Articolo metodologico

Allineamento banda di tipo iI della sonda nelle eterostrutture one-dimensionali Van Der Waals utilizzando i calcoli dei primi principi

DOI:

10.3791/60180

⸱

12 ottobre 2019

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

In questo articolo

Sommario

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

I calcoli eseguiti dal pacchetto di simulazione initio di Vienna Ab possono essere utilizzati per identificare le proprietà elettroniche intrinseche dei materiali su nanoscala e prevedere i potenziali fotocatalizzatori di scissione dell'acqua.

Abstract

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

Gli strumenti computazionali basati sulla teoria della densità-funzionale (DFT) consentono l'esplorazione dei composti su nanoscala qualitativamente nuovi e sperimentalmente raggiungibili per un'applicazione mirata. Le simulazioni teoriche forniscono una profonda comprensione delle proprietà elettroniche intrinseche dei materiali funzionali. L'obiettivo di questo protocollo è quello di cercare i candidati fotocatalizzatori per dissezione computazionale. Le applicazioni fotocatalitiche richiedono spazi di banda adeguati, posizioni appropriate del bordo della banda rispetto ai potenziali di redox. I funzionali ibridi possono fornire valori precisi di queste proprietà, ma sono costosi dal punto di vista computazionale, mentre i risultati a livello di funzionalità per Il valore Di S.C.-Bbe (PBE) potrebbero essere efficaci per suggerire strategie per l'ingegneria della struttura delle bande campo elettrico e tensione con l'obiettivo di migliorare le prestazioni fotocatalitiche. Per illustrare questo concetto, nel presente manoscritto, lo strumento di simulazione basato su DFT VASP viene utilizzato per studiare l'allineamento delle bande di nanocompositi in combinazioni di nanotubi e nanoribbons nello stato del suolo. Per affrontare la durata dei fori e degli elettroni fotogenerati nello stato eccitato, sono necessari calcoli di dinamica non adiabatica.

Introduzione

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

La domanda mondiale di energia pulita e sostenibile ha stimolato la ricerca di materiali promettenti per ridurre la dipendenza dalle risorse petrolifere finite. Le simulazioni sono più efficienti ed economiche degli esperimenti per accelerare la ricerca di nuovi materiali funzionali1. La progettazione dei materiali da una prospettiva teorica2,3,4 è ora sempre più popolare grazie ai rapidi progressi nelle risorse computazionali e agli sviluppi teorici, rendendo le simulazioni computazionali più affidabili5 . I calcoli della teoria funzionale della densità (DFT) implementati in molti codici stanno diventando più robusti e producono risultati riproducibili6.

Il Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)7 presenta uno dei codici DFT più promettenti per prevedere le proprietà molecolari e cristalline e sono stati pubblicati più di 40.000 studi che fanno uso di questo codice. La maggior parte del lavoro viene eseguita al livello funzionale Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)8, che sottovaluta le dimensioni gap della banda, ma cattura le tendenze essenziali nell'allineamento delle bande e negli offset delle bande3. Questo protocollo ha lo scopo di delineare i dettagli dello studio dei profili di bordo delle bande e delle bande di materiali su nanoscala per l'energia pulita e rinnovabile utilizzando questo strumento computazionale. Altri esempi di utilizzo di VASP sono disponibili presso https://www.vasp.at.

Questo rapporto presenta lo screening computazionale di eterostrutture vdW unidimensionali (1D) con allineamenti di banda di tipo II9 per un'applicazione promettente nella suddivisione dell'acqua fotocatalitica4 . In particolare, i nanoribbon (NR) incapsulati all'interno di nanotubi (NT) vengono esaminati come esempio10. Per risolvere le interazioni non covalenti, le correzioni vdW mediante il metodo DFT-D3 sono incluse11. I calcoli DFT nei passaggi 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2 e section 4 di VASP vengono eseguiti utilizzando uno script PBXS (Portable Batch System) dai computer di ricerca ad alte prestazioni nel sistema CenTOS. Un esempio di script PBS è mostrato nel materiale supplementare. Il postprocessing dei dati da parte del software P4VASP nel passaggio 3.3 e la figura del software xmgrace nel passaggio 3.4 vengono effettuati su un computer locale (laptop o desktop) nel sistema Ubuntu.

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Protocollo

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

1. Ottimizzare la struttura atomica.

  1. Preparare quattro file di input per il calcolo del rilassamento della struttura da PARTE di VASP: INCAR, POSCAR, POTCAR e KPOINTS.
    NOTA: nel file INCAR sono presenti parametri specificati che definiscono il calcolo. La riga "EDIFFG - 0,02" nel file INCAR indica che tutti gli atomi sono rilassati fino a quando la forza su ogni atomo non è <0.02 eV/ . Il file POSCAR contiene le informazioni sulla geometria atomica. I parametri primi del reticolo nel file POSCAR possono essere scelti da3 o riferimenti sperimentali teorici12,13. Il file KPOINTS definisce la mesh di punto k e POTCAR è il file pseudopotenziale. L'ordine dei tipi di atomo in POSCAR deve essere lo stesso di quello in POTCAR. Esempi di file di input per il rilassamento della struttura sono mostrati nei Materiali supplementari (ad eccezione del file pseudopotenziale, che necessita di una licenza da VASP).
    1. Generare la struttura iniziale dei nanoribbonri di nitrato di boro (BN) (NR) per "POSCAR".
      1. Scaricare il file POSCAR per l'unità bulk BN da https://materialsproject.org.
      2. Utilizzare v2xsf per convertire il file POSCAR in un file in formato xsf che può essere letto da xcrysden. Digitare v2xsf POSCAR sul terminale nel sistema Ubuntu per ottenere "POSCAR.xsf.gz". Digitare gunzip POSCAR.xsf.gz e generare il file POSCAR.xsf.
      3. Utilizzare xcrysden per costruire la supercella BN.
        1. Digitare xcrysden --xsf POSCAR.xsf sul terminale nel sistema Ubuntu. Selezionare il menu Modifica/Numero di unità disegnate ed estendere la cella nelle direzioni X e Y.
        2. Selezionare il menu File/Salva struttura XSF per esportare la struttura della supercella, denominata "supercella".
          NOTA: il nome della struttura è una definizione arbitraria.
      4. Utilizzare xmakemol per aprire la supercella. Tipo xmakemol -f supercella sul terminale nel sistema Ubuntu. Selezionare il menu Modifica/Visibile. Fare clic su Attiva/disattiva per eliminare gli atomi all'interno della regione e tagliare il NR alla larghezza e chiralità desiderate.
    2. Generare la struttura iniziale del nanotubi BN (NT) per POSCAR. Scarica "NanotubeModeler" da http://www.jcrystal.com/products. Aprire NanotubeModeler.exe nel sistema Windows. Selezionare il menu Selezionare il tipo/B-N e specificare la chiralità. Selezionate il menu File/Salva tabella XY per esportare la struttura.
    3. Generare la struttura iniziale del nanocomposito incapsulando il NR (dal punto 1.1.1) all'interno del NT (dal passaggio 1.1.2).
      NOTA: l'incapsulamento può essere terminato regolando le coordinate cartesiane del NR e NT10,14,15.
    4. Utilizzare il software vmd per controllare la struttura atomica prima di inviare il processo di calcolo.
      1. Digitare vmd sul terminale nel sistema Ubuntu. Nella finestra principale di vmd aperta, selezionare il menu File/Nuova molecola e trovare il file POSCAR tramite la finestra Sfoglia. Caricare POSCAR digitando VASP_POSCAR.
      2. Visualizzare la struttura in stili diversi nella finestra Rappresentazioni grafiche/Metodo di disegno.
        NOTA: Ad esempio, una volta scelto il CPK, ogni atomo (obbligazione) è rappresentato da una sfera (bastone). La guida all'installazione e l'esercitazione completa di vmd sono disponibili presso http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
  2. Digitare qsub job.pbs sul terminale nel sistema Linux per inviare il processo al cluster di computer.
    NOTA: "job.pbs" rappresenta il nome dello script PBS. Il nome dello script PBS è una definizione arbitraria. I quattro file di input insieme allo script PBS devono trovarsi nella directory di lavoro. Il comando qsub job.pbs verrà utilizzato nei passaggi 2.2, 3.2, 3.5.2 e sezione 4. Un esempio di script PBS è disponibile nel file di codifica supplementare. Al termine del lavoro inviato, se " ha raggiunto laprecisione richiesta - l'interruzione della minimizzazione dell'energia strutturale" appare alla fine del log di output, si ottiene il risultato convergente. Il file CONTCAR risultante verrà utilizzato come file di input POSCAR nei passaggi 2.1, 3.1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4 e sezione 4.2.

2. Calcolare l'energia di incapsulamento.

  1. Tipo mkdir nanocomposito isolated-nanoribbon isolated-nanotube per creare tre cartelle per il nanocomposito, il NR, e il NT su un terminale in un sistema Linux. Preparare uno script PBS "job.pbs" e quattro file di input INCAR, POSCAR, POTCAR e KPOINTS per il calcolo dell'energia in ogni cartella.
    NOTA: il file di input POSCAR è il file denominato CONTCAR con la struttura rilassata dal passaggio 1. Esempi di file di input sono forniti in Materiali supplementari (ad eccezione di POTCAR).
  2. Vai a ogni cartella e digita qsub job.pbs sul terminale nel sistema Linux.
    NOTA: i tre processi inviati eseguiranno i calcoli statici dell'energia autocoerente rispettivamente per il NR nanocomposito, isolato e isolato.
  3. Estrarre l'energia totale dal file OUTCAR per ogni sistema dopo aver completato i calcoli statici auto-coerenti. Digitare grep "free energy TOTEN" ./nanocomposite/OUTCAR - tail -n 1, grep "free energy TOTEN" ./isolated-nanoribbon/OUTCAR , tail -n 1, e grep "free energy TOTEN" ./isolated-nanotube/OUTCAR - tail -n 1. Definire i tre valori visualizzati rispettivamente come ENT, NR, ENRed ENT. Calcolare l'energia di incapsulamento per angstrom: EL - (ENT-NR - ENT -ENR)/L14,15.
    NOTA: La direzione periodica in ogni sistema è lungo l'asse z e L è la costante del reticolo della cella unitaria lungo l'asse . Sono necessari calcoli di prova della dipendenza energetica dall'energia di taglio dell'onda del piano e dalla mesh del punto k. L'energia di incapsulamento può essere utilizzata come stima della stabilità energetica del nanocomposito.

3. Estrarre le proprietà elettroniche dalla struttura della banda.

  1. Preparare uno script PBS "job.pbs" e sei file di input: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, CHGCAR e CHG per il calcolo della banda. Impostare ICHARGE - 11 in INCAR.
    NOTA: i file CHGCAR e CHG preconvergenti provengono dai calcoli statici auto-coerenti nel passaggio 2.2. L'analisi della banda è a livello PBE. Il campionamento di punti k nel file KPOINTS è in modalità linea. Esempi di file di input per questo passaggio sono disponibili nei Materiali supplementari (ad eccezione di POTCAR).
  2. Digitare qsub job.pbs sul terminale nel sistema Linux per inviare il processo.
  3. Utilizzare P4VASP per generare la banda proiettata.
    1. Caricare "vasprun.xml" digitando p4v vasprun.xml sul terminale nel sistema Ubuntu.
      NOTA: "p4v" viene utilizzato per avviare P4VASP. Il file "vasprun.xml" deve trovarsi nella directory di lavoro.
    2. Selezionate il menu Eopzionele/Locale DOS-bande controllo e quindi Seleziona/Bande.
      1. Specificare i numeri atomici di NT nella sezione Atom selection. Ottenere il numero atomico puntando agli atomi corrispondenti usando vmd come indicato nel passaggio 1.1.4. Specificare il colore, il tipo e le dimensioni del simbolo per la struttura della banda proiettata tramite il menu Simbolo e Dimensione simbolo. Premere il menu Aggiungi nuova riga.
        NOTA: Il grafico mostrerà la struttura della banda con i contributi del NT.
      2. Ripetere la stessa procedura dopo il passaggio 3.3.2.1 per ottenere la banda proiettata con i contributi della NR.
    3. Selezionare il menu Grafico/Esporta. Esportare il grafico in un file in formato agr (ad esempio, come "11-4.agr").
      NOTA: i dati di output delle bande proiettate da P4VASP si trovano in tre colonne in cui la terza rappresenta la ponderazione.
  4. Utilizzare xmgrace per modificare la banda proiettata.
    1. Digitare xmgrace 11-4.agr sul terminale per avviare xmgrace nel sistema Ubuntu. Selezionare il menu Proprietà traccia/asse per modificare l'etichetta e l'intervallo dell'asse.
    2. Selezionare il menu Stampa/Imposta aspetto per leggere il valore energetico in corrispondenza del numero di banda e del punto k specificati.
      NOTA: il numero massimo della banda di valenza (VBM) e il minimo della banda di conduzione (CBM) di NR/NT possono essere letti dalla banda proiettata con contributi su NR/NT, rispettivamente. In base agli allineamenti delle bande, le eterostrutture possono essere classificate in tre tipi: tipo I (VBMNT NR NR ) , Tipo II (VBMNT NR NT NR o VBMNR NT NR NT) oppure il tipo III (VBMNT NT NR NR o VBMNR NR NT NT)9.
    3. Calcolare l'offset della banda di valenza (VBO), l'offset della banda di conduzione (CBO) e lo spazio della banda dopo Kang et al.16.
    4. Selezionare il menu File/Stampa per esportare il grafico con il formato eps.
  5. Calcolare la densità di carica decomposta a banda per VBM e CBM.
    1. Preparare uno script PBS "job.pbs" e sette file di input: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, CHGCAR e CHG. Specificare i numeri di banda per CBM e VBM dal tag IBAND in INCAR. Utilizzare il singolo punto k corrispondente per ogni bordo della banda.
      NOTA: i file CHGCAR, CHG e WAVECAR preconvergenti provengono dai calcoli statici auto-coerenti nel passaggio 2.2. Esempi di file di input per questo passaggio sono forniti nei Materiali supplementari (ad eccezione di POTCAR).
    2. Digitare qsub job.pbs sul terminale nel sistema Linux per inviare il processo.
    3. Utilizzare vmd per stampare il VBM e CBM nello spazio reale al termine del processo.
      1. Avviare una sessione vmd e caricare il file POSCAR come nel passaggio 1.1.4.
      2. Selezionare il menu File/Nuova molecola nella finestra principale vmd. Individuare il file PARCHG nella finestra Sfoglia. Caricare PARCHG digitando VASP_PARCHG.
      3. Selezionate i menu Disegna/Superficie solida e Mostra/Isosurface nella finestra Rappresentazioni grafiche. Modificare il valore isovalue in un valore appropriato (ad esempio, 0,02). Modificare il colore dell'isosuperficie tramite il menu Metodo colorazione.
        NOTA: si tratta di un'analisi intuitiva per i tipi di banda rispetto a quella del passaggio 3.4. In genere, la struttura atomica è disposta lontano dal contorno, altrimenti la densità di carica visualizzata non viene visualizzata in modo continuo. Per informazioni dettagliate, vedere la figura supplementare 1.

4. Modulare le proprietà elettroniche del nanocomposito (NT incapsulato all'interno di NR) da campi esterni.

  1. Aggiungere un campo elettrico trasversale al nanocomposito17.
    1. Preparare uno script PBS "job.pbs" e quattro file di input: INCAR, POSCAR, POTCAR e KPOINTS.
    2. Definire l'intensità del campo elettrico con il tag "EFIELD" in unità di eV / .
    3. Impostare LDIPOL - T. Specificare IDIPOL con un valore esatto (1, 2 o 3).
      NOTA: questi due tag vengono aggiunti per includere le correzioni del dipolo. Il campo elettrico verrà applicato lungo l'asse X, Y o z impostando il valore di IDIPOL su 1, 2 o 3.
    4. Eseguire i calcoli statici auto-coerenti e la struttura delle bande seguendo le sezioni 2 e 3 senza ottimizzazione strutturale.
      NOTA: Studi precedenti indicano che i campi elettrici su 5 V / s possono essere utilizzati per modificare lo spazio di banda di BN-NT e BN-NR senza deformare la struttura18,19.
  2. Aggiungere un ceppo di tensile longitudinale al nanocomposito.
    1. Modificare i parametri del reticolo lungo la direzione periodica per riflettere l'effetto di deformazione.
      NOTA: Ad esempio, il parametro del reticolo ottimizzato del nanocomposito lungo l'asse z è 2,5045. Se lungo la direzione di , il parametro del reticolo in POSCAR viene applicato l'1% di deformazione uniassiale, impostare il parametro del reticolo in POSCAR su 2,5045 x 1,01 x 2,529545.
    2. Rilassare la struttura modificata seguendo la sezione 1.
    3. Eseguire calcoli statici auto-coerenti e la struttura delle bande seguendo le sezioni 2 e 3.

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Risultati

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

Gli ZOzag BN-NRs incapsulati all'interno della poltrona BN-NT (11,11) sono stati scelti come esempi rappresentativi per un'eterostruttura 1DW. I parametri del reticolo sono stati presi da Sahin et al.20. Per comodità, gli NR a zig-zag sono abbreviati,n, dove n rappresenta i dimeri III-V lungo la larghezza14. L'energia di incapsulamento EL del punto 2.3 è stata utilizzata come stima approssimativa per la stabilità energetica del nanocomposito. I valori ...

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Discussione

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

I calcoli per le proprietà elettroniche nelle sezioni 2, 3 e 4 sarebbero simili tra i vari materiali su nanoscala. Il modello atomico iniziale nel passaggio 1 deve essere attentamente progettato per estrarre informazioni significative. Ad esempio, il fattore per la selezione del modello potrebbe essere la dimensione o la chiralità dei materiali. Inoltre, il modello atomico iniziale nel passaggio 1.1 dovrebbe essere ragionevolmente preparato per il rilassamento della struttura a basso costo. Prendendo come esempio il nano...

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Dichiarazioni

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

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato sostenuto dalla China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2017M612348), dalla Qingdao Postdoctoral Foundation (Grant n. 3002000-861805033070) e dal Young Talent Project presso l'Ocean University of China (Grant n. 3002000-861701013151). Gli autori ringraziano la signorina Ya Chong Li per aver preparato la narrazione.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Nanotube ModelerSviluppato dal Dr. Steffen WeberNanotubeModeler1.8http://www.jcrystal.com/products/wincnt/NanotubeModeler.exe
P4VASPOrest Dubayp4vasp 0.3.30Open source, disponibile all'indirizzo
www.p4vasp.at v2xsfSviluppato dal Dr. Jens Kunstmannv2xsfhttp://theory.chm.tu-dresden.de/~jk/software.html
softwareVASPFisica dei materiali computazionali, Dipartimento di Fisica, Università di Viennavasp.5.4.1https://www.vasp.at
Software VMDGruppo di biofisica teorica e computazionale, Università dell'Illinois a Urbana-Champaignvmd1.9.3https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd
xcrysdenDipartimento di chimica fisica e organica, Istituto Jozef StefanXCrySDen1.5.60http://www.xcrysden.org/
XmakemolSviluppato da M. P. Hodgesxmakemol5.16https://www.nongnu.org/xmakemol/XmakemolDownloads.html
Xmgrace softwareGrace Development Team sotto il coordinamento di Evgeny Stambulchikxmgrace5.1.25http://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/

Riferimenti

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