Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Sond typ II band anpassning i endimensionell van der Waals Heterostructures med hjälp av första-principer beräkningar

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

Beräkningar utförda av Wien AB initio simulerings paket kan användas för att identifiera de inneboende elektroniska egenskaperna hos nanoskalmaterial och förutsäga de potentiella vattendelningsfotokatalysatorer.

Abstract

Beräkningsverktyg baserade på densitet-funktionell teori (DFT) möjliggöra utforskning av de kvalitativt nya, experimentellt uppnåeliga nanoskala föreningar för en riktad tillämpning. Teoretiska simuleringar ger en djupgående förståelse för de inneboende elektroniska egenskaperna hos funktionella material. Målet med detta protokoll är att söka efter fotokatalysatorn kandidater av Computational dissektion. Fotokatalytiska tillämpningar kräver lämpliga band luckor, lämpliga band kant positioner i förhållande till redoxpotentialer. Hybrid funktionaler kan ge exakta värden för dessa egenskaper men är beräkningsmässigt dyra, medan resultaten vid Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) funktionell nivå kan vara effektiva för att föreslå strategier för band struktur teknik via elektriskt fält och dragkraft som syftar till att förbättra fotokatalytiska prestanda. För att illustrera detta, i det nuvarande manuskriptet, används det DFT-baserade simuleringsverktyget VASP för att undersöka band anpassningen av nanokompositer i kombinationer av Nanotuber och nanobanden i mark staten. För att hantera livslängden på photogenererade hål och elektroner i upphetsad tillstånd, nonadiabatic dynamik beräkningar behövs.

Introduction

Den globala efterfrågan på ren och hållbar energi har sporrade forskning för lovande material för att minska beroendet av ändliga Petroleum resurser. Simuleringarna är mer effektiva och ekonomiska än experiment för att påskynda sökandet efter nya funktionella material1. Material design ur ett teoretiskt perspektiv2,3,4 är nu mer och mer populärt på grund av snabba framsteg i beräkningsresurser och teoriutveckling, vilket gör beräknings simuleringar mer tillförlitlig5 . Densiteten funktionell teori (DFT) beräkningar som genomförts i många koder blir allt mer robust och ger reproducerbara resultat6.

Vienna AB initio Simulation Package (VASP)7 presenterar en av de mest lovande DFT-koderna för att förutsäga molekylära och kristallina egenskaper och mer än 40 000 studier som utnyttjar denna kod har publicerats. De flesta arbete utförs på Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) funktionell nivå8, som underskattar bandet gap storlekar, men fångar de viktigaste trenderna i band anpassning och band förskjutningar3. Detta protokoll syftar till att beskriva detaljerna för att undersöka band kantens profiler och bandgap av nanoskalmaterial för ren och förnybar energi med hjälp av detta beräkningsverktyg. Fler exempel med VASP finns på https://www.vasp.at.

Denna rapport presenterar den Computational screening av endimensionella (1d) VDW Halvledareheterostructures med typ II band anpassningar9 för en lovande tillämpning i Fotokatalytiskt vatten uppdelning4. Specifikt, nanobanden (NRS) inkapslade inuti kolnanorör (nts) undersöks som ett exempel10. För att adressera icke-kovalenta interaktioner ingår vdW-korrigeringar med DFT-D3-metoden11. DFT beräkningar i steg 1,2, 2,2, 3,2, 3.5.2, och avsnitt 4 av VASP utförs med hjälp av ett Portable batch system (PBS) skript av högpresterande forskning datorer i CenTOS-systemet. Ett exempel på ett PBS-skript visas i tilläggs materialen. Datan postprocessing vid den P4VASP mjukvaran i steg 3,3 och figurera intrig vid den xmgrace mjukvaran i steg 3,4 är bar på en lokal computern (laptop eller desktopen) i Ubuntu system.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. optimera atomstrukturen.

  1. Förbered fyra indatafiler för struktur avslappning beräkning av VASP: INCAR, POSCAR, POTCAR, och KPOINTS.
    ANMÄRKNINGAR: det finns angivna parametrar i INCAR-filen som definierar beräkningen. Raden "EDIFFG = 0,02" i INCAR-filen indikerar att alla atomer är avslappnade tills kraften på varje atom är < 0,02 eV/Å. POSCAR-filen innehåller information om atomär geometri. De initiala gitter parametrarna i poscar-filen kan väljas från teoretiska3 eller experimentella referenser12,13. Den KPOINTS filen definierar k punkt mesh och POTCAR är den pseudopotentialfil. Ordningen på Atom typer i POSCAR bör vara densamma som i POTCAR. Exempel på indatafiler för struktur avslappning visas i kompletterande material (förutom pseudopotentialfilen, som behöver en licens från VASP).
    1. Generera den initiala strukturen för bornitrid (BN) nanobanden (nr) för "poscar".
      1. Ladda ner POSCAR filen för BN bulk enhet från https://materialsproject.org.
      2. Använd v2xsf för att konvertera POSCAR-filen till en fil i XSF-format som kan läsas av xcrysden. Typ V2XSF poscar på terminalen i Ubuntu-systemet för att få "poscar. xsf. gz". Skriv gunzip POSCAR. xsf. gz och mata ut filen poscar. xsf.
      3. Använd xcrysden för att bygga BN Supercell.
        1. Typ xcrysden--xsf POSCAR. xsf på terminalen i Ubuntu-systemet. Välj menyn ändra/antal enheter dras och utvidga cellen i X och Y riktningar.
        2. Välj menyn fil/Spara XSF struktur för att exportera Supercell struktur, som heter "Supercell".
          Anmärkning: namnet på strukturen är en godtycklig definition.
      4. Använd xmakemol för att öppna supercellen. Typ xmakemol-f Supercell på terminalen i Ubuntu-systemet. Välj menyn Redigera/synlig. Klicka på Växla för att ta bort atomerna inne i regionen och skär nr till önskad bredd och chirality.
    2. Generera den initiala strukturen av BN nanotube (NT) för POSCAR. Ladda ner "Nanotubemodeler" från http://www.jcrystal.com/products. Öppna NanotubeModeler. exe i Windows-systemet. Välj menyn Välj typ/B-N och ange chirality. Välj Meny filen/spara XYZ-tabellen för att exportera strukturen.
    3. Generera den ursprungliga strukturen av nanokompositen genom att kapa NR (från steg 1.1.1) inuti NT (från steg 1.1.2).
      Obs: inkapsling kan slutföras genom att justera kartesiska koordinater för nr och NT10,14,15.
    4. Använd programvaran VMD för att kontrollera atomstrukturen innan du skickar beräkningsjobbet.
      1. Typ VMD på terminalen i Ubuntu-systemet. I det öppnade VMD-huvudfönstret väljer du Meny filen/den nya molekylen och hittar poscar-filen via bläddringsfönstret . Ladda POSCAR genom att skriva VASP_POSCAR.
      2. Visa strukturen i olika format i fönstret grafiska representationer/ritnings metod .
        Anmärkning: till exempel när CPK väljs representeras varje atom (Bond) av en sfär (pinne). Installationsguiden och fullständig handledning av VMD finns på http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
  2. Skriv qsub Job. PBS på terminalen i Linux-systemet för att skicka jobbet till datorklustret.
    Anm: "Job. PBS" representerar namnet på PBS-skriptet. Namnet på PBS-skriptet är en godtycklig definition. De fyra indatafilerna tillsammans med PBS-skriptet ska finnas i arbetskatalogen. Kommandot qsub Job. PBS kommer att användas i steg 2,2, 3,2, 3.5.2 och avsnitt 4. Ett exempel på ett PBS-skript finns i den kompletterande kodningsfilen. När det inlämnade jobbet är klart, om "nått krävs noggrannhet-stoppa strukturell energiminimering" visas i slutet av utdata loggen erhålls konvergerade resultatet. Den resulterande CONTCAR filen kommer att användas som indatafilen POSCAR i steg 2,1, 3,1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4, och avsnitt 4,2.

2. beräkna inkapslingen energi.

  1. Typ mkdir nanocomposite isolerad-nanoribbon isolerad-nanotube att skapa tre mappar för NANOCOMPOSITE, nr, och NT på en Terminal i ett Linux-system. Förbered ett PBS-skript "Job. PBS" och fyra INDATAFILER INCAR, POSCAR, POTCAR och kpoints för energi beräkningen i varje mapp.
    Obs: indatafilen POSCAR är den fil som heter CONTCAR med avslappnad struktur från steg 1. Exempel på indatafiler ges i kompletterande material (utom potcar).
  2. Gå till varje mapp och skriv qsub Job. PBS på terminalen i Linux-systemet.
    Obs: de tre inlämnade jobben kommer att utföra statisk självkonsekventa energiberäkningar för nanocomposite, isolerad NR, och isolerad NT, respektive.
  3. Extrahera den totala energin från filen OUTCAR för varje system efter avslutad statisk självkonsekventa beräkningar. Typ grep "fri energi Toten"./nanocomposite/OUTCAR | tail-n 1, grep "fri energi Toten"./isolated-nanoribbon/OUTCAR | tail-n 1, och grep "fri energi Toten"./isolated-nanotube/OUTCAR | tail-n 1. Definiera de tre värden som visas som ENT + nr, enrrespektive eNT. Beräkna inkapslingen energi per Ångström: eL = (eNT + nr -eNT -enr)/l14,15.
    ANMÄRKNINGAR: den periodiska riktningen i varje system är längs Z-axeln och L är gitter-konstanten för enhets cellen längs Z-axeln. Test beräkningar av energiberoendet på planet vågen cutoff energi och k punkt mesh behövs. Inkapslingen energin kan användas som en uppskattning för den energiska stabiliteten i nanokompositen.

3. extrahera de elektroniska egenskaperna från bandstrukturen.

  1. Förbered ett PBS-skript "Job. PBS" och sex indatafiler: INCAR, POSCAR, POTCAR, kpoints, CHGCAR och CHG för band beräkning. Ställ Icharg = 11 i InCar.
    Obs: de förkonvergerade CHGCAR-och CHG-filerna är från de statiska, självkonsekventa beräkningarna i steg 2,2. Band analysen är på PBE-nivå. K-punktsamplingen i KPOINTS-filen är i linje läge. Exempel på indatafiler för det här steget finns i kompletterande material (förutom potcar).
  2. Skriv qsub Job. PBS på terminalen i Linux-systemet för att skicka jobbet.
  3. Använd P4VASP för att generera det projicerade bandet.
    1. Ladda "vasprun. XML" genom att skriva P4v vasprun. XML på terminalen i Ubuntu-systemet.
      Anmärkning: "P4v" används för att starta P4VASP. Filen "vasprun. xml" bör vara i arbetskatalogen.
    2. Välj menyn elektronisk/lokal dos + band kontroll och välj sedan /band.
      1. Ange Atom numren för NT i avsnittet Atom- markering. Få atomnumret genom att peka på motsvarande atomer med VMD som nämns i steg 1.1.4. Ange färg, typ och storlek på symbolen för den projicerade bandstrukturen med hjälp av meny symbolen och symbol storleken. Tryck på MENU Lägg till ny rad.
        Notera: grafen kommer att Visa bandstrukturen med bidrag från NT.
      2. Upprepa samma procedur efter steg 3.3.2.1 för att få det projicerade bandet med bidrag från NR.
    3. Välj menyn graf/export. Exportera grafen till en fil med ett AGR-format (till exempel som "11 -4. AGR").
      Anmärkning: utdata från de projicerade banden av P4VASP är i tre kolumner där den tredje representerar viktningen.
  4. Använd xmgrace för att redigera det projicerade bandet.
    1. Skriv xmgrace 11 -4. AGR på terminalen för att starta xmgrace i Ubuntu-systemet. Välj Meny Egenskaper för tomt/axel för att redigera axelns etikett och område.
    2. Välj menyn Plot/set utseende att läsa energivärdet vid det angivna bandet nummer och k punkt.
      Anm.: värdet för Valence-bandmaximum (VBM) och överlednings band (CBM) för NR/NT kan läsas från det projicerade bandet med bidrag på NR/NT respektive. Enligt bandet Alignments, kan heterostrukturer indelas i tre typer: typ I (VBMnt < vbmnr < CBMnr < cbmNT eller VBMnr < VBMNT < CBMNT < CBMnr), typ II (VBMnt < vbmnr < CBMNT < cbmnr eller VBMnr < VBMNT < CBMnr < CBMNT), eller typ III (VBMNT < VBMNT < CBMNr <CBM nr eller vbmnr < VBM nr ≪ CBMNT < CBMNT)9.
    3. Beräkna Valence band offset (VBO), överledning band offset (CBO), och bandet Gap efter Kang et al.16.
    4. Välj Meny filen/Skriv ut för att exportera grafen med EPS-format.
  5. Beräkna bandet nedbrutet laddning densitet för VBM och CBM.
    1. Förbered ett PBS-skript "Job. PBS" och sju indatafiler: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, wavecar, CHGCAR och CHG. Ange band numren för CBM och VBM av TAGGEN IBAND i InCar. Använd den enda motsvarande k-punkten för varje band kant.
      Obs: de förkonvergerade CHGCAR-, CHG-och WAVECAR-filerna är från de statiska, självkonsekventa beräkningarna i steg 2,2. Exempel på indatafiler för detta steg ges i kompletterande material (utom potcar).
    2. Skriv qsub Job. PBS på terminalen i Linux-systemet för att skicka jobbet.
    3. Använd VMD för att rita upp VBM och CBM i verkligt utrymme när jobbet är klart.
      1. Starta en VMD-session och ladda POSCAR-filen som i steg 1.1.4.
      2. Välj Meny filen/den nya molekylen i huvudfönstret för VMD. Leta reda på PARCHG-filen via bläddringsfönstret . Ladda PARCHG genom att skriva VASP_PARCHG.
      3. Välj menyerna Rita/solid yta och Visa/Isosurface i fönstret grafiska representationer . Ändra isovalue till ett lämpligt värde (till exempel 0,02). Ändra färgen på isosurface genom meny färg metoden.
        Anmärkning: Detta är en intuitiv analys för bandtyper med avseende på det i steg 3,4. I allmänhet är den atomära strukturen arrangeras bort från gränsen, annars visualiserade laddning densitet inte visas på ett kontinuerligt sätt. Vänligen se kompletterande figur 1 för mer information.

4. modulera de elektroniska egenskaperna hos nanokompositen (NT inkapslat i NR) av externa fält.

  1. Tillsätt ett tvärgående elektriskt fält till nanokompositen17.
    1. Förbered ett PBS-skript "Job. PBS" och fyra indatafiler: INCAR, POSCAR, POTCAR och kpoints.
    2. Definiera styrkan i det elektriska fältet med taggen "Efield" i enheter av EV/Å.
    3. Ange LDIPOL = T. Ange IDIPOL med ett exakt värde (1, 2 eller 3).
      Obs: dessa två Taggar läggs till inkludera dipol korrigeringar. Det elektriska fältet kommer att appliceras längs X-, Y-eller Z-axeln genom att ange värdet för IDIPOL till 1, 2 eller 3.
    4. Utför de statiska självkonsekventa beräkningarna och band struktur beräkningarna enligt avsnitten 2 och 3 utan strukturell optimering.
      Anmärkning: tidigare studier indikerar att elektriska fält över 5 V/Å kan användas för att modifiera bandgapet för BN-NT och BN-nr utan att deformeras i strukturen18,19.
  2. Tillsätt en längsgående drag stam till nanokompositen.
    1. Ändra gallret parametrarna längs tidskriften riktning för att återspegla den påfrestning effekt.
      Notera: till exempel är den optimerade gitter-parametern för nanokompositen längs Z-axeln 2,5045 Å. Om 1% enaxlig drag stam appliceras längs Z-riktningen, ändra gitter parametern i POSCAR till 2,5045 x 1,01 = 2,529545 Å.
    2. Slappna av den modifierade strukturen enligt avsnitt 1.
    3. Utföra statiska, självkonsekventa beräkningar och band struktur beräkningar enligt avsnitten 2 och 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ZigZag BN-NRs inkapslade inuti fåtöljen BN-NTs (11, 11) valdes som representativa exempel för en 1D vdW heterostructure. Gallret parametrarna togs från Sahin et al.20. För enkelhetens skull är sicksack NRS förkortat Zn, där n representerar III-V-dimererna längs bredden14. Inkapslingen energi EL från steg 2,3 användes som en grov uppskattning för den energiska stabiliteten i nanokompositen. EL -värdena för z2, z3och z4 inkapslade i BN-NT (11, 11) var-0,033 EV/å,-0,068 EV/å, och-0,131 EV/å, respektive10, som visas i figur 1. Även om EL varierade med en storleksordning med BN-nr storlek, alla tre nanokompositer presenterade typ II band strukturer (från steg 3,4) överlägsen all-Carbon fall14, där typ II endast dök upp för nr med endast en lämplig storlek infogas i NT14.

Nanokompositbandets band struktur från steg 3,2, BN-NT (11, 11) + Z4visas i figur 2. VBM/CBM lokaliserar vid NT/NR (från steg 3,5) respektive. Den staggerade band anpassningen var fördelaktigt för lätt skörd. Den viktigaste mekanismen för laddning överföring är följande: bilden genererar elektroner och ett hål i Z4 vid X-punkten, som visas i figur 3, och sedan hålet separerar från Z4 (kX) till NT (11, 11) (kVBM, k-punkten i VBM för Denna nanokomposit), som visas i figur 4. Den beräknade VBO (från steg 3.4.3) är 317 meV, större än den termiska energin på 300 K (KT ~ 30 meV), och effektivt minskar återkombinationshastigheten av de photogenerated bärare10.

För att förbättra ljus skörden genom ett brett spektrum, tillämpas både tvärgående elektriska fält och längsgående drag stammar på BN-NT (11, 11) + Z4. Utvecklingen av band kanterna i förhållande till vakuumnivån från steg 4 visas i figur 5. En betydande gap minskning upp till nära 0,95 eV observeras i denna nanocomposite av externa fält. Ännu viktigare är att den staggerade band anpassningen bevaras10. Baserat på dessa resultat förväntas ett sådant 1D-system integrera fotokatalytisk vätegenerering och säker kapsel lagring21. De fotogenererade elektronerna kunde samlas in av NR. Drivs av elektrostatisk attraktion, protoner tränga igenom NT för att generera en vätemolekyl. Det producerade vätgasen är helt isolerat inom nanoröret för att undvika oönskad reverserad reaktion eller explosion.

Figure 1
Figur 1: sicksack BN nanobanden Z2, z3och z4 inkapslade i en BN nanotube (11, 11). Inkapslingen energi (EL) är listad under varje struktur. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: band struktur BN nanotube (11, 11) + BN nanoribbon Z4. Bidragen från nanotube och nanoribbon till energi banden är representerade i rött och blått klot, respektive. De vänstra inuppsättningarna visar ladddensitetsfördelningarna för CBM-och VBM-tillstånden (isovalue 0,02 e/Å3). Denna siffra anpassades från Gong et al.10 med tillstånd från Royal Society of Chemistry. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: bilden genererar elektroner och ett hål i BN nanoribbon Z4 vid X-punkten. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: hålet separerar från BN nanoribbon Z4 (kX) till BN nanotube (11, 11) (kVBM, k-punkten för VBM för denna nanokomposit). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: band kantmodulering av BN nanotube (11, 11) och BN nanoribbon Z4 av externa fält. Evolution av band kanter i förhållande till vakuumnivån under (a) ett elektriskt fält och (B) enaxiell drag stam. Negationriktningen av elektriskt sätter in markeras från den lägre Kanta Atomen B till övrekantatomen N av Z4. Reduktions potentialen för H+/h2 och oxidations potentialen för o2/H2o är-4,44 EV och-5,67 EV vid pH = 0, respektive. PH = 7 skiftar vattnets redox potentialer (med pH x 0,059 eV) till-4,027 eV och-5,257 eV, respektive, visas som blå streckade linjer. Denna siffra reproducerades från Gong et al.10 med tillstånd från Royal Society of Chemistry. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Supplemental Figure 1
Kompletterande figur 1: (a) ATOMÄR struktur för en BN nanotube (11, 11) + BN Nanoribbon Z4 arrangerade bort från gränsen och dess motsvarande lednings band minimum (B). Catomstruktur av en BN nanotube 11, 11 och BN nanoribbon Z4 i linje med en gräns och dess motsvarande lednings band minimum D. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande kodning fil: vänligen klicka här för att se denna fil (Högerklicka för att ladda ner).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Beräkningarna för elektroniska egenskaper i avsnitten 2, 3 och 4 skulle vara likartade bland olika nanoskalmaterial. Den ursprungliga atomiska modellen i steg 1 bör utformas noggrant för att extrahera meningsfull information. Till exempel kan faktorn för att välja modellen vara storleken eller kiralitet av materialen. Dessutom bör den ursprungliga atomiska modellen i steg 1,1 vara rimligt förberedd för låg kostnad struktur avslappning. Med nanokompositen i protokollet som ett exempel bör NR kapslas in inuti NT på ett symmetriskt sätt. Annars blir det tidskrävande att söka den optimerade strukturen av VASP.

För att ta hänsyn till effekten av ett elektriskt fält tillsätts en konstgjord dipolplåt i mitten av vakuum delen i den periodiska enhets cellen i VASP22. Vakuum regionen bör inte vara för bred och det elektriska fältet bör vara tillräckligt svagt för att undvika konstgjorda fält utsläpp23.

Medan effekten av stammen kan helt enkelt realiseras genom att ändra gitter parametern i POSCAR, i nanocomposite situationen skulle vara mer komplicerad. De elastiska svaren från NR och NT kan skilja sig från varandra, som genomgår samma styrka. Detta kommer att leda till en oproportionerlig struktur. Till exempel, när den enaxiella drag stammen appliceras längs tidskriften riktning, den optimerade gitter parametern för NT och NR längs denna riktning ändras från en initial 1,8 Å till 2,0 Å, och 2,2 Å, respektive. Stora superceller krävs för modellering: minst 11 enhets celler av NT och 10 enhets celler i NR i detta fall (11 x 2,0 Å = 10 x 2,2 Å = 22 Å).

Medan Ground State elektroniska egenskaper av material kan bestämmas av VASP ganska bra, att ta itu med livslängden på photogenerated hål och elektroner som finns i en upphetsad tillstånd, är det bättre att utföra nonadiabatic dynamik beräkning24. Detta är viktigt att designa photocatalysts med lång livstid bärare4.

Den roll som den Computational tillvägagångssätt som utförs av VASP spelar i upptäckten av nya material och screening för potentiella photocatalysts att bistå experimentella insatser. Band justeringen på PBE-nivån i vatten delning är inte lika övertygande som kvantitativt experimentellt arbete. Mer exakta värden för band kanterna i förhållande till redoxpotentialer, CBO och VBO behövs. Det skulle vara bäst att använda Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) hybrid funktionella25, men det är mer tidskrävande än PBE. Ändå kan resultaten på PBE-nivån vara effektiva för att föreslå strategier för förbättring av fotokatalytisk aktivitet.

Det bör nämnas att den Computational design av VASP också kommer att möjliggöra förutsägelse av solcellsmaterial, termoelektriska material, litiumbatteri material, gas fångst material, etc.2. Beräkningar med högt dataflöde har kombinerats med maskininlärnings procedurerna för bättre material förutsägelse och lägre beräknings kostnad26,27.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes från China Postdoktorands stiftelse (Grant No. 2017M612348), Qingdao postdoktorala stiftelse (Grant nr 3002000-861805033070) och från Young Talent Project vid Ocean University of China (Grant No. 3002000-861701013151). Författarna tackar Miss ya Chong Li för att förbereda berättelsen.

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

Kemi endimensionell van der Waals heterostructures typ II band anpassning nanoribbon nanotube första principer beräkningar Valence band maximum lednings band minimum
Sond typ II band anpassning i endimensionell van der Waals Heterostructures med hjälp av första-principer beräkningar
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