Wyrównanie pasma sondy typu II w jednowymiarowych heterostrukturach van der Waalsa przy użyciu obliczeń opartych na pierwszych zasadach
12 października 2019
Obliczenia wykonane przez wiedeński pakiet symulacyjny Ab initio mogą być wykorzystane do identyfikacji wewnętrznych właściwości elektronicznych materiałów w nanoskali i przewidywania potencjalnych fotokatalizatorów rozszczepiających wodę.
Protokół ten informuje o obliczeniowym badaniu przesiewowym fotokatalizatora z wyrównaniem wiązań typu drugiego według pierwszych zasad Softwire ogromne wyraziste Calais, nanowstążki azotynu boru zamknięte w nanorurkach. I biorąc inne przykłady. Krok pierwszy, zoptymalizuj strukturę atomową.
Przygotuj pliki wejściowe do obliczeń relaksacji struktury za pomocą vast, INCAR, POSCAR, POTCAR i KPOINTS. W pliku INCAR znajdują się określone parametry, które definiują obliczenia. Linia w pliku INCAR otoczona niebieskim polem, w przypadku, gdy wszystkie atomy są rozluźnione, aż siła działająca na każdy atom będzie mniejsza niż 0,028 na atom.
Plik POSCAR zawiera informacje o geometrii atomowej. Początkowe parametry kraty w pliku, POSCAR można wybrać spośród odniesień radykalnych lub eksperymentalnych. Jak wskazuje pomarańczowa ramka.
KPOINTS definiuje siatkę KPOINT, a POSCAR jest nadal potencjalnym plikiem, który generuje początkową strukturę nanowstążki azotynów boru dla POSCAR. Najpierw pobierz POSCAR dla jednostki skrzynkowej z azotynów boru ze strony internetowej The Materials Project. Użyli V2SXF do konwersji POSCAR na plik w formacie SXF.
Plik SXF może być prawym wyrażeniem. Wpisz V2SXF POSCAR na no w systemie drugim pasma. I wyjście POSCAR SXFGZ tab gunzi POSCAR, delta SXF-GZ.
I wyjście POSCAR SXF. Użyjemy xcrysden do zbudowania superkomórki z azotynu boru. Wpisz xcrysden-sxf POSCAR.Xsf.
Wybierz menu, modyfikując narysowaną liczbę chorób i rozszerz styl w kierunku X i Y. Wybierz menu, plik. Zapisz strukturę XSF, aby wyeksportować strukturę superkomórki.
Użyj xmakemol, aby otworzyć superkomórkę, wpisując superkomórkę xmakemol-f. Wybierz menu i dodaj je jako widoczne. Kliknij przełącznik, aby opóźnić atomy wewnątrz zakresowej i odlewać nanowstęgę o pożądanej szerokości i chiralności.
Nanorurki z azotynów boru mogą być konstruowane przez modeler nanorurek, otwarty modeler nanorurek EXC w systemie okiennym. Wybierz menu, wybierz typ B-N. I określ chiralności.
Wybierz menu, plik, zapisz tabelę XYZ, aby wyeksportować tę strukturę. Użyj VMD Southwire, aby sprawdzić strukturę atomową przed rozpoczęciem wykonywania zadania obliczeniowego. Wpisz VMD w wewnętrznym systemie VMD.
W otwartym oknie głównym VMD. Wybierz menu, plik, cząsteczkę i znajdź POSCAR w oknie przeglądania. Załaduj POSCAR według typu MAGE i wyniku POSCAR.
Wyświetlanie struktury według różnych stylów w oknie metod rysowania reprezentacji graficznych. Na przykład wybierz CPK. Każdy atom jest reprezentowany przez kulę, a każde wiązanie jest reprezentowane przez palik.
Wpisz qsub job. pbs, aby przesłać zadanie do komputera. Klasa do przenośnego skryptu systemów wsadowych.
Jest to przykład skryptu o nazwie job.pbs. Po zakończeniu zadania, jeśli stosunek wymaga dokładności, minimalizacja energii konstrukcji zatrzymującej pojawia się na końcu blokady wyjścia. Zbieżnym wynikiem jest zawieszenie.
Wynikowy POSCAR zostanie wykorzystany jako plik wejściowy POSCAR do następujących obliczeń. Do analizy właściwości elektronicznych materiałów. Krok drugi.
Oblicz energię enkapsulacji. Wpisz mkdir nanokompozyt izolowany-nanowstążka izolowana-nanorurka, aby utworzyć foldery qsub dla wewnętrznego nanokompozytu, nanowstążki i nanorurki w systemie Linux. Przygotuj jeden skrypt PBS, zadanie.
pbs i cztery pliki wejściowe INCAR, POSCAR, POTCAR i KPOINTS. W przypadku energii, obliczenia w każdym folderze. Plik wejściowy POSCAR w ten sam sposób, który rozluźnia strukturę i liczy CAR, tworzy ten jeden.
Przejdź do każdego folderu i wpisz qsub job. pbs do wewnętrznego systemu Linux. Seria połączonych zadań wykona statyczne obliczenia samospójnej energii nanokompozytów, odpowiednio izoluje nanowstęgi, izoluje nanorurki.
Następnie śledź całkowitą energię z pliku OUTCAR dla każdego polecenia kopii zapasowej systemu. Po zakończeniu statycznych obliczeń samospójnych oblicz energię enkapsulacji, jak pokazano w tym wzorze. Okresowe oddziaływanie nanokompozytu jest dozwolone w osi Z, a L jest stałą sieciową komórki elementarnej, wzdłuż Z. Energię enkapsulacji można wykorzystać jako oszacowanie stabilności energetycznej nanokompozytu.
Krok trzeci, wyodrębnij właściwości elektroniczne ze struktury pasma. Przygotuj jedno zadanie skryptu PBS. PBS i sześć plików wejściowych.
INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, CHGCAR i CHG. Do obliczeń pasmowych, wspomniany ICHARG wynosi 11 w INCAR. Pliki CHGCAR i CHG przed konwersją pochodzą ze statycznych, samospójnych obliczeń.
Próbkowanie KPOINT w KPOINTS odbywa się w trybie liniowym. Wpisz zadanie qsub. pbs do wewnętrznego systemu Linux, aby przesłać zadanie.
Użyj p4vasprun, aby wygenerować rzutowane pasmo. Załaduj vasprun. XML, wpisując P4V Vasprun.
XML w terminalu. Wybierz menu, elektroniczne lokalne pasma DOS. Kontroluj, a następnie wybierz pasma.
Określ liczby atomowe nanorurki w wyborze atomów etykiety. Uzyskaj liczbę atomową, wskazując odpowiednie atomy za pomocą VMD. Określ kolor, typ i rozmiar symbolu dla rzutowanej struktury pasma.
Te menu symbol i rozmiar symbolu. Naciśnij menu, dodaj nową linię. Wykres pokaże strukturę pasma z wkładem nanorurek.
Następnie powtórz tę samą procedurę, aby zebrać rzutowane pasmo z wkładami z nanowstążki. Wybierz eksport wykresu menu. Wyeksportuj wykres do pliku w formacie agr.
Na przykład zapisany jako 11-4.agr. Użyj ocen XM, aby zidentyfikować przewidywane pasma. Wpisz xmgrace11-4.
agr na terminalu, aby uruchomić xmgrace w systemie menu. Wybierz menu, wykreśl właściwości dostępu, aby zidentyfikować etykietę i zakres osi. Wybierz wygląd ręcznego zestawu wykresów, aby odczytać wartość energii jako określony numer pasma i punkt kluczowy.
Maksymalne pasmo zwolnienia i minimum pasma przewodzenia nanorurki lub nanowstążki mogą znajdować się bezpośrednio od rzutowanego pasma z udziałem odpowiednio nanorurek lub nanowstążek. Następnie oblicz przesunięcie pasma walencyjnego, przesunięcie pasma przewodzenia i przerwę energetyczną. Wybierz menu, plik, wskaż aby wyeksportować wykres z formatami APS.
Oblicz rozkład pasma na gęstość ładunku dla VBM i CBM. Przygotuj jedno zadanie skryptu pbs. pbs i siedem plików wejściowych, INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, CHGCAR i CHG.
Określ numery pasm dla CBM i VBM. Następnie wpisz IBAND w INCAR. Użyj jednego odpowiadającego mu KPOINT dla każdej krawędzi pasma.
Punkt zbiega się CHGCAR, CHG. A pliki WAVECAR pochodzą ze statycznych, samospójnych obliczeń. Wpisz zadanie qsub.
pbs do wewnętrznego systemu Linux, aby przesłać zadanie. Użyj VMD, aby wykreślić VBM i CBM w przestrzeni rzeczywistej po zakończeniu zadania. Rozpocznij sesję VMD i załaduj POSCAR.
Wybierz menu, plik, nową cząsteczkę w oknie głównym VMD. Znajdź PARCHG w oknie przeglądania. Załaduj PARCHG według typu, naciśnij i naciąć PARCHG.
Wybierz menu, narysuj powierzchnię bryły i pokaż powierzchnię bryły w oknie reprezentacji graficznych. Zmień wartość ISO na odpowiednią wartość, na przykład 0,02. Zmień kolor powierzchni ISO za pomocą metody kolorowania menu.
Krok czwarty, moduluj właściwości elektroniczne nanokompozytu za pomocą pól zewnętrznych. Dodaj poprzeczne pole elektryczne do nanokompozytu. Przygotuj jedno zadanie skryptu PBS.
pbs i cztery pliki wejściowe: INCAR, POSCAR, POTCAR i KPOINTS. Określ natężenie pola elektrycznego za pomocą znacznika e-pole w jednostkach eV Astrum. Ustaw LDIPOL równa się T, ustaw IDIPOL równa się 2.
A pole elektryczne zostanie przyłożone do osi Y. Wykonuj statyczne obliczenia samospójne i obliczenia struktury pasmowej, wykonując kroki drugi i trzeci bez optymalizacji struktury. Dodać podłużny test wytrzymałości do nanokompozytu, połączyć parametr sieci wzdłuż kierunku okresowego, aby uwzględnić efekt struny.
Na przykład, aby zoptymalizować parametr sieci nanokompozytu wzdłuż osi wynosi 2,5045 Astrum Jeśli zastosowano 1%a osiowa wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż Z poprzez działanie. Zmień parametr kraty w POSCAR na 2,529545 Astrum. Rozluźnij modyfikację struktury zgodnie z krokiem pierwszym, wykonaj statyczne obliczenia samospójne i obliczenia struktury pasmowej, wykonując kroki drugi i trzeci.
Reprezentatywne wyniki. Energia enkapsulacji może być wykorzystana jako przybliżone oszacowanie stabilności energetycznej nanokompozytu. Energia enkapsulacji nanowstążek azotynu boru, 2, a 3 i 4 zamkniętych w nanorurce azotynu boru 11, 11 wynosi odpowiednio 0,033 eV Astrum, 0,068 eV Astrum i 0131 eV Astrum.
Chociaż energia enkapsulacji zmienia się o rząd wielkości w zależności od rozmiaru nanowstążki, wszystkie trzy nanokompozyty mają wyrównanie pasm typu drugiego. Jest to struktura pasmowa azotynu boru i nanowstążek, cztery zamknięte w nanorurce azotynu boru, 11, 11. Maksimum pasma walencyjnego i minimum pasma przewodnictwa znajdują się odpowiednio na nanorurce i nanowstążce.
Naprzemienne wyrównanie pasma jest korzystne dla prądów świetlnych, a główny mechanizm transportu ładunku jest następujący. Zdjęcie generuje elektryczny kadłub reklamowy w nanowstęgach w punkcie X. Następnie całość dysocjuje od nanowstążek do nanorurek.
Obliczone przesunięcie pasma walencyjnego wynosi 317 mikro eV. Jest większa niż energia cieplna o temperaturze 300 kelwinów, czyli około 13 mikro eV. To skutecznie zmniejsza szybkość rekombinacji nośników generowanych przez światło.
Aby zwiększyć zbieranie światła w szerokim spektrum, przenosi ono pole elektryczne i wzdłużną wytrzymałość na rozciąganie są nakładane na nanowstążki z azotynu boru, cztery zamknięte wewnątrz nanorurki z azotynu boru, 11, 11. Jest to ewolucja krawędzi pasma w stosunku do poziomu podciśnienia i nie reaguje na żadne pole. W tym nanokompozycie obserwuje się znaczne zmniejszenie szczeliny do blisko 0,95 eV przez oba pola zewnętrzne.
Co ważniejsze, naprzemienne wyrównanie pasma jest zachowane w stosunku do dyfuzji. Potencjały redoks wody są oznaczone niebieskimi liniami przerywanymi. Krawędzie pasma są względne w stosunku do potencjałów redoks, co wskazuje, że taki nanokompozyt może być obiecujący do rozszczepiania wody. Konkluzja.
Szybkie i wydajne jest zastosowanie obliczeniowego podejścia przesiewowego w celu odkrycia materiałów niskowymiarowych, które mają właściwości odpowiednie do samodzielnego rozszczepiania wody. Taki jednowymiarowy system może proponować integrację fotokatalatowanego wytwarzania wodoru i bezpiecznego zasięgu w stylu kapsuły. Fotogenerowane elektrony mogą być zbierane przez nanowstążkę, protony przenikają przez nanorurkę, aby wytworzyć cząsteczkę wodoru połączoną przez przyciąganie elektrostatyczne.
Wytworzony wodór jest całkowicie izolowany w nanorurce, aby uniknąć niepożądanej reakcji odwrotnej lub eksplozji. Obliczenia oparte na pierwszych zasadach zaniżą stan luki przy użyciu funkcji ŚOI. Mogą jednak uchwycić podstawowe trendy w wyrównaniu pasm i przesunięciach pasm.
Dokładniejsze wartości przesunięcia pasma walencyjnego, przesunięcia pasma przewodzenia i przerwy energetycznej są potrzebne w porównaniu z pracami eksperymentalnymi, raczej zastosowanie byłoby funkcjonalne, co będzie czasochłonne niż funkcja PPE. Poza tym, aby zająć się żywotnością kadłubów generowanych przez zdjęcia i elektryczności w stanach statycznych, nano diabetycy odmawiają mi niektórych potrzebnych obliczeń. Jest to ważne dla projektowania fotokatalizatorów o długiej żywotności.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół szczegółowo opisuje metodę przesiewania obliczeniowego fotokatalizatorów z wykorzystaniem obliczeń z zasad pierwszych. Skupia się on na wyrównaniu wiązań typu drugiego w nanowstęgach azotku boru zamkniętych w nanorurkach.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Chemia obliczeniowa
- Materiały w nanoskali
- Fotokataliza
Wstęp
- Zrozumienie właściwości elektronicznych materiałów w skali nano jest kluczowe dla opracowania wydajnych fotokatalizatorów.
- Obliczenia z pierwszych zasad dostarczają wglądu w zachowanie materiałów na poziomie atomowym.
- Wyrównanie pasm typu dwa jest specyficzną konfiguracją, która może zwiększyć aktywność fotokatalityczną.
- Nanowstążki azotku boru są obiecującymi kandydatami do zastosowań fotokatalitycznych.
Cel badania
- W celu optymalizacji struktury atomowej fotokatalizatorów dla poprawy ich wydajności.
- W celu przewidzenia potencjalnych fotokatalizatorów do rozszczepiania wody przy użyciu metod obliczeniowych.
- W celu zbadania enkapsulacji nanowstążek azotku boru w nanorurkach dla uzyskania poprawionych właściwości.
Zastosowane metody
- Optymalizacja struktur atomowych przy użyciu pakietu Vienna Ab initio Simulation Package.
- Przygotowanie plików wejściowych do obliczeń relaksacji struktury (INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS).
- Definiowanie parametrów obliczeń w pliku INCAR.
- Zapewnienie relaksacji wszystkich atomów do momentu, gdy siła działająca na każdy atom spadnie poniżej określonego progu.
Główne wyniki
- Skuteczna identyfikacja wewnętrznych właściwości elektronicznych badanych materiałów.
- Przewidywanie wydajności fotokatalitycznej na podstawie optymalizacji strukturalnych.
- Wnioski dotyczące roli enkapsulacji w zwiększaniu aktywności fotokatalitycznej.
- Wykazanie skuteczności przesiewania komputerowego w odkrywaniu nowych materiałów.
Wnioski
- Badanie dostarcza ram dla obliczeniowego przesiewania fotokatalizatorów.
- Obliczenia z zasad pierwszych (first principles) są skuteczne w przewidywaniu właściwości materiałów.
- Strategie enkapsulacji mogą znacząco wpływać na wydajność fotokatalityczną.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Obliczeniowe przesiewanie jednowymiarowych heterostruktur van der Waalsa w oparciu o pierwsze zasady umożliwia szybką identyfikację kandydatów na fotokatalizatory o dostosowanych właściwościach elektronicznych. Podejście to wspiera wczesnowykrywalne ograniczanie ryzyka oraz zwiększa pewność prognostyczną w wyborze materiałów do zastosowań energetycznych, takich jak rozszczepianie wody. Integracja analizy wyrównania pasm w procesach odkrywania przyspiesza selekcję portfolio i dostarcza informacji niezbędnych do późniejszej walidacji eksperymentalnej.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia analizę relacji między strukturą a funkcją elektronową w nowatorskich nanomateriałach w oparciu o postawione hipotezy.
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez ilościowe określanie przesunięć pasm oraz stabilności energetycznej potencjalnych heterostruktur.
- Ułatwia uzyskanie pewności prognostycznej w wyborze materiałów o korzystnych właściwościach separacji i transportu ładunków.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Przygotowuje zwalidowane modele obliczeniowe do późniejszego eksperymentalnego przesiewania aktywności fotokatalitycznej.
- Standaryzuje wyniki właściwości elektronicznych, takich jak przerwy energetyczne i pozycje krawędzi pasm, w celu zapewnienia powtarzalności porównań.
- Umożliwia skalowalne wirtualne przesiewanie kombinacji materiałów przed syntezą lub opracowaniem analizy.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zestawia przewidywania obliczeniowe z eksperymentalnymi potencjałami redoks w celu oceny istotności translacyjnej dla procesu rozszczepiania wody.
- Zapewnia ciągłość od odkryć in silico do przedklinicznej walidacji materiałów poprzez identyfikację kandydatów z zachowanym dopasowaniem pasm przy modulacji zewnętrznej.
- Wspiera dostosowany do ryzyka rozwój materiałów o stabilnych właściwościach elektronicznych w różnych warunkach operacyjnych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół obliczeniowy integruje kontinuum odkryć, od wczesnych testów hipotez po identyfikację wiodących funkcjonalnych nanomateriałów.
- Biologia odkrywcza: Ilościowe określanie dopasowania pasm i stabilności energetycznej w celu wyjaśnienia hipotez mechanistycznych dotyczących separacji ładunków.
- Przesiewanie: Dostarcza zestandaryzowane metryki właściwości elektronicznych do wysokoprzepustowego wirtualnego przesiewania.
- Analityka: Zapewnia ilościowe przesunięcia krawędzi pasm, energie enkapsulacji oraz projektowane struktury pasmowe do analizy porównawczej.
- Badania translacyjne: Mapuje pozycje krawędzi pasm na potencjały redoks, wspierając ciągłość translacyjną w zastosowaniach fotokatalitycznych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia wielokrotnego użytku przepływ obliczeniowy, który można dostosować do różnych systemów nanomateriałowych.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w wyborze materiałów.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje przesiewanie obliczeniowe i umożliwia powtarzalne, skalowalne analizy.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) i zwiększa efektywność kapitałową poprzez priorytetyzację kandydatów o wysokim potencjale.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój materiałów o stabilnych profilach elektronicznych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie teorii funkcjonału gęstości oraz obliczeniowej nauki o materiałach.
- Zależy od dostępu do infrastruktury obliczeń wysokiej wydajności oraz specjalistycznego oprogramowania do symulacji (np. VASP).
- Wymaga standaryzowanego przygotowania danych wejściowych oraz zarządzania danymi między zespołami w celu zapewnienia powtarzalności.
- Możliwość adaptacji do różnych systemów nanomateriałowych przy zastosowaniu odpowiedniej parametryzacji i walidacji.
- Dokładność przewidywań przerwy energetycznej może być ograniczona przez wybór funkcjonału; funkcjonały hybrydowe zwiększają koszt obliczeniowy.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:00
Title
0:17
Optimize the Atomic Structure
3:50
Calculate the Encapsulation Energy
5:10
Extract the Electronic Properties from the Band Structure
8:49
Modulate the Electronic Properties of the Nanocomposite (NT encapuslated inside NR) by External Fields
10:15
Results
12:33
Conclusion
