방법 논문

첫 번째 원리 계산을 사용하여 1차원 반 데르 발스 이종 구조의 프로브 유형 II 밴드 정렬

DOI:

10.3791/60180

⸱

2019년 10월 12일

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

이 논문에서

요약

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

비엔나 Ab initio 시뮬레이션 패키지에 의해 수행된 계산은 나노 스케일 재료의 본질적인 전자 특성을 식별하고 잠재적인 물 분할 광촉매를 예측하는 데 사용할 수 있습니다.

초록

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

밀도 기능 이론(DFT)을 기반으로 하는 전산 도구는 표적 응용 을 위해 정성적으로 새롭고 실험적으로 달성 가능한 나노 스케일 화합물을 탐색할 수 있게 합니다. 이론적 시뮬레이션은 기능성 재료의 본질적인 전자 특성에 대한 깊은 이해를 제공합니다. 이 프로토콜의 목적은 전산 해부에 의해 광촉매 후보를 검색하는 것입니다. 광촉매 응용 분야에는 적절한 밴드 갭, 레독스 전위에 대한 적절한 밴드 엣지 위치가 필요합니다. 하이브리드 기능은 이러한 특성의 정확한 값을 제공할 수 있지만 계산 비용이 많이 드는 반면, Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE) 기능 수준에서의 결과는 이를 통해 대역 구조 엔지니어링전략을 제안하는 데 효과적일 수 있습니다. 전장 및 인장 변형은 광촉매 성능을 향상시키는 것을 목표로합니다. 이를 설명하기 위해, 본 원고에서, DFT 기반 시뮬레이션 도구 VASP는 접지 상태에서 나노튜브및 나노리본의 조합으로 나노복합체의 대역 정렬을 조사하는데 사용된다. 흥분 상태에서 광생성된 구멍과 전자의 수명을 해결하려면 비열역학 계산이 필요합니다.

서론

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

깨끗하고 지속 가능한 에너지에 대한 전 세계적으로 수요는 유한 한 석유 자원에 대한 의존도를 줄이기 위해 유망한 재료에 대한 연구를 촉진했습니다. 시뮬레이션은 새로운 기능성 물질에 대한 검색을 가속화하는 실험보다 더 효율적이고 경제적입니다1. 이론적 관점에서 재료 설계2,3,4는 이제 전산 자원 및 이론 개발의 급속한 발전으로 인해 점점 더 인기가 있어 계산 시뮬레이션을 보다 안정적으로 만듭니다5 . 많은 코드에서 구현된 밀도 함수 이론(DFT) 계산은 더욱 견고해지고 재현 가능한 결과6.

비엔나 Ab initio 시뮬레이션 패키지 (VASP)7 분자 및 결정 특성을 예측하기위한 가장 유망한 DFT 코드 중 하나를 제시하고이 코드를 사용하는 40,000 개 이상의 연구가 출판되었습니다. 대부분의 작업은 밴드 간격 크기를 과소 평가하지만 밴드 정렬 및 밴드 오프셋의 필수 추세를 캡처 Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) 기능 수준8에서수행됩니다3. 이 프로토콜은 이 계산 도구를 사용하여 깨끗하고 재생 가능한 에너지를 위한 나노 스케일 재료의 밴드 엣지 프로파일 및 밴드갭을 조사하는 세부 사항을 설명하는 것을 목표로 합니다. VASP를 사용하는 더 많은 예제는 https://www.vasp.at 사용할 수 있습니다.

이 보고서는 광촉매 물 분할에서 유망한 응용 분야에 대한 유형 II 대역 정렬9를 가진 1차원(1D) vdW 이종 구조의 전산 스크리닝을제시한다4. 구체적으로, 나노튜브(NT) 내부에 캡슐화된 나노리본(NRs)은 실시예10으로조사된다. 비공유 상호 작용을 해결하기 위해 DFT-D3 방법을 사용하는 vdW 보정에는11이포함되어 있습니다. VASP에 의한 1.2단계, 2.2단계, 3.2단계, 3.2, 3.5.2 및 섹션 4의 DFT 계산은 CenTOS 시스템의 고성능 연구 컴퓨터에서 휴대용 배치 시스템(PBS) 스크립트를 사용하여 수행됩니다. PBS 스크립트의 예는 보충 자료에표시됩니다. 3.3 단계의 P4VASP 소프트웨어에 의한 데이터 후처리 및 3.4 단계의 xmgrace 소프트웨어에 의한 그림 플롯은 우분투 시스템의 로컬 컴퓨터(랩톱 또는 데스크톱)에서 수행됩니다.

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프로토콜

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

1. 원자 구조를 최적화합니다.

  1. VASP에 의한 구조 이완 계산을 위한 4개의 입력 파일(INCAR, POSCAR, POTCAR 및 KPOINTS)을 준비합니다.
    참고: 계산을 정의하는 INCAR 파일에 지정된 매개 변수가 있습니다. INCAR 파일의 "EDIFFG = 0.02" 선은 각 원자의 힘이 <0.02 eV/Å가 될 때까지 모든 원자가 완화된다는 것을 나타냅니다. POSCAR 파일에는 원자 형상 정보가 포함되어 있습니다. POSCAR 파일의 초기 격자 매개변수는 이론적3 또는 실험 참조12,13에서선택할 수 있습니다. KPOINTS 파일은 k 포인트 메시를 정의하고 POTCAR는 의사 전위 파일입니다. POSCAR에서 원자 유형의 순서는 POTCAR에서와 동일해야합니다. 구조 이완을 위한 입력 파일의 예는 보조 자료에 표시됩니다(VASP의 라이선스가 필요한 의사 전위 파일 제외).
    1. "POSCAR"에 대한 질화물 붕소 (BN) 나노 리본 (NR)의 초기 구조를 생성합니다.
      1. https://materialsproject.org BN 벌크 유닛에 대한 POSCAR 파일을 다운로드합니다.
      2. v2xsf를 사용하여 POSCAR 파일을 xcrysden에서 읽을 수 있는 xsf 형식의 파일로 변환합니다. "POSCAR.xsf.gz"를얻기 위해 우분투 시스템의 터미널에 v2xsf POSCAR를 입력합니다. 건지 POSCAR.xsf.gz를 입력하고 POSCAR.xsf 파일을 출력합니다.
      3. Xcrysden을 사용하여 BN 슈퍼셀을 빌드합니다.
        1. 우분투 시스템의 터미널에 xcrysden --xsf POSCAR.xsf를 입력합니다. 그려진 단위 수정/개수 메뉴를 선택하고 X 및 Y 방향에서 셀을 확장합니다.
        2. 메뉴 파일/XSF 구조 저장을 선택하여"supercell"이라는수퍼셀 구조를 내보냅니다.
          참고: 구조의 이름은 임의의 정의입니다.
      4. xmakemol을 사용하여 슈퍼셀을 엽니다. 우분투 시스템의 터미널에 xmakemol -f 슈퍼셀을 입력합니다. 메뉴 편집/표시를 선택합니다. 토글을 클릭하여 영역 내부의 원자를 삭제하고 NR을 원하는 너비와 키랄성으로 자른다.
    2. POSCAR에 대한 BN 나노튜브(NT)의 초기 구조를 생성한다. 다운로드 "나노 튜브 모델러" http://www.jcrystal.com/products. 윈도우 시스템에서 오픈 나노 튜브Modeler.exe. 메뉴를 선택하고 유형/B-N을 선택하고 키랄성을 지정합니다. 구조를 내보내려면 메뉴 파일/XYZ 저장 테이블을 선택합니다.
    3. NT 내부의 NR(1.1.1 단계로부터)을 캡슐화하여 나노복합체의 초기 구조를 생성한다(단계 1.1.2로부터).
      참고 : 캡슐화는 NR과 NT10,14,15의카르테시안 좌표를 조정하여 완료 할 수 있습니다.
    4. 계산 작업을 제출하기 전에 vmd 소프트웨어를 사용하여 원자구조를 확인합니다.
      1. 우분투 시스템의 터미널에 vmd를 입력합니다. 열린 vmd 메인 창에서 메뉴 파일/새 분자를 선택하고 찾아보기 창을 통해 POSCAR 파일을 찾습니다. VASP_POSCAR를입력하여 POSCAR로드 .
      2. 그래픽 표현/그리기 방법 창에서 다른 스타일로 구조를 표시합니다.
        참고: 예를 들어 CPK가 선택되면 각 원자(본드)는 구(스틱)로 표시됩니다. 설치 가이드와 vmd의 전체 튜토리얼은 http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd 사용할 수 있습니다.
  2. 컴퓨터 클러스터에 작업을 제출하려면 Linux 시스템의 터미널에 qsub job.pbs를 입력합니다.
    참고:"job.pbs"PBS 스크립트의 이름을 나타냅니다. PBS 스크립트의 이름은 임의의 정의입니다. PBS 스크립트와 함께 네 개의 입력 파일은 작업 디렉토리에 있어야 합니다. 명령 qsub job.pbs는 단계 2.2, 3.2, 3.5.2 및 섹션 4에서 사용됩니다. PBS 스크립트의 예는 보조 코딩 파일에서 찾을 수 있습니다. 제출된 작업이 완료된 후 "필요한 정확도에 도달하면 구조 에너지 최소화"가출력 로그의 끝에 나타나면 수렴된 결과를 얻을 수 있습니다. 생성된 CONTCAR 파일은 2.1단계, 3.1단계, 3.1단계, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4 및 섹션 4.2에서 입력 파일 POSCAR로 사용됩니다.

2. 캡슐화 에너지를 계산합니다.

  1. 타입 mkdir 나노복합체 리눅스 시스템의 단말에서 나노복합체, NR 및 NT에 대한 3개의 폴더를 생성하기 위해 분리된 나노리본 분리-나노튜브를 생성한다. 각 폴더의 에너지 계산을 위해 PBS 스크립트"job.pbs"및 4개의 입력 파일 INCAR, POSCAR, POTCAR 및 KPOINTS를 준비합니다.
    참고 : 입력 파일 POSCAR는 1 단계에서 편안한 구조와 CONTCAR라는 파일입니다. 입력 파일의 예는 보충 자료(POTCAR 제외)에 제공됩니다.
  2. 각 폴더로 이동하여 Linux 시스템의 터미널에서 qsub job.pbs를 입력합니다.
    참고: 제출된 세 개의 작업은 각각 나노복합체, 절연 NR 및 격리된 NT에 대해 정적 자기 일관된 에너지 계산을 수행합니다.
  3. 정적 자체 일관된 계산을 완료한 후 각 시스템에 대한 파일 OUTCAR에서 총 에너지를 추출합니다. 유형 grep "자유 에너지 TOTEN" ./nanocomposite/OUTCAR | 꼬리 -n 1, grep "자유 에너지 TOTEN"./절연 나노 리본/OUTCAR | 꼬리 -n 1,그리고 grep "자유 에너지 TOTEN" ./절연 나노 튜브/OUTCAR | 꼬리 -n 1. 표시된 세 값을 각각 ENT+NR,ENR및 ENT로정의합니다. 옹스트롬당 캡슐화 에너지 계산: EL = (ENT+NR - ENT-E NR)/L14,15.
    주: 각 시스템의 정기 방향은 Z축을 따라 있고 L은 Z축을 따라 단위 셀의 격자 상수입니다. 평면 웨이브 차단 에너지와 k 점 메시에 대한 에너지 종의존도의 테스트 계산이 필요합니다. 캡슐화 에너지는 나노복합체의 에너지 안정성에 대한 추정치로서 사용될 수 있다.

3. 밴드 구조에서 전자 적 특성을 추출합니다.

  1. 밴드 계산을 위해 INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, CHGCAR 및 CHG : 하나의 PBS 스크립트 "job.pbs"와 여섯 입력 파일을 준비합니다. INCAR에서 ICHARG = 11을 설정합니다.
    참고: 미리 컨버지드된 CHGCAR 및 CHG 파일은 2.2단계의 정적 자체 일관된 계산에서 나온 것입니다. 대역 분석은 PBE 수준에 있습니다. KPOINTS 파일의 k 포인트 샘플링이 선 모드에 있습니다. 이 단계에 대한 입력 파일의 예는 보충 자료(POTCAR 제외)에서 찾을 수 있습니다.
  2. 작업을 제출하는 리눅스 시스템의 터미널에 qsub job.pbs를 입력합니다.
  3. P4VASP를 사용하여 투영된 대역을 생성합니다.
    1. 우분투 시스템의 터미널에 p4v vasprun.xml을 입력하여"vasprun.xml"을로드합니다.
      참고 : "p4v"는 P4VASP를 시작하는 데 사용됩니다. 파일 "vasprun.xml" 작업 디렉토리에 있어야 합니다.
    2. 전자/로컬 DOS+밴드 컨트롤 메뉴를 선택한 다음 선택/밴드를 선택합니다.
      1. 섹션 원자 선택에서NT의 원자 번호를 지정합니다. 1.1.4단계에서 언급한 대로 vmd를 사용하여 해당 원자를 가리켜 원자 번호를 가져옵니다. 메뉴 기호 및 기호 크기를 통해 투영된 밴드 구조에 대한 기호의 색상, 유형 및 크기를지정합니다. 메뉴를 눌러 새 줄 추가.
        참고: 그래프는 NT의 기여와 함께 밴드 구조를 표시합니다.
      2. 3.3.2.1 단계 다음에 동일한 절차를 반복하여 NR의 기여로 투영된 밴드를 가져옵니다.
    3. 메뉴 그래프/내보내기를 선택합니다. agr 형식(예: "11-4.agr")을 가진 파일로 그래프를 내보냅니다.
      참고: P4VASP에 의한 투영 대역의 출력 데이터는 세 번째 열이 가중치를 나타내는 세 개의 열에 있습니다.
  4. xmgrace를 사용하여 투영된 밴드를 편집합니다.
    1. 우분투 시스템에서 xmgrace를 시작하려면 터미널에 xmgrace 11-4.agr을 입력합니다. 메뉴 플롯/축 속성을 선택하여 축의 레이블과 범위를 편집합니다.
    2. 지정된 밴드 번호 및 k 점에서 에너지 값을 읽으려면 메뉴 플롯/모양 설정을 선택합니다.
      참고: NR/NT의 원자대 대역 최대값(VBM) 및 전도 대역 최소(CBM)는 각각 NR/NT에 기여한 투영 대역에서 판독할 수 있습니다. 밴드 정렬에 따르면, 이종 구조는 유형 I (VBMNT & VBMNR & CBM NR &CBM NT 및 VBMNT &CBM NT & CBMNR)세 가지 유형으로 분류 될 수있다 유형 II (VBMNT & VBMNR NR 또는 VBMNR & VBMNT & CBMNT) 또는 유형 III (VBMNT & VBMNT & CBMNR NR 또는 VBMNR & VBMNR & CBMNT & CBMNT)9.
    3. 밸런스 밴드 오프셋(VBO), 전도 대역 오프셋(CBO) 및 강 외16에따른 대역 간격을 계산한다.
    4. 메뉴를 선택 파일/인쇄 eps 형식으로 그래프를 내보낼 수 있습니다.
  5. VBM 및 CBM에 대한 대역 분해 전하 밀도를 계산합니다.
    1. 하나의 PBS 스크립트를 준비 "job.pbs"및 일곱 입력 파일 : INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, CHGCAR, 및 CHG. INCAR의 태그 IBAND에 의해 CBM 및 VBM에 대한 밴드 번호를 지정합니다. 각 밴드 가장자리에 대해 단일 해당 k 점을 사용합니다.
      참고: 사전 컨버지드 CHGCAR, CHG 및 WAVECAR 파일은 2.2단계의 정적 자체 일관된 계산에서 나온 것입니다. 이 단계에 대한 입력 파일의 예는 보충 자료(POTCAR 제외)에 제공됩니다.
    2. 작업을 제출하는 리눅스 시스템의 터미널에 qsub job.pbs를 입력합니다.
    3. vmd를 사용하여 작업이 완료된 후 실제 공간에서 VBM 및 CBM을 플롯합니다.
      1. vmd 세션을 시작하고 1.1.4 단계에서와 같이 POSCAR 파일을 로드합니다.
      2. vmd 주 창에서 메뉴 파일/새 분자를 선택합니다. 찾아보기 창을 통해 PARCHG 파일을 찾습니다. VASP_PARCHG를 입력하여 PARCHG로드.
      3. 그래픽 표현 창에서 그리기/솔리드 서피스 및 표시/등표면 메뉴를 선택합니다. 아이소값을 적절한 값(예: 0.02)으로 변경합니다. 메뉴 색칠 방법을통해 등소표면의 색상을 변경합니다.
        참고: 3.4단계에서와 관련하여 밴드 유형에 대한 직관적인 분석입니다. 일반적으로, 원자 구조는 경계에서 멀리 배열되고, 그렇지 않으면 시각화된 전하 밀도는 연속적인 방식으로 도시되지 않는다. 자세한 내용은 추가 그림 1을 참조하십시오.

4. 외부 필드에 의해 나노 복합체 (NT 내부 캡슐화)의 전자 적 특성을 변조합니다.

  1. 나노 복합체17에횡방향 전기장을 추가합니다.
    1. PBS 스크립트"job.pbs"및 4개의 입력 파일(INCAR, POSCAR, POTCAR 및 KPOINTS)을 준비합니다.
    2. eV/Å 단위로"EFIELD"태그로 전기장의 강도를 정의합니다.
    3. LDIPOL 설정 = T. 정확한 값(1, 2 또는 3)으로 IDIPOL을 지정합니다.
      참고: 이 두 태그는 다이폴 수정을 포함하도록 추가됩니다. 전기장은 IDIPOL 값을 1, 2 또는 3으로 설정하여 X, Y 또는 Z 축을 따라 적용됩니다.
    4. 구조적 최적화 없이 단면 2및 3에 따라 정적 자체 일관된 계산 및 밴드 구조 계산을 수행합니다.
      참고: 이전 연구에 따르면 5V/Å 이상의 전기장을 사용하여 구조18,19를변형하지 않고 BN-NT 및 BN-NR의 밴드 간격을 수정할 수 있습니다.
  2. 나노 복합체에 세로 인장 변형을 추가합니다.
    1. 스트레인 효과를 반영하도록 주기적인 방향을 따라 격자 매개변수를 변경합니다.
      참고: 예를 들어, Z축을 따라 나노복합체의 최적화된 격자 파라미터는 2.5045 Å입니다. 1% 축 방향 인장 변형이 Z 방향을 따라 적용되는 경우 POSCAR의 격자 매개변수를 2.5045 x 1.01 = 2.529545 Å로 변경합니다.
    2. 섹션 1 다음에 수정된 구조를 완화합니다.
    3. 섹션 2 및 3에 따라 정적 자체 일관된 계산 및 밴드 구조 계산을 수행합니다.

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결과

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

지그재그 BN-NRs 내부에 캡슐화된 안락의자 BN-NTs(11,11)는 1D vdW 이종 구조에 대한 대표적인 예로 선택되었다. 격자 매개변수는 사힌 외20에서채취되었다. 편의를 위해 지그재그 N은 Zn으로축약되며 n은 너비14를따라 III-V 디머를 나타냅니다. 2.3단계로부터의 캡슐화 에너지 EL은 나노복합체의 에너지 안정성에 대한 대략적인 추정치로서 사용하였다. BN-NT(11,11) 내부에 캡슐화된Z2,Z3및Z4의 EL 값은 그림 1과같이 각각 -0.033 eV/Å, -0.068 eV/Å 및 -0.131 eV/Å였다. EL은 BN-NR 크기의 크기에 따라 다양하지만, 세 나노 복합체 는 모두 타입 II 밴...

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토론

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

섹션 2, 3 및 4의 전자 특성에 대한 계산은 다양한 나노 스케일 재료와 유사합니다. 1단계의 초기 원자 모델은 의미 있는 정보를 추출하도록 신중하게 설계되어야 합니다. 예를 들어 모델을 선택하는 요소는 재질의 크기 또는 키랄성일 수 있습니다. 또한 1.1단계의 초기 원자 모델은 저비용 구조 완화를 위해 합리적으로 준비되어야 합니다. 프로토콜에서 나노복합체를 예로 들면, NR은 NT 내부에 대칭적인 방식으로 캡슐화되어야 한다. 그렇지 않으면 VASP에 의해 최적화된 구조를 검색하는 데 시간이 많이 걸립니다.

전기장의 효과를 고려하기 위해 VASP22의주기적인 단위 셀에서 진공 부분의 중간에 인공 다이폴 시트가 추가됩니다. 진공 영역이 너무 넓어서는 안되며 전기장은 인공 필드방출(23)을피할 수 있을 만큼 약해야 합니다.

스트레인의 효과는 POS...

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공개 사항

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

저자는 공개 할 것이 없다.

감사의 글

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

이 작품은 중국 박사 후 과학 재단 (그랜트 번호 2017M612348), 칭다오 박사 후 재단 (그랜트 번호 3002000-861805033070) 및 중국 해양 대학의 젊은 인재 프로젝트 (그랜트 번호 3002000-86170101111)에서 지원되었다. 작가들은 내레이션을 준비해준 야종 리 양에게 감사를 표한다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
Nanotube ModelerDr. Steffen WeberNanotubeModeler1.8http://www.jcrystal.com/products/wincnt/NanotubeModeler.exe
OrestDubayp4vasp 0.3.30오픈 소스, www.p4vasp.at
v2xsf개발
http://theory.chm.tu-dresden.de/~jk/software.html VASP 소프트웨어비엔나 대학교 물리학과 전산 재료 물리학vasp.5.4.1https://www.vasp.at
VMD 소프트웨어이론 및 전산 생물 물리학 그룹, 일리노이 대학교 어바나 샴페인vmd1.9.3
https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd xcrysden물리 및 유기 화학과, Jozef Stefan InstituteXCrySDen1.5.60http://www.xcrysden.org/
XmakemolM. P. Hodgesxmakemol5.16https://www.nongnu.org/xmakemol/XmakemolDownloads.html
Xmgrace 소프트웨어Grace Development Team under coordinating of Evgeny Stambulchikxmgrace5.1.25http://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/

참고문헌

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