitride de bore (BN) (NR) pour "POSCAR".
      1. Téléchargez le fichier POSCAR pour l'unité en vrac BN à partir de https://materialsproject.org.
      2. Utilisez v2xsf pour convertir le fichier POSCAR en un fichier en format xsf qui peut être lu par xcrysden. Type v2xsf POSCAR sur le terminal dans le système Ubuntu pour obtenir "POSCAR.xsf.gz". Type gunzip POSCAR.xsf.gz et sortir le fichier POSCAR.xsf.
      3. Utilisez xcrysden pour construire la supercellule BN.
        1. Type xcrysden --xsf POSCAR.xsf sur le terminal du système Ubuntu. Sélectionnez le menu Modifier/Nombre d'unités dessinées et étendre la cellule dans les directions X et Y.
        2. Sélectionnez le menu Fichier/Enregistrer la structure XSF pour exporter la structure supercellulaire, nommée «supercellule».
          REMARQUE : Le nom de la structure est une définition arbitraire.
      4. Utilisez du xmakemol pour ouvrir la supercellule. Type xmakemol-f supercellule sur le terminal dans le système Ubuntu. Sélectionnez le menu Edit/Visible. Cliquez sur Toggle pour supprimer les atomes à l'intérieur de la région et couper le NR à la largeur désirée et la chiralité.
    2. Générer la structure initiale du nanotube BN (NT) pour POSCAR. Télécharger "NanotubeModeler" de http://www.jcrystal.com/products. Ouvrez NanotubeModeler.exe dans le système Windows. Sélectionnez le menu Sélectionnez le type/B-N et spécifiez la chiralité. Sélectionnez le menu Fichier/Enregistrer la table XYZ pour exporter la structure.
    3. Générez la structure initiale du nanocomposite en encapsulant le NR (à partir de l'étape 1.1.1) à l'intérieur du NT (à partir de l'étape 1.1.2).
      REMARQUE: L'encapsulation peut être terminée en ajustant les coordonnées cartésiennes du NR et le NT10,14,15.
    4. Utilisez le logiciel vmd pour vérifier la structure atomique avant de soumettre le travail de calcul.
      1. Type vmd sur le terminal dans le système Ubuntu. Dans la fenêtre principale vmd ouverte, sélectionnez le fichier de menu/nouvelle molécule et trouvez le fichier POSCAR à travers la fenêtre Parcourir. Chargez POSCAR en tapant VASP-POSCAR.
      2. Afficher la structure dans différents styles dans la fenêtre Représentations graphiques/méthode de dessin.
        REMARQUE : Par exemple, une fois que le CPK est choisi, chaque atome (lien) est représenté par une sphère (bâton). Le guide d'installation et le tutoriel complet de vmd sont disponibles à http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
  2. Tapez qsub job.pbs sur le terminal du système Linux pour soumettre le travail au cluster informatique.
    REMARQUE: "job.pbs" représente le nom du script PBS. Le nom du script PBS est une définition arbitraire. Les quatre fichiers d'entrée ainsi que le script PBS doivent être à l'annuaire de travail. La commande qsub job.pbs sera utilisée dans les étapes 2.2, 3.2, 3.5.2, et la section 4. Un exemple de script PBS peut être trouvé dans le fichier de codage supplémentaire. Une fois le travail soumis terminé, si «l'exactitude requise - arrêt dela minimisation de l'énergie structurelle » apparaît à la fin du journal de sortie, le résultat convergent est obtenu. Le fichier CONTCAR qui en résultera sera utilisé comme fichier d'entrée POSCAR dans les étapes 2.1, 3.1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4, et section 4.2.

2. Calculer l'énergie d'encapsulation.

  1. Tapez mkdir nanocomposite isolé-nanoribbon isolé-nanotube pour créer trois dossiers pour le nanocomposite, le NR, et le NT sur un terminal dans un système Linux. Préparer un script PBS "job.pbs" et quatre fichiers d'entrée INCAR, POSCAR, POTCAR et KPOINTS pour le calcul de l'énergie dans chaque dossier.
    REMARQUE: Le fichier d'entrée POSCAR est le fichier nommé CONTCAR avec la structure détendue de l'étape 1. Des exemples de fichiers d'entrée sont donnés dans des documents supplémentaires (à l'exception de POTCAR).
  2. Allez à chaque dossier et tapeqjob.pbs sur le terminal dans le système Linux.
    REMARQUE : Les trois tâches soumises effectueront les calculs statiques d'énergie auto-consistantes pour le nanocomposite, le NR isolé et le NT isolé, respectivement.
  3. Extraire l'énergie totale du fichier OUTCAR pour chaque système après avoir terminé les calculs statiques auto-cohérents. Type grep "énergie libre TOTEN" ./nanocomposite/OUTCAR - queue -n 1, grep "énergie libre TOTEN" ./isolated-nanoribbon/OUTCAR - tail -n 1, et grep "free energy TOTEN" ./isolated-nanotube/OUTCAR - tail -n 1. Définissez les trois valeurs affichées comme ENT-NR, ENR, et ENT, respectivement. Calculez l'énergie d'encapsulation par angstrom : EL (ENT-NR - ENT -ENR)/L14,15.
    REMARQUE : La direction périodique dans chaque système est le long de l'axe Z et L est la constante de treillis de la cellule unitaire le long de l'axe Z. Des calculs d'essai de la dépendance d'énergie sur l'énergie de coupure d'onde de plan et le maillage de point de k sont nécessaires. L'énergie d'encapsulation peut être utilisée comme estimation de la stabilité énergétique du nanocomposite.

3. Extraire les propriétés électroniques de la structure de la bande.

  1. Préparer un script PBS "job.pbs" et six fichiers d'entrée: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, CHGCAR et CHG pour le calcul de la bande. Définir ICHARG 11 en INCAR.
    REMARQUE : Les fichiers CHGCAR et CHG préconvergés proviennent des calculs statiques auto-cohérents à l'étape 2.2. L'analyse de bande est au niveau PBE. L'échantillonnage de k point dans le fichier KPOINTS est en mode en ligne. Des exemples de fichiers d'entrée pour cette étape peuvent être trouvés dans les matériaux supplémentaires (sauf POTCAR).
  2. Tapez qsub job.pbs sur le terminal du système Linux pour soumettre le travail.
  3. Utilisez P4VASP pour générer la bande projetée.
    1. Chargez "vasprun.xml" en tapant p4v vasprun.xml sur le terminal du système Ubuntu.
      REMARQUE: "p4v" est utilisé pour démarrer P4VASP. Le fichier "vasprun.xml" doit être à l'annuaire de travail.
    2. Sélectionnez le menu Contrôle électronique/Local DOS-bands, puis Sélectionnez/Bandes.
      1. Spécifiez les numéros atomiques de NT dans la section Sélection atome. Obtenez le nombre atomique en pointant vers les atomes correspondants en utilisant vmd comme mentionné à l'étape 1.1.4. Spécifiez la couleur, le type et la taille du symbole pour la structure de bande projetée à travers le menu Symbole et La taille du symbole. Appuyez sur le menu Ajouter une nouvelle ligne.
        REMARQUE : Le graphique montrera la structure de la bande avec les contributions du NT.
      2. Répétez la même procédure après l'étape 3.3.2.1 pour obtenir la bande projetée avec les contributions de la NR.
    3. Sélectionnez le menu Graphique/Exportation. Exportez le graphique dans un fichier avec un format agr (par exemple, comme « 11-4.agr »).
      REMARQUE : Les données de sortie des bandes projetées par P4VASP sont en trois colonnes où la troisième représente la pondération.
  4. Utilisez xmgrace pour modifier la bande projetée.
    1. Type xmgrace 11-4.agr sur le terminal pour démarrer xmgrace dans le système Ubuntu. Sélectionnez le menu Propriétés Plot/Axis pour modifier l'étiquette et la plage de l'axe.
    2. Sélectionnez l'apparence De la parcelle de menu/set pour lire la valeur énergétique au numéro de bande et au point k spécifiés.
      REMARQUE : Le maximum de bande de valence (VBM) et le minimum de bande de conduction (CBM) de NR/NT peuvent être lus de la bande projetée avec des contributions sur NR/NT, respectivement. Selon les alignements de la bande, les hétérostructures peuvent être classées en trois types : type I (VBMNT 'lt;VBMNR 'lt;CBMNR 'lt;CBMNT ou VBMNR 'lt;VBMNT 'lt;CBMNT 'lt;CBMNR), type II (VBMNT 'lt;VBMNR 'lt;CBMNT 'lt;CBMNR ou VBMNR 'lt;VBMNT 'lt;CBMNR 'lt;CBMNT), ou type III (VBMNT 'lt;VBMNT 'lt;CBMNR Lt;CBMNR ou VBMNR 'lt;VBMNR 'lt;CBMNT 'lt;CBMNT)9.
    3. Calculer le décalage de la bande de valence (VBO), la bande de conduction offset (CBO), et l'écart de bande suivant Kang et al.16.
    4. Sélectionnez le menu Fichier/Impression pour exporter le graphique avec le format eps.
  5. Calculez la densité de charge décomposée de la bande pour le VBM et le CBM.
    1. Préparer un script PBS "job.pbs" et sept fichiers d'entrée: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, CHGCAR et CHG. Spécifiez les numéros de bande pour le CBM et VBM par l'étiquette IBAND dans INCAR. Utilisez le seul point k correspondant pour chaque bord de bande.
      REMARQUE : Les fichiers CHGCAR, CHG et WAVECAR préconvergés proviennent des calculs statiques auto-cohérents de l'étape 2.2. Des exemples de fichiers d'entrée pour cette étape sont donnés dans les documents supplémentaires (sauf POTCAR).
    2. Tapez qsub job.pbs sur le terminal du système Linux pour soumettre le travail.
    3. Utilisez vmd pour tracer le VBM et CBM dans l'espace réel après le travail est terminé.
      1. Démarrez une session vmd et chargez le fichier POSCAR comme à l'étape 1.1.4.
      2. Sélectionnez le fichier de menu/nouvelle molécule dans la fenêtre principale vmd. Trouvez le fichier PARCHG via la fenêtre Parcourir. Chargez PARCHG en tapant VASP-PARCHG.
      3. Sélectionnez les menus Dessiner/Surface solide et Afficher/Isosurface dans la fenêtre Représentations graphiques. Modifier l'isovalue à une valeur appropriée (par exemple, 0,02). Changer la couleur de l'isosurface à travers le menu Méthode de coloriage.
        REMARQUE : Il s'agit d'une analyse intuitive des types de bandes à l'étape 3.4. En général, la structure atomique est disposée loin de la limite, sinon la densité de charge visualisée n'est pas montrée d'une manière continue. S'il vous plaît voir La figure supplémentaire 1 pour plus de détails.

4. Moduler les propriétés électroniques du nanocomposite (NT encapsulé à l'intérieur de NR) par des champs externes.

  1. Ajouter un champ électrique transversal au nanocomposite17.
    1. Préparer un script PBS "job.pbs" et quatre fichiers d'entrée: INCAR, POSCAR, POTCAR, et KPOINTS.
    2. Définissez la force du champ électrique par l'étiquette «EFIELD» en unités d'eV/MD.
    3. Définir LDIPOL et T. Spécifiez IDIPOL avec une valeur exacte (1, 2 ou 3).
      REMARQUE : Ces deux balises sont ajoutées pour inclure des corrections dipole. Le champ électrique sera appliqué le long de l'axe X, Y ou Z en fixant la valeur d'IDIPOL à 1, 2 ou 3.
    4. Effectuer les calculs statiques auto-cohérents et les calculs de structure de bande suivant les sections 2 et 3 sans optimisation structurelle.
      REMARQUE : Des études antérieures indiquent que les champs électriques de plus de 5 V/MD peuvent être utilisés pour modifier l'écart de bande de BN-NT et de BN-NR sans déformer la structure18,19.
  2. Ajouter une souche tendinudinale longitudinale au nanocomposite.
    1. Modifier les paramètres de treillis le long de la direction périodique pour refléter l'effet de contrainte.
      REMARQUE : Par exemple, le paramètre de treillis optimisé du nanocomposite le long de l'axe Z est de 2,5045 euros. Si une souche de tension uniaxiale de 1 % est appliquée le long de la direction Z, changez le paramètre de treillis dans POSCAR à 2,5045 x 1,01 à 2,529545.
    2. Détendez la structure modifiée après l'article 1.
    3. Effectuer des calculs statiques auto-cohérents et des calculs de structure de bande suivant les sections 2 et 3.

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Résultats

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Zigzag BN-NRs encapsulé à l'intérieur du fauteuil BN-NTs (11,11) ont été choisis comme exemples représentatifs d'une hétérostructure 1D vdW. Les paramètres de treillis ont été pris de Sahin et al.20. Pour plus de commodité, les NR en zigzag sont abrégés Zn, où n représente les dimers III-V le long de la largeur14. L'énergie d'encapsulation EL de l'étape 2.3 a été utilisée comme estimation approximative de la stabilité énergétique du nanocomposite. Les ...

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Discussion

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

Les calculs des propriétés électroniques dans les sections 2, 3 et 4 seraient similaires parmi divers matériaux à l'échelle nanométrique. Le modèle atomique initial à l'étape 1 doit être soigneusement conçu pour extraire des informations significatives. Par exemple, le facteur de sélection du modèle pourrait être la taille ou la chiralité des matériaux. En outre, le modèle atomique initial à l'étape 1.1 devrait être raisonnablement préparé pour la relaxation de la structure à faible coût. Prenant le nanocomposite dans le...

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Déclarations de divulgation

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

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Remerciements

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

Ce travail a été soutenu par la China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2017M612348), la Qingdao Postdoctoral Foundation (Grant No. 3002000-861805033070) et par le Young Talent Project de l'Ocean University of China (Grant No. 3002000-861701013151). Les auteurs remercient Mlle Ya Chong Li d'avoir préparé la narration.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Nanotube ModelerDéveloppé par Dr. Steffen WeberNanotubeModeler1.8http://www.jcrystal.com/products/wincnt/NanotubeModeler.exe
P4VASPOrest Dubayp4vasp 0.3.30Open source, disponible à l’www.p4vasp.at
v2xsf Développépar Dr. Jens Kunstmannv2xsfhttp://theory.chm.tu-dresden.de/~jk/software.html
logicielVASPPhysique computationnelle des matériaux, Département de physique, Université de Viennevasp.5.4.1https://www.vasp.at
Logiciel VMDGroupe de biophysique théorique et computationnelle, Université de l’Illinois à Urbana-Champaignvmd1.9.3https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd
xcrysdenDépartement de chimie physique et organique, Institut Jozef StefanXCrySDen1.5.60http://www.xcrysden.org/
XmakemolDéveloppé par M. P. Hodgesxmakemol5.16https://www.nongnu.org/xmakemol/XmakemolDownloads.html
Logiciel XmgraceÉquipe de développement de Grace sous la coordination d’Evgeny Stambulchikxmgrace5.1.25http://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/

Références

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Th orie de la fonctionnelle de la densitsimulation VASPanalyse de la structure de bandesnergie d encapsulationpropri t s lectroniquesmodulation du champ lectriqueing nierie de la d formation de traction

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