Probe type II band uitlijning in eendimensionale van der Waals Heterostructuren met behulp van berekeningen van de eerste principes

Dit protocol rapporteert een computationele screening van foto katalysator met type twee band uitlijning door de eerste principes Softwire enorme expressieve Calais, boor nitriet nanoribbons ingekapseld in nanobuisjes. En het nemen van andere voorbeelden. Stap één, optimaliseer de atoomstructuur.

Bereid je voor op invoerbestanden voor de berekening van de structuurontspanning door grote, INCAR, POSCAR, POTCAR en KPOINTS. Er zijn opgegeven parameters in het bestand INCAR die de berekening definiëren. De lijn in het bestand INCAR ingesloten door blauwe doos, in het geval dat alle atomen worden ontspannen totdat de kracht op elk atoom is minder dan 0,028 per atoom.

Het bestand POSCAR bevat de informatie over de atomaire geometrie. De initiële roosterparameters in het bestand, POSCAR kan worden gekozen uit de radicale of experimentele verwijzingen. Zoals aangegeven door oranje doos.

KPOINTS definieert een KPOINT mesh en POSCAR is nog steeds het potentiële bestand genereert de initiële structuur van boor nitrieten nanoribbon voor POSCAR. Download poscar voor boor nitrites box unit van de website van The Materials Project. Ze gebruikten V2SXF om POSCAR om te zetten naar een bestand met SXF-indeling.

Het SXF-bestand kan de juiste expressie zijn. Typ V2SXF POSCAR op nee in band twee systeem. En output POSCAR SXFGZ tab gunzi POSCAR, delta SXF-GZ.

En output POSCAR SXF. We gebruiken xcrysden om supercel boornitriet te bouwen. Type xcrysden-sxf POSCAR.Xsf.

Selecteer het menu, wijzig het aantal getekende ziekte en breid de stijl uit in de richting X en Y. Selecteer het menu, bestand. Sla XSF-structuur op om de supercelstructuur te exporteren.

Gebruik xmakemol om de supercel te openen door xmakemol-f supercell te typen. Selecteer het menu en voeg het zichtbaar toe. Klik om te schakelen om de atomen in de variërend en cast nanoribbon met de gewenste breedte en chiraliteit vertraging.

Boor nitrites nanobuis kan worden gebouwd door nanotube modeler, open nanotube modeler EXC in Window systeem. Selecteer het menu en selecteer type B-N. En geef de chiraliteit op.

Selecteer het menu, bestand, sla XYZ-tabel op om deze structuur te exporteren. Gebruik VMD Southwire om de atoomstructuur te controleren voordat u begint met het maken van de berekeningstaak. Typ VMD op het interne VMD-systeem.

In het geopende VMD hoofdvenster. Selecteer het menu, bestand, molecuul en vind de POSCAR via het bladervenster. Laad POSCAR op het type MAGE en de score POSCAR.

Geef de structuur met verschillende stijlen weer in het venster tekenmethoden voor grafische voorstellingen. Kies bijvoorbeeld CPK. Elk atoom wordt vertegenwoordigd door een bol en elke band wordt vertegenwoordigd door een staak.

Typ qsub-taak. pbs om de taak aan de computer voor te leggen. Klasse naar een script van draagbare batchsystemen.

Dit is een voorbeeld van het script dat job.pbs noemde. Nadat de taak is voltooid, als de verhouding vereist nauwkeurigheid stoppen structuur energie minimalisering verschijnt aan het einde van de output lock. Het convergerende resultaat is een pend.

De resulterende POSCAR zal worden gebruikt als een invoerbestand POSCAR voor de volgende berekeningen. Voor het analyseren van elektronische eigenschappen van materialen. Stap twee.

Bereken de inkapselingsenergie. Type mkdir nanocomposiet geïsoleerd-nanoribbon geïsoleerd-nanobuis om qsub mappen te maken voor nanocomposiet, nanoribbon en nanobuis intern in Linux-systeem. Bereid een PBS script, taak.

pbs en vier invoerbestanden INCAR, POSCAR, POTCAR en KPOINTS. Voor energie, berekening in elke map. Het invoerbestand POSCAR op dezelfde manier dat de structuur ontspant en car-formulieren telt.

Ga naar elke map en typ qsub-taak. pbs op interne Linux-systeem. De reeks van gedekte banen zal de statische zelfconslevere energieberekeningen van nanocomposieten uitvoeren, isoleert nanoribbon, isoleert respectievelijk nanobuis.

Volg vervolgens de totale energie van het bestand OUTCAR voor elk systeem back-up opdracht. Na het beëindigen van de statische zelfconsconstische berekeningen berekent u vervolgens de inkapselingsenergie zoals weergegeven in deze formule. De periodieke interactie van de nanocomposiet is toestaan Z-as en L is het roosterconstante van de eenheidscel, langs Z.De inkapselingsenergie kan worden gebruikt als een schatting voor de energetische stabiliteit van nanocomposiet.

Stap drie, haal de elektronische eigenschappen uit de bandstructuur. Bereid een PBS, script taak. pbs en de zes invoerbestanden.

INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, CHGCAR en CHG. Voor band-berekeningen, zei ICHARG is gelijk aan 11 in INCAR. De pre-conversie CHGCAR en CHG-bestanden zijn van statische zelfconsseidige berekeningen.

De KPOINT-sampling in KPOINTS bevindt zich in lijnmodus. Typ qsub-taak. pbs op interne Linux-systeem om de taak in te dienen.

Gebruik p4vasprun om de geprojecteerde band te genereren. Laad vasprun. xml door p4v vasprun te typen.

xml op terminal. Selecteer het menu, elektronische lokale DOS bands. Controle en selecteer vervolgens banden.

Geef de atoomnummers van nanobuis op in de selectie van labelatomen. Krijg het atoomnummer door te wijzen naar de overeenkomstige atomen met behulp van VMD. Geef de kleur, het type en de grootte van het symbool op voor de geprojecteerde bandstructuur.

Die menu's symbool en het symbool grootte. Druk op het menu, voeg nieuwe regel toe. De grafiek toont de bandstructuur met de bijdragen van nanobuis.

Herhaal dan dezelfde procedure om geprojecteerde band te verzamelen met bijdragen van nanoribbon. Selecteer de optie menugrafiek exporteren. Exporteer de grafiek in het bestand met agr-indeling.

Bijvoorbeeld, opgeslagen als 11-4.agr. Gebruik XM-cijfers om de geprojecteerde banden te identificeren. Type xmgrace11-4.

agr op terminal om xmgrace te starten in menusysteem. Selecteer het menu, plot toegangseigenschappen om het label en het bereik van de assen te identificeren. Selecteer de handmatige plotsetweergave om de energiewaarde als opgegeven bandnummer en sleutelpunt te lezen.

Release band maximum en de geleiding band minimum van nanobuis of nanoribbon kan worden recht van de geprojecteerde band met de bijdragen van nanobuis of nanoribbons respectievelijk. Bereken vervolgens de valence band offset, geleiding band offset en de band gap. Selecteer het menu, bestand, wijs de grafiek te exporteren met APS-indelingen.

Bereken de band ontleden om de dichtheid voor VBM en CBM op te laden. Bereid een pbs, script baan. pbs en zeven invoerbestanden, INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, CHGCAR en CHG.

Geef de bandnummers op voor CBM en VBM. Typ dan IBAND in INCAR. Gebruik de bijbehorende KPOINT voor elke bandrand.

Het punt convergeert CHGCAR, CHG. En de WAVECAR bestanden, zijn van statische zelfconsconscentente berekeningen. Typ qsub-taak.

pbs op interne Linux-systeem om de taak in te dienen. Gebruik VMD om VBM en CBM in de echte ruimte in te plotten nadat de klus is geklaard. Start een VMD-sessie en laad POSCAR.

Selecteer het menu, bestand, nieuw molecuul in het hoofdvenster van VMD. Zoek het PARCHG via het bladervenster. Laad de PARCHG op het type, druk op en scoor PARCHG.

Selecteer het menu, teken een vast oppervlak en toon een solide oppervlak in het grafische weergavevenster. Wijzig de ISO-waarde in een geschikte waarde, bijvoorbeeld 0,02. Wijzig de kleur van het ISO-oppervlak via de menukleurmethode.

Stap vier, moduleer de elektronische eigenschappen van de nanocomposiet door externe velden. Voeg een transversale elektrische veld toe aan de nanocomposiet. Bereid een PBS, script taak.

pbs en de vier invoerbestanden, INCAR, POSCAR, POTCAR en KPOINTS. Definieer de sterkte van het elektrische veld door de tag e-field in eenheden van eV Astrum. Set LDIPOL is gelijk aan T, set IDIPOL is gelijk aan 2.

En het elektrische veld zal worden toegepast toestaan Y-as. Voer statische zelfconsconstische berekeningen en bandstructuurberekeningen uit, na stap twee en drie zonder structuuroptimalisatie. Voeg een lengtetest van sterkte toe aan de nanocomposiet, keten de roosterparameter langs de periodieke richting om het snaareffect te overwegen.

Bijvoorbeeld, om het rooster parameter van nanocomposiet langs de as te optimaliseren is 2.5045 Astrum Als toegepast 1%en de axiale treksterkte langs de Z door middel van actie. Wijzig de roosterparameter in POSCAR in 2,529545 Astrum. Ontspan de structuur wijzigen na stap één, voer statische zelfconsseinen en bandbreedteberekeningen uit, na stap twee en drie.

Representatieve resultaten. De inkapselingsenergie kan worden gebruikt als een ruwe schatting voor de energetische stabiliteit van de nanocomposiet. De inkapseling energie van boornitriet nanoribbons, een 2, een 3, en een 4 ingekapseld in de boor nitriet nanobuis 11, 11 zijn 0,033 eV Astrum, 0,068 eV Astrum en 0131 eV Astrum respectievelijk.

Hoewel de inkapseling energie varieert door een orde van grootte met de nanoribbon grootte, alle drie nanocomposieten aanwezig type twee band uitlijning. Dit is een bandstructuur van boornitriet en nanoribbons, een vier ingekapseld in de boornitriet nanobuis, 11, 11. Valence band maximum en de geleiding band minimum gelegen op nanobuis en nanoribbon respectievelijk.

De gespreide band uitlijning is gunstig voor lichtstromen aan het belangrijkste mechanisme van lading vervoer is als volgt. De foto genereert elektrische ad romp in nanoribbons op de X punt. Dan scheidt het geheel van nanoribbons tot nanobuis.

De berekende valence band offset is 317 micro eV. Het is groter dan de thermische energie op 300 Kelvins, dat is ongeveer 13 micro-eV. Dit vermindert effectief de recombinatie snelheid van foto-gegenereerde dragers.

Om de lichtoogst door een breed spectrum te verbeteren, worden dit elektrische veld en de lengtegetrokken treksterkte toegepast op boornitrietnlinten, een vier ingekapseld in de boornitriet nanobuis, 11, 11. Dit is de evolutie van bandranden ten opzichte van het vacuümniveau en reageert op geen veld. Een aanzienlijke gap reductie tot bijna 0,95 eV wordt waargenomen in deze nanocomposiet door beide externe velden.

Wat nog belangrijker is, wordt de gespreide banduitlijning behouden tegen diffuus. De redox potentials van water worden gekenmerkt door de blauwe stippellijnen. De bandranden zijn relatief ten opzichte van de redox potentialen geven aan dat een dergelijke nanocomposiet kan veelbelovend zijn voor het splitsen van water. Conclusie.

Het is snel en efficiënt om een computationele screening benadering te gebruiken om laagdimensionale materialen te ontdekken die eigenschappen bezitten die geschikt zijn voor solo watersplitsing. Zo'n eendimensionaal systeem kan voorstellen om een foto-katalated waterstof generatie en veilige capsule stijl te bereiken te integreren. De foto-gegenereerde elektronen kunnen worden verzameld door nanoribbon, protonen dringen door de nanobuis om waterstofmolecuul te genereren die wordt vergezeld door elektrostatische aantrekkingskracht.

De geproduceerde waterstof is volledig geïsoleerd in de nanobuis om ongewenste omgekeerde reactie of explosie te voorkomen. De eerste principes berekeningen zal onderschatten de kloof status met behulp van de PPE functioneel. Maar ze kunnen de essentiële trends in band alignment en band offsets vastleggen.

Meer nauwkeurige waarden van valence band offset, geleiding band offset en de band kloof nodig zijn in vergelijking met experimenteel werk, functioneel werken zou eerder worden gebruikt, die tijdrovend zal zijn dan PPE functie. Naast het aanpakken van de levensduur van foto gegenereerde rompen en elektrische in statische staten nano diabetici ontkennen me een aantal berekeningen die nodig zijn. Dit is belangrijk om foto-katalysatoren te ontwerpen met een lange levensduur carrière.