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Chemistry

第一原理計算を用いた1次元ヴァンデルワールヘテロ構造におけるプローブタイプIIバンドアライメント

Published: October 12, 2019 doi: 10.3791/60180

Summary

ウィーンAb initioシミュレーションパッケージによって行われた計算は、ナノスケール材料の本質的な電子特性を特定し、潜在的な水分割光触媒を予測するために使用することができます。

Abstract

密度関数理論(DFT)に基づく計算ツールは、対象となるアプリケーションに対して、質的に新しい実験的に達成可能なナノスケール化合物の探索を可能にします。理論シミュレーションは、機能材料の本質的な電子特性を深く理解します。このプロトコルの目的は、計算解剖によって光触媒候補を検索することです。光触媒アプリケーションは、適切なバンドギャップ、レドックス電位に対する適切なバンドエッジ位置を必要とします。ハイブリッド関数は、これらの特性の正確な値を提供することができますが、計算上高価ですが、Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)機能レベルでの結果は、バンド構造工学の戦略を提案するのに有効である可能性があります。電界および引張ひずみは光触媒性能を高めることを目指す。これを説明するために、本原稿では、DFTベースのシミュレーションツールVASPを用いて、地上状態におけるナノチューブとナノリボンの組み合わせにおけるナノコンポジットのバンドアライメントを調べている。励起状態で光生成された穴と電子の寿命に対処するためには、非アディアバットダイナミクス計算が必要です。

Introduction

クリーンで持続可能なエネルギーに対する世界的な需要は、有限の石油資源への依存を減らすための有望な材料の研究に拍車をかけています。シミュレーションは、新しい機能材料の探索を加速する実験よりも効率的で経済的です1.理論的な視点から見た材料設計2,3,4は、計算リソースと理論開発の急速な進歩により、計算シミュレーションの信頼性が高まっています5.多くのコードで実装された密度関数理論(DFT)計算は、より堅牢になり、還元可能な結果6.

ウィーンAb initioシミュレーションパッケージ(VASP)7は、分子および結晶性を予測するための最も有望なDFTコードの1つを提示し、このコードを利用して40,000以上の研究が公開されています。ほとんどの作業は、バンドギャップサイズを過小評価するPerdew-Burke-Ernzerhof(PBE)機能レベル8で行われますが、バンドアライメントとバンドオフセット3の本質的な傾向を捉えています。このプロトコルは、この計算ツールを使用して、クリーンで再生可能なエネルギーのためのナノスケール材料のバンドエッジプロファイルとバンドギャップを調査する詳細を概説することを目的としています。VASP を使用したその他の例については、https://www.vasp.atで入手できます。

本報告では、光触媒水分割4における有望な用途に対して、タイプIIバンドアライメント9を用いた1次元(1D)vdWヘテロ構造体の計算スクリーニングを提示する。具体的には、ナノチューブ(NT)内に封入されたナノリボン(NR)を例10として調べる。非共生相互作用に対処するために、DFT-D3 メソッドを使用した vdW 補正が11に含まれています。VASP によるステップ 1.2、2.2、3.2、3.5.2、およびセクション 4 の DFT 計算は、CenTOS システムの高性能リサーチ コンピュータによってポータブル バッチ システム (PBS) スクリプトを使用して実行されます。PBS スクリプトの例を補足資料に示します。ステップ3.3のP4VASPソフトウェアによるデータ後処理とステップ3.4のxmgraceソフトウェアによる図プロットは、Ubuntuシステムのローカルコンピュータ(ラップトップまたはデスクトップ)上で行われます。

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Protocol

1. 原子構造を最適化します。

  1. VASPによる構造緩和計算用の4つの入力ファイルを準備します:INCAR、POSCAR、POTCAR、KPOINTS。
    注: INCAR ファイルには、計算を定義する指定されたパラメーターがあります。INCAR ファイルの行 "EDIFFG = 0.02" は、各原子の力が <0.02 eV/Å になるまで、すべての原子が緩和されていることを示します。POSCAR ファイルには、アトミック ジオメトリ情報が含まれています。POSCARファイル内の初期格子パラメータは、理論3または実験参照12、13から選択することができます。KPOINTS ファイルは k ポイント メッシュを定義し、POTCAR は疑似ポテンシャル ファイルです。POSCAR の原子型の順序は、POTCAR の場合と同じである必要があります。構造緩和のための入力ファイルの例は、補足資料(VASP からのライセンスを必要とする疑似電位ファイルを除く) に示されています。
    1. 「POSCAR」の窒化ホウ素(BN)ナノリボン(NR)の初期構造を生成します。
      1. HTTPS://MATERIALSPROJECT.ORGから BN バルクユニットの POSCAR ファイルをダウンロードします。
      2. v2xsf を使用して、POSCAR ファイルを xcrysden で読み取ることができる xsf 形式のファイルに変換します。Ubuntu システムの端末にv2xsf POSCARと入力すると、"POSCAR.xsf.gz" を取得します。グンジップ POSCAR.xsf.gzと入力し、POSCAR.xsf ファイルを出力します。
      3. xcrysden を使用して BN スーパーセルを構築します。
        1. Ubuntu システムの端末にxcrysden --xsf POSCAR.xsfと入力します。[描画単位数]メニューを選択し、X 方向と Y 方向のセルを拡張します。
        2. スーパーセル」という名前のスーパーセル構造を書き出すには、メニューファイル/保存 XSF 構造体を選択します。
          注: 構造体の名前は任意の定義です。
      4. xmakemol を使用してスーパーセルを開きます。Ubuntuシステムの端末にxmakemol -fスーパーセルと入力します。メニューの編集/表示を選択します。[切り替え]をクリックして領域内の原子を削除し、NR を目的の幅とキラリティに切り取ります。
    2. POSCAR用BNナノチューブ(NT)の初期構造を生成する。http://www.jcrystal.com/productsから「ナノチューブモデラー」をダウンロードしてください。WindowsシステムでNanotubeModeler.exeを開きます。メニューを選択タイプ/B-Nを選択し、キラリティを指定します。構造を書き出すには、メニューファイル/保存 XYZ テーブルを選択します。
    3. NT内のNR(ステップ1.1.1から)をカプセル化してナノコンポジットの初期構造を生成します(ステップ1.1.2から)。
      注:カプセル化は、NRとNT10、14、15のデカルト座標を調整することによって終了することができます。
    4. vmd ソフトウェアを使用して、計算ジョブを送信する前にアトミック構造をチェックします。
      1. Ubuntu システムの端末にvmdと入力します。開いた vmd メイン ウィンドウで、メニューファイル/新分子を選択し、[参照]ウィンドウから POSCAR ファイルを検索します。VASP_POSCARと入力して POSCAR を読み込みます。
      2. [グラフィカルリプレゼンテーション/描画方法]ウィンドウで、構造を異なるスタイルで表示します。
        注: たとえば、CPK を選択すると、各原子 (ボンド) は球(スティック)で表されます。インストールガイドとvmdの完全なチュートリアルは、http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmdで利用可能です。
  2. Linux システムの端末でqsub job.pbsと入力して、ジョブをコンピュータ クラスタに送信します。
    注: "job.pbs" は PBS スクリプトの名前を表します。PBS スクリプトの名前は任意の定義です。4 つの入力ファイルと PBS スクリプトは、作業ディレクトリにする必要があります。コマンドqsub job.pbsは、ステップ 2.2、3.2、3.5.2、およびセクション 4 で使用されます。PBS スクリプトの例は、補足コーディング ファイルにあります。送信されたジョブが完了すると、出力ログの最後に「必要な精度に達した -構造エネルギー最小化の停止」が出力ログの最後に表示された場合、収束結果が得られます。結果として得られる CONTCAR ファイルは、ステップ 2.1、3.1、3.5.1、3.5.3.1、4.1.1、4.1.4、およびセクション 4.2 の入力ファイル POSCAR として使用されます。

2. カプセル化エネルギーを計算します。

  1. mkdirナノコンポジット絶縁ナノリボン絶縁ナノチューブをタイプし、Linuxシステムの端末上にナノコンポジット、NR、およびNTの3つのフォルダを作成します。各フォルダーのエネルギー計算用に、1 つの PBS スクリプト"job.pbs"と 4 つの入力ファイル INCAR、POSCAR、POTCAR、および KPOINT を準備します。
    注: 入力ファイル POSCAR は、ステップ 1 から緩和された構造を持つ CONTCAR という名前のファイルです。入力ファイルの例は補足資料(POTCARを除く)で示されています。
  2. 各フォルダに移動し、Linux システムの端末でqsub job.pbsと入力します。
    注: 提出された 3 つのジョブは、それぞれナノコンポジット、分離 NR、および分離された NT の静的自己一貫性のあるエネルギー計算を実行します。
  3. 静的な自己一貫性のある計算を終了した後、各システムのファイル OUTCAR から総エネルギーを抽出します。タイプgrep "フリーエネルギーTOTEN" ./ナノコンポジット/OUTCAR | テール -n 1,グレップ "フリーエネルギー TOTEN" ./絶縁ナノリボン/OUTCAR | テール -n 1,グレップ "フリーエネルギー TOTEN" ./絶縁ナノチューブ/OUTCAR |表示される 3 つの値をそれぞれ ENT+NR、ENR、および ENTとして定義します。オングストロームあたりのカプセル化エネルギーを計算する: EL = (ENT +NR - ENT -ENR)/L14,15.
    注: 各システムの周期方向は Z 軸に沿って、L は Z 軸に沿った単位セルのラティス定数です。平面波カットオフエネルギーとk点メッシュに対するエネルギー依存性のテスト計算が必要です。封入エネルギーは、ナノコンポジットのエネルギー安定性の推定値として使用することができる。

3. バンド構造から電子特性を抽出します。

  1. 1 つの PBS スクリプト"job.pbs"と 6 つの入力ファイルを準備します: インカー、POSCAR、POTCAR、KPOINTS、CHGCAR、および CHG をバンド計算用に準備します。INCARで ICHARG = 11を設定します。
    注: プリコンバージド CHGCAR ファイルと CHG ファイルは、ステップ 2.2 の静的自己一貫性のある計算から行われます。バンド解析は PBE レベルです。KPOINTS ファイルの k ポイント サンプリングはライン モードです。このステップの入力ファイルの例は、補足資料(POTCARを除く)にあります。
  2. Linux システムの端末にqsub job.pbsと入力して、ジョブを送信します。
  3. P4VASP を使用して投影バンドを生成します。
    1. Ubuntu システムの端末にp4v vasprun.xmlと入力して"vasprun.xml"を読み込みます。
      注: "p4v" は P4VASP を起動するために使用されます。ファイル "vasprun.xml" は作業ディレクトリにある必要があります。
    2. [電子/ローカル DOS+バンド]コントロールのメニューを選択し、[選択/バンド]を選択します。
      1. セクションAtom 選択で NT のアトミック番号を指定します。手順 1.1.4 で説明したように、vmd を使用して対応する原子を指して、原子番号を取得します。メニューのシンボルとシンボル サイズを使用して、投影されたバンド構造のシンボルの色、タイプ、およびサイズを指定します。メニューを押す新しい行を追加します。
        注: グラフには、NT からの寄与を含むバンド構造が表示されます。
      2. 手順 3.3.2.1 に続く同じ手順を繰り返して、NR からの貢献で投影されたバンドを取得します。
    3. メニューのグラフ/エクスポートを選択します。グラフを agr 形式のファイルにエクスポートします (たとえば、"11-4.agr" など)。
      注: P4VASP による投影バンドの出力データは、3 列目に 3 列に分かり、3 番目のバンドが重み付けを表します。
  4. xmgrace を使用して投影バンドを編集します。
    1. 端末にxmgrace 11-4.agrと入力すると、Ubuntuシステムでxmgraceを起動します。メニューの[プロット/軸]プロパティを選択して、軸のラベルと範囲を編集します。
    2. 指定したバンド番号と k ポイントのエネルギー値を読み取るには、メニューのプロット/セットの外観を選択します。
      注: NR/NT の価数帯域最大値(VBM)と伝導帯最小値(CBM)は、それぞれ NR/NT に寄与して投影されたバンドから読み取ることができます。バンドアライメントによれば、ヘテロ構造はタイプI(VBMNT NR NRまたは VBM NR または VBM NR または VBMNRおよび VBMNT NT NR)の 3 つのタイプに分類できます。タイプ II (VBM NT NR NRまたは VBMNRまたは VBM NR NR NT)またはタイプ III (VBMNT NT NR)NRまたは VBMNR NR NT NT)9.
    3. 価帯域オフセット (VBO)、伝導バンド オフセット (CBO)、および Kang et al.16に続くバンド ギャップを計算します。
    4. eps 形式でグラフを書き出すには、メニュー [ファイル/印刷]を選択します。
  5. VBM および CBM のバンド分解電荷密度を計算します。
    1. 1 つの PBS スクリプト"job.pbs"と 7 つの入力ファイルを準備します: INCAR、POSCAR、POTCAR、KPOINTS、WAVECAR、CHGCAR、および CHG. INCAR のタグ IBAND で CBM と VBM のバンド番号を指定します。各バンド エッジに対応する単一の k ポイントを使用します。
      注: プリコンバージドされた CHGCAR、CHG、および WAVECAR ファイルは、ステップ 2.2 の静的自己一貫性のある計算から行われます。このステップの入力ファイルの例は、補足資料(POTCARを除く)に示されています。
    2. Linux システムの端末にqsub job.pbsと入力して、ジョブを送信します。
    3. vmd を使用して、ジョブが完了した後に VBM と CBM を実空間にプロットします。
      1. vmd セッションを開始し、ステップ 1.1.4 のように POSCAR ファイルをロードします。
      2. vmd メイン ウィンドウでメニューファイル/新分子を選択します。[参照]ウィンドウから PARCHG ファイルを検索します。VASP_PARCHGと入力して PARCHG をロードします。
      3. [グラフィカルリプレゼンテーション]ウィンドウで、[描画/ソリッド サーフェス]と[表示]/[アイソサーフェス]のメニューを選択します。アイソ値を適切な値 (0.02 など) に変更します。メニューの着色方法を使用してアイソサーフェスの色を変更します。
        注: これは、ステップ 3.4 のバンド タイプに関する直感的な分析です。一般に、原子構造は境界から離れて配置され、そうでなければ可視化された電荷密度は連続的に示されない。詳しくは補足図1をご覧ください。

4. ナノコンポジット(NR内部に封入されたNT)の電子特性を外部フィールドで調節する。

  1. ナノコンポジット17に横方向電界を追加します。
    1. 1 つの PBS スクリプト"job.pbs"と 4 つの入力ファイル (INCAR、POSCAR、POTCAR、KPOINTS) を準備します。
    2. eV/Å単位で「EFIELD」というタグで電界の強度を定義します。
    3. LDIPOL = T. IDIPOL を正確な値 (1、2、または 3) で指定します。
      注: この 2 つのタグは、ダイポール補正を含むように追加されます。電界は、IDIPOL の値を 1、2、または 3 に設定することで、X 軸、Y 軸、または Z 軸に沿って適用されます。
    4. 構造最適化なしでセクション 2 と 3 に続く静的自己一貫性のある計算とバンド構造の計算を実行します。
      注:以前の研究では、5V/Åを超える電界が構造18、19を変形することなくBN-NTおよびBN-NRのバンドギャップを修正するために使用できることを示している。
  2. ナノコンポジットに縦引き引張りひずみを追加します。
    1. 歪み効果を反映するように、周期方向に沿ってラティス パラメータを変更します。
      注:例えば、Z軸に沿ったナノコンポジットの最適化された格子パラメータは2.5045 Åです。Z 方向に 1% の単軸引張ひずみが適用される場合は、POSCAR のラティス パラメータを 2.5045 x 1.01 = 2.529545 Å に変更します。
    2. セクション 1 に従って変更された構造を緩和します。
    3. セクション 2 および 3 に続く静的な自己一貫性のある計算とバンド構造の計算を実行します。

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Representative Results

アームチェアBN-NT(11,11)の内部にカプセル化されたジグザグBN-NRsは、1D vdWヘテロ構造の代表的な例として選ばれました。格子パラメータは、Sahin et al.20から採取した。便宜上、ジグザグの N は Znと省略され、n は幅 14 に沿って III-V ダイマーを表します。ステップ2.3からの封入エネルギーELは、ナノコンポジットのエネルギー安定性の大まかな推定値として用いた。BN-NT(11,11)内にカプセル化されたZ2、Z3、およびZ4のEL値は、図1に示すように、-0.033 eV/Å、-0.068 eV/Å、および-0.131 eV/Åであった。ELはBN-NRサイズの大きさで大きさによって異なりますが、3つのナノコンポジットはすべて、オールカーボンケース14よりも優れたタイプIIバンド構造(ステップ3.4から)を提示し、タイプIIは1つの適切なサイズのみでNRのために出現しました。NT 14 に挿入されます。

ステップ3.2からのナノコンポジットのバンド構造を、BN-NT(11,11)+Z4、図2に示す。VBM/CBM は、それぞれ NT/NR (ステップ 3.5 から) に配置されます。ずらされたバンドの位置合わせは軽い収穫のために有益であった。電荷伝達の主なメカニズムは次のとおりです:写真はXでZ4に電子と穴を生成し、次にZ4(k X)からNT(11,11)(kVBM、VBMのk点)に解離します。このナノコンポジット)を図4に示す。算出されたVBO(ステップ3.4.3から)は317meVであり、300K(KT〜30 meV)での熱エネルギーよりも大きく、かつ効果的に光生成キャリア10の再結合率を減少させる。

広いスペクトルを通して光の収穫を高めるために、横電界および縦断引張線の両方がBN-NT(11,11)+Z4に適用される。ステップ4からの真空レベルに対するバンドエッジの進化を図5に示します。このナノコンポジットでは、外部分野により0.95eV付近までの大幅なギャップ低減が認められています。さらに重要なのは、ずらされたバンドの位置合わせが10に保持されることです。これらの結果に基づいて、このような1Dシステムは、光触媒水素生成と安全なカプセル貯蔵21を統合することが期待される。光生成された電子はNRによって集めることができた。静電引力によって駆動され、陽子はNTを貫通して水素分子を生成する。生成された水素は、望ましくない逆反応や爆発を避けるためにナノチューブ内で完全に単離されます。

Figure 1
図1:ジグザグBNナノリボンZ2、Z3、およびZ4をBNナノチューブ内に封入(11,11)。 カプセル化エネルギー(EL)は、各構造の下にリストされている。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:BNナノチューブのバンド構造(11,11)+BNナノリボンZ4.ナノチューブとナノリボンからエネルギーバンドへの寄与は、それぞれ赤と青の球で表されます。左のインセットは、CBM および VBM 状態 (アイソ値 0.02 e/Å3)の電荷密度分布を示します。この数字は、王立化学会の許可を受けて、ゴングら10から適応された。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:写真はX点でBNナノリボンZ4に電子と穴を生成する。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:BNナノリボンZ4(k X)からBNナノチューブ(11,11)(kVBM、このナノコンポジットのVBMのk点)に孔が解離する。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:BNナノチューブ(11,11)及びBNナノリボンZ4の外界におけるバンドエッジ変調。(A)電界および(B)単軸引張ひずみ下の真空レベルに対するバンドエッジの進化。電界の負の方向は、下縁原子BからZ4の上縁原子Nまで示される。H+/H2の減少電位とO2/H2Oの酸化電位は、pH =0でそれぞれ-4.44 eVおよび-5.67 eVである。pH = 7 は、水の酸化還元電位 (pH x 0.059 eV) を -4.027 eV および -5.257 eV にそれぞれ青い破線でシフトします。このフィギュアは、王立化学会の許可を受けて、ゴングら10から再現されました。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 1
補足図1:(A)BNナノチューブの原子構造(11,11)+BNナノリボンZ4を境界から離れ、その対応する伝導バンド最小(B)から離れて配置した。(C)BNナノチューブ(11,11)及びBNナノリボンZ4の原子構造を1つの境界とそれに対応する伝導バンド最小(D)に整列させる。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

補足コーディングファイル:このファイルを表示するにはここをクリックしてください(右クリックしてダウンロードしてください)。

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Discussion

セクション2、3、および4の電子特性の計算は、様々なナノスケール材料間で同様であろう。手順 1 の最初のアトミック モデルは、意味のある情報を抽出するように慎重に設計する必要があります。たとえば、モデルを選択する要因としては、マテリアルのサイズやキラリティを指定できます。また、ステップ 1.1 の初期原子モデルは、低コストの構造緩和のために合理的に準備する必要があります。プロトコル内のナノコンポジットを例にとると、NRは対称的な方法でNT内部にカプセル化されるべきである。それ以外の場合は、VASP によって最適化された構造を検索するのに時間がかかります。

電界の効果を考慮して、VASP22の周期単位セルに真空部の中央に人工ダイポールシートを添加する。真空領域はあまりにも広く、電界は人工的なフィールド放出を避けるために十分に弱くする必要があります23.

ひずみの効果はPOSCARの格子パラメータを変更することによって単に実現することができるのに対し、ナノコンポジットでは状況はより複雑になります。NRおよびNTの弾性応答は互いに異なり得、同じ強度を受けている。これは不均衡な構造につながります。たとえば、単軸引張ひずみが周期的な方向に沿って適用される場合、この方向に沿って NT および NR の最適化された格子パラメータは、それぞれ初期の 1.8 Å から 2.0 Å、および 2.2 Å に変化します。モデリングには大きなスーパーセルが必要です:この場合、NTの少なくとも11個の単位セルとNRの10単位セル(11 x 2.0 Å = 10 x 2.2 Å = 22 Å)。

材料の地上状態の電子特性はVASPによって非常によく決定することができるが、励起状態に存在する光生成孔および電子の寿命に対処するために、非アディアバットダイナミクス計算24を行う方がよい。これは、長寿命キャリア4を持つ光触媒を設計するために重要です。

VASPが行う計算アプローチの役割は、新しい材料の発見と、実験活動を支援する潜在的な光触媒のスクリーニングに果たします。水分割におけるPBEレベルでのバンドアライメントは、定量的な実験作業ほど説得力がありません。レドックスポテンシャル、CBO、およびVBOに対するバンドエッジのより正確な値が必要です。それはヘイド・スクーゼリア・エルンツェルホフ(HSE)ハイブリッド機能25を使用するのが最善でしょうが、それはPBEよりも時間がかかります。それにもかかわらず、PBEレベルでの結果は、光触媒活性の増強のための戦略を示唆するために効率的であり得る。

VASPによる計算設計は、太陽電池材料、熱電材料、リチウム電池材料、ガス捕捉材料等の予測も可能にすることにも言及すべきである2。ハイスループット計算は、より良い材料予測と低い計算コスト26、27のための機械学習手順と組み合わされています。

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Disclosures

著者は何も開示していない。

Acknowledgments

この研究は、中国ポストドクター科学財団(助成金第2017M612348)、青島ポストドクター財団(助成金第3002000-861805033070)、中国海洋大学の若手人材プロジェクト(助成第3002000-86170101111)から支援されました。著者たちは、ナレーションの準備をしてくれたヤ・チョン・リーさんに感謝しています。

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/

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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).

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化学、問題152、1次元ファンデルワールヘテロ構造、タイプIIバンドアライメント、ナノリボン、ナノチューブ、第一原理計算、価帯域最大、伝導バンド最小
第一原理計算を用いた1次元ヴァンデルワールヘテロ構造におけるプローブタイプIIバンドアライメント
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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).

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