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Chemistry

जांच प्रकार द्वितीय बैंड संरेखण में एक-आयाम वान डेर Waals Heterostructures प्रथम-प्रिंसिपल गणना का उपयोग

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

वियना Ab initio सिमुलेशन पैकेज द्वारा प्रदर्शन की गणना नैनोस्केल सामग्री के आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक गुणों की पहचान करने और संभावित पानी विभाजन photocatalists की भविष्यवाणी करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

Abstract

घनत्व-कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) पर आधारित अभिकलनीय उपकरण लक्षित अनुप्रयोग के लिए गुणात्मक रूप से नए, प्रायोगिक रूप से प्राप्य नैनोस्केल यौगिकों की खोज को सक्षम बनाते हैं। सैद्धांतिक सिमुलेशन कार्यात्मक सामग्री के आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक गुणों की एक गहन समझ प्रदान करते हैं. इस प्रोटोकॉल का लक्ष्य गणना त्मक विच्छेदन द्वारा photocatalyst उम्मीदवारों के लिए खोज करने के लिए है. Photocatalytic अनुप्रयोगों उपयुक्त बैंड अंतराल, उपयुक्त बैंड बढ़त पदों redox क्षमता के सापेक्ष की आवश्यकता होती है. हाइब्रिड कार्यात्मक इन गुणों का सही मान प्रदान कर सकते हैं, लेकिन computationally महंगे हैं, जबकि Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) कार्यात्मक स्तर पर परिणाम के माध्यम से बैंड संरचना इंजीनियरिंग के लिए रणनीतियों का सुझाव देने के लिए प्रभावी हो सकता है बिजली के क्षेत्र और तन्य तनाव photocatalytic प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए लक्ष्य। यह वर्णन करने के लिए, वर्तमान पांडुलिपि में, DFT आधारित सिमुलेशन उपकरण VASP जमीन राज्य में नैनोट्यूब और नैनोरिबोन्स के संयोजन में नैनोकॉम्पोजाइट्स के बैंड संरेखण की जांच करने के लिए प्रयोग किया जाता है। उत्तेजित अवस्था में प्रकाश उत्पन्न छेदों और इलेक्ट्रॉनों के जीवनकाल को संबोधित करने के लिए, nonadiabatic गतिशीलता गणना की जरूरत है.

Introduction

स्वच्छ और टिकाऊ ऊर्जा के लिए दुनिया भर में मांग सीमित पेट्रोलियम संसाधनों पर निर्भरता को कम करने के लिए वादा सामग्री के लिए अनुसंधान प्रेरित किया है. सिमुलेशन नए कार्यात्मक सामग्री1के लिए खोज में तेजी लाने में प्रयोगों की तुलना में अधिक कुशल और किफायती हैं । एक सैद्धांतिक परिप्रेक्ष्यसेसामग्री डिजाइन 2,3,4 अब अधिक से अधिक लोकप्रिय है क्योंकि गणना संसाधनों और सिद्धांत विकास में तेजी से प्रगति के कारण, कम्प्यूटेशनल सिमुलेशन और अधिक विश्वसनीय5 . कई कूटों में कार्यान्वित घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) गणनाअधिकाअधिक मजबूत होती जा रही है तथा उपज पुन: उत्पादनीय परिणाम6.

वियना Ab initio सिमुलेशन पैकेज (VASP)7 आणविक और क्रिस्टलीय गुणों की भविष्यवाणी के लिए सबसे होनहार DFT कोड में से एक प्रस्तुत करता है और 40,000 से अधिक अध्ययन इस कोड का उपयोग कर प्रकाशित किया गया है. अधिकांश काम Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) कार्यात्मक स्तर8पर किया जाता है, जो बैंड अंतराल आकार को कम करके आंका, लेकिन बैंड संरेखण और बैंड ऑफसेट3में आवश्यक प्रवृत्तियों को दर्शाता है। इस प्रोटोकॉल का उद्देश्य इस अभिकलन उपकरण का उपयोग करके स्वच्छ और नवीकरणीय ऊर्जा के लिए बैंड एज प्रोफाइल और नैनोस्केल सामग्री के बैंडगैप्स की जांच के विवरण को रेखांकित करना है। VASP का उपयोग कर अधिक उदाहरण https://www.vasp.at पर उपलब्ध हैं।

इस रिपोर्ट में एक आयामी (1 D) vdW heterostructures प्रकार द्वितीय बैंड संरेखण के साथ की गणना स्क्रीनिंग प्रस्तुत करता है9 photocatalytic पानी बंटवारे4में एक आशाजनक आवेदन के लिए . विशेष रूप से, नैनोरिबोन्स (एनआर) नैनोट्यूब (एनटी) के अंदर encapsulated एक उदाहरण के रूप में जांच कर रहे हैं10. गैर-सहसंयोजक सहभागिताओं को संबोधित करने के लिए, DFT-D3 विधि का उपयोग करvDW सुधार11शामिल हैं। DFT परिकलन चरण 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2, और अनुभाग 4 VASP द्वारा एक पोर्टेबल बैच सिस्टम (PBS) स्क्रिप्ट CenTOS सिस्टम में उच्च-प्रदर्शन शोध कंप्यूटर द्वारा का उपयोग कर रहे हैं। पीबीएस लिपि का एक उदाहरण अनुपूरक सामग्रीमें दिखाया गया है . चरण 3.3 में P4VASP सॉफ्टवेयर द्वारा डेटा पोस्ट प्रसंस्करण और 3.4 चरण में xmgrace सॉफ्टवेयर द्वारा आंकड़ा साजिश Ubuntu प्रणाली में एक स्थानीय कंप्यूटर (लैपटॉप या डेस्कटॉप) पर किया जाता है.

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Protocol

1. परमाणु संरचना का अनुकूलन।

  1. VASP द्वारा संरचना छूट गणना के लिए चार इनपुट फ़ाइलें तैयार करें: INCAR, POSCAR, POTCAR, और KPOINTS.
    नोट: परिकलन निर्धारित INCAR फ़ाइल में निर्दिष्ट पैरामीटर हैं। लाइन "EDIFFG $ 0.02" INCAR फ़ाइल में इंगित करता है कि सभी परमाणुओं को आराम कर रहे हैं जब तक प्रत्येक परमाणु पर बल है ;lt;0.02 eV/ POSCAR फ़ाइल परमाणु ज्यामिति जानकारी शामिल है. POSCAR फ़ाइल में प्रारंभिक जाली पैरामीटर सैद्धांतिक3 या प्रयोगात्मक संदर्भ12,13से चुने जा सकते हैं . KPOINTS फ़ाइल k बिंदु जाल को परिभाषित करता है और POTCAR छद्म संभावित फ़ाइल है। POSCAR में परमाणु प्रकार के क्रम के रूप में ही होना चाहिए POTCAR में. संरचना छूट के लिए इनपुट फ़ाइलों के उदाहरण अनुपूरक सामग्री में दिखाए जाते हैं ( छद्म संभावित फ़ाइल को छोड़कर, जो VASP से एक लाइसेंस की जरूरत है).
    1. "पोस्कर" के लिए बोरोन नाइट्राइड (बीएन) नैनोरिबोन्स (एनआर) की प्रारंभिक संरचना उत्पन्न करें।
      1. https://materialsproject.org से BN थोक इकाई के लिए POSCAR फ़ाइल डाउनलोड करें.
      2. POSCAR फ़ाइल xsf स्वरूप में एक फ़ाइल है कि xcrysden द्वारा पढ़ा जा सकता है परिवर्तित करने के लिए v2xsf का उपयोग करें. Ubuntu प्रणाली में टर्मिनल पर v2xsf POSCAR टाइप करने के लिए "POSCAR.xsf.gz". प्रकार gunzip POSCAR.xsf.gz और उत्पादन POSCAR.xsf फ़ाइल.
      3. BN supercell बनाने के लिए xcrysden का उपयोग करें.
        1. Ubuntu प्रणाली में टर्मिनल पर xcrysden --xsf POSCAR.xsf लिखें। आरेख संशोधित करें/संख्या इकाई का चयन करें जो आरेखित की गई हैं और X और Y दिशाओं में कक्ष का विस्तार करें.
        2. सुपरसेल संरचना को निर्यात करने के लिए मेनू फ़ाइल/सहेजें XSF संरचना का चयन करें, जिसका नाम है "supercell".
          नोट: संरचना का नाम एक मनमाना परिभाषा है.
      4. सुपरसेल खोलने के लिए xmakemol का प्रयोग करें। Ubuntu प्रणाली में टर्मिनल पर xmakemol -f supercell टाइप करें। मेनू संपादन/दृश्यमानका चयन करें. क्षेत्र के अंदर परमाणुओं को हटाने और वांछित चौड़ाई और chirality के लिए NR में कटौती करने के लिए टॉगल पर क्लिक करें।
    2. POSCAR के लिए BN नैनोट्यूब (NT) की प्रारंभिक संरचना उत्पन्न करें। डाउनलोड "NanotubeModeler" http://www.jcrystal.com/products से. Windows सिस्टम में NanotubeModeler.exe खोलें। मेनू का चयन करें प्रकार/B-N का चयन करें और chirality निर्दिष्ट करें। संरचना निर्यात करने के लिए मेनू फ़ाइल/सहेजें XY$ तालिका का चयन करें।
    3. NT (चरण 1.1.1 से) के अंदर NT (चरण 1.1.1 से) encapsulating द्वारा नैनोकॉम्पोजाइट की प्रारंभिक संरचना उत्पन्न करें (चरण 1.1.2 से)।
      नोट: encapsulation एनआर और NT10,14,15के कार्तीय निर्देशांक ों का समायोजन करके समाप्त किया जा सकता है.
    4. परिकलन कार्य सबमिट करने से पहले परमाणु संरचना की जाँच करने के लिए vmd सॉफ़्टवेयर का उपयोग करें।
      1. Ubuntu प्रणाली में टर्मिनल पर vmd टाइप करें। खोली गई vmd मुख्य विंडो में, मेनू फ़ाइल/नया अणु का चयन करें और ब्राउज़ विंडो के माध्यम से POSCAR फ़ाइल ढूँढें। PAP$POSCARटाइप करके POSCAR लोड करें |
      2. संरचना को ग्राफ़िकल प्रतिनिधित्व/ड्राइंग विधि विंडो में विभिन्न शैलियों में प्रदर्शित करें.
        नोट: उदाहरण के लिए, एक बार CPK चुना जाता है, प्रत्येक परमाणु (बांड) एक क्षेत्र (स्टिक) द्वारा प्रतिनिधित्व किया है. स्थापना गाइड और vmd का पूरा ट्यूटोरियल http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd पर उपलब्ध हैं.
  2. कंप्यूटर क्लस्टर के लिए कार्य सबमिट करने के लिए Linux सिस्टम में टर्मिनल पर ुसब कार्य लिखें.
    नोट: "कार्य.pbs" PBS स्क्रिप्ट का नाम का प्रतिनिधित्व करता है। पीबीएस स्क्रिप्ट का नाम एक मनमाना परिभाषा है। PBS स्क्रिप्ट के साथ चार इनपुट फ़ाइलें कार्य निर्देशिका में होना चाहिए। आदेश क्ष उप कार्य.pbs चरण 2.2, 3.2, 3.5.2, और खंड 4 में उपयोग किया जाएगा। एक PBS स्क्रिप्ट का एक उदाहरण अनुपूरक कोडिंग फ़ाइल में पाया जा सकता है। प्रस्तुत कार्य समाप्त होने के बाद, यदि "आवश्यक सटीकता तक पहुँच गया - संरचनात्मक ऊर्जा minimization रोक" आउटपुट लॉग के अंत में प्रकट होता है, अभिसरित परिणाम प्राप्त किया है। परिणामी CONTCAR फ़ाइल चरण 2.1, 3.1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4, और खंड 4.2 में इनपुट फ़ाइल POSCAR के रूप में इस्तेमाल किया जाएगा.

2. encapsulation ऊर्जा की गणना.

  1. एक लिनक्स सिस्टम में एक टर्मिनल पर तीन फ़ोल्डर बनाने के लिए mkdir नैनोकॉम्पोजाइट अलग-nanoribbon अलग-nanotube प्रकार। प्रत्येक फ़ोल्डर में ऊर्जा गणना के लिए एक PBS स्क्रिप्ट"नौकरी.pbs" और चार इनपुट फ़ाइलें INCAR, POSCAR, POTCAR, और KPOINTS तैयार करें।
    नोट: इनपुट फ़ाइल POSCAR चरण 1 से आराम संरचना के साथ CONTCAR नाम की फ़ाइल है। इनपुट फाइलों के उदाहरण अनुपूरक सामग्री (POTCAR को छोड़कर) में दिए गए हैं।
  2. प्रत्येक फ़ोल्डर पर जाएँ और Linux सिस्टम में टर्मिनल पर क्षउप कार्य लिखें.
    नोट: तीन सबमिट किए गए कार्य क्रमशः नैनोकॉम्पोजाइट, पृथक NR, और अलग NT के लिए स्थिर आत्म-संगत ऊर्जा गणना निष्पादित करेगा।
  3. स्थैतिक स्व-संगत गणना समाप्त करने के बाद प्रत्येक सिस्टम के लिए फ़ाइल OUTCAR से कुल ऊर्जा निकालें। प्रकार grep "मुक्त ऊर्जा TOTEN" ./nanocomposite/OUTCAR ] पूंछ -n 1, grep "मुक्त ऊर्जा TOTEN" ./isolated-nanoribbon/OUTCAR ] पूंछ -n 1, और grep "मुक्त ऊर्जा TOTEN" ./isolated-nanotube/OUTCAR ] पूंछ -n 1. तीन प्रदर्शित मानों को क्रमशः ENT+NR, ENRऔर ENTके रूप में परिभाषित करें. एनकैप्सुलेशन ऊर्जा की गणना प्रति एंग्स्ट्रोम: ईएल - एन टी - ईएनटी -ईएनआर)/एल14,15.
    नोट: प्रत्येक मंडल में आवधिक दिशा र् अक्ष के साथ है और ज े अक्ष के साथ इकाई सेल का जालक स्थिरांक है। विमान लहर कटऑफ ऊर्जा और कश्मीर बिंदु जाल पर ऊर्जा निर्भरता के परीक्षण गणना की जरूरत है. encapsulation ऊर्जा नैनोकॉम्पोजाइट के ऊर्जावान स्थिरता के लिए एक अनुमान के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है.

3. बैंड संरचना से इलेक्ट्रॉनिक गुण निकालें.

  1. एक PBS स्क्रिप्ट तैयार "job.pbs" और छह इनपुट फ़ाइलें: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPoints, CHGCAR, और बैंड गणना के लिए CHG. INCAR में ICHARG $ 11 सेट करें।
    नोट: preconverged CHGCAR और CHG फ़ाइलें चरण 2.2 में स्थिर आत्म-संगत गणना से हैं। बैंड विश्लेषण PBE स्तर पर है. KPOINTS फ़ाइल में k बिंदु नमूना पंक्ति-मोड में है। इस चरण के लिए इनपुट फ़ाइलों के उदाहरण अनुपूरक सामग्री में पाया जा सकता है (POTCAR को छोड़कर).
  2. कार्य सबमिट करने के लिए Linux सिस्टम में टर्मिनल पर ुउप कार्य.pbs लिखें.
  3. अनुमानित बैंड जनरेट करने के लिए P4VASP का उपयोग करें।
    1. लोड "vasprun.xml" Ubuntu प्रणाली में टर्मिनल पर p4v vasprun.xml टाइप करके.
      नोट: "p4v" P4VASP को प्रारंभ करने के लिए उपयोग किया जाता है। फ़ाइल "vasprun.xml" कार्य निर्देशिका में होना चाहिए।
    2. मेनू इलेक्ट्रॉनिक/स्थानीय DOS+बैंड नियंत्रण का चयन करें और फिर चयन करें/
      1. एटम चयनअनुभाग में एनटी की परमाणु संख्याओं को निर्दिष्ट करें। चरण 1-1-4 में उल्लिखित vmd का उपयोग करके संगत परमाणुओं की ओर इंगित करके परमाणु संख्या प्राप्त करें। मेनू प्रतीक और प्रतीक आकारके माध्यम से प्रक्षेपित बैंड संरचना के लिए प्रतीक का रंग, प्रकार, और आकार निर्दिष्ट करें. नई पंक्ति जोड़ें मेनू दबाएँ.
        नोट: ग्राफ NT से योगदान के साथ बैंड संरचना दिखाएगा.
      2. एनआर से योगदान के साथ अनुमानित बैंड प्राप्त करने के लिए चरण 3.3.2.1 के बाद एक ही प्रक्रिया को दोहराएँ।
    3. मेनू ग्राफ़/निर्यातका चयन करें। ग्राफ़ को किसी agr स्वरूप के साथ किसी फ़ाइल में निर्यात करें (उदाहरण के लिए, "11-4.agr") के रूप में.
      नोट: P4VASP द्वारा अनुमानित बैंड के आउटपुट डेटा तीन स्तंभों में हैं, जहां तीसरे एक भार का प्रतिनिधित्व करता है.
  4. अनुमानित बैंड को संपादित करने के लिए xmgrace का उपयोग करें.
    1. Ubuntu सिस्टम में xmgrace प्रारंभ करने के लिए टर्मिनल पर xmgrace 11-4.agr लिखें. अक्ष के लेबल और श्रेणी को संपादित करने के लिए मेनू प्लॉट/अक्ष गुणों का चयन करें.
    2. निर्दिष्ट बैंड संख्या और k बिंदु पर ऊर्जा मान को पढ़ने के लिए मेनू प्लॉट/सेट उपस्थिति का चयन करें।
      नोट: एनआर/एनटी के संयोजकता बैंड अधिकतम (वीबीएम) और चालन बैंड न्यूनतम (सीबीएम) को क्रमशः एनआर/एनटी पर योगदान के साथ अनुमानित बैंड से पढ़ा जा सकता है। बैंड संरेखण के अनुसार, विषमसंरचनाओं को तीन प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है: प्रकार I (VBMNT;VBM NR और lt;CBMNR और LT;CBMNT या VBM NR;LT;VBM NT;CBM NT;CBMNT;CBM NT;CBM NT;CBM NT;CBM NT;CBM NT;CBM NT;CBM NR; प्रकार II (VBMNT और lt;VBMNR और lt;CBMNT और CBMNR या VBM NR;LT;CBM NR;LT;CBM NT;या प्रकार III (VBMNT;VBM NT;CBM NR (CBMNR या VBM NR;lt;VBMNR;lt;CBM NT;lt;CBM NT)9.
    3. संयोजकता बैंड ऑफसेट (VBO), चालन बैंड ऑफसेट (CBO), और कांग एट अल16के बाद बैंड अंतर की गणना करें।
    4. eps स्वरूप के साथ ग्राफ़ निर्यात करने के लिए मेनू फ़ाइल/प्रिंट का चयन करें।
  5. VBM और सीबीएम के लिए बैंड विघटित प्रभारी घनत्व की गणना.
    1. एक PBS स्क्रिप्ट तैयार करें "job.pbs" और सात इनपुट फ़ाइलें: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPoints, WAVECAR, CHGCAR, और CHG. INCAR में टैग IBAND द्वारा CBM और VBM के लिए बैंड नंबर निर्दिष्ट करें. प्रत्येक बैंड किनारे के लिए एकल इसी कश्मीर बिंदु का उपयोग करें.
      नोट: preconverged CHGCAR, CHG, और WAVECAR फ़ाइलें चरण 2.2 में स्थिर आत्म-संगत गणना से हैं. इस चरण के लिए इनपुट फ़ाइलों के उदाहरण अनुपूरक सामग्री में दिए गए हैं (POTCAR को छोड़कर).
    2. कार्य सबमिट करने के लिए Linux सिस्टम में टर्मिनल पर ुउप कार्य.pbs लिखें.
    3. कार्य समाप्त होने के बाद VBM और CBM को वास्तविक स्थान में प्लॉट करने के लिए vmd का उपयोग करें.
      1. एक vmd सत्र प्रारंभ करें और चरण 1.1.4 में के रूप में POSCAR फ़ाइल लोड करें।
      2. VMD मुख्य विंडो में मेनू फ़ाइल/नया अणु का चयन करें। ब्राउज़ विंडो के माध्यम से PARCHG फ़ाइल ढूँढें। PP$PARCHGटाइप करके PARCHG लोड करें |
      3. ग्राफ़िकल प्रतिनिधित्व विंडो में मेनू आरेखित/ठोस सतह और दिखाएँ/Isosurface का चयन करें. isovalue को किसी उपयुक्त मान में परिवर्तित करें (उदाहरण के लिए, 0.02). मेनू रंग विधिके माध्यम से आइसोसर्फ का रंग बदलें।
        नोट: यह 3.4 चरण में उस के संबंध में बैंड प्रकार के लिए एक सहज ज्ञान युक्त विश्लेषण है. सामान्यतया, परमाणु संरचना को सीमा से दूर व्यवस्थित किया जाता है, अन्यथा कल्पनाकृत आवेश घनत्व सतत रूप से नहीं दर्शाया जाता है। कृपया विवरण के लिए पूरक चित्र 1 देखें.

4. बाहरी क्षेत्रों द्वारा नैनोकॉम्पोजाइट (एनटी एनआर के अंदर encapsulated) के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को मॉडलेट करें।

  1. नैनोकॉम्पोजाइट17में अनुप्रस्थ विद्युत क्षेत्र जोड़ें .
    1. एक PBS स्क्रिप्ट तैयार करें "job.pbs" और चार इनपुट फ़ाइलें: INCAR, POSCAR, POTCAR, और KPOINTS.
    2. विद्युत क्षेत्र की शक्ति को ईवी/जेड की इकाइयों में टैग "EFIELD" द्वारा परिभाषित करें।
    3. सेट LDIPOL - T. एक सटीक मान (1, 2, या 3) के साथ IDIPOL निर्दिष्ट करें।
      नोट: ये दो टैग dipole सुधार शामिल करने के लिए जोड़े जाते हैं। विद्युत फ़ील्ड को IDIPOL का मान 1, 2, या 3 पर सेट करके X, Y, या $ अक्ष के साथ लागू किया जाएगा.
    4. संरचनात्मक अनुकूलन के बिना वर्गों 2 और 3 के बाद स्थिर आत्म-संगत गणना और बैंड संरचना गणना प्रदर्शन करते हैं।
      नोट: पिछले अध्ययनों से संकेत मिलता है कि 5 V/$ से अधिक बिजली के क्षेत्रों की संरचना18,19deforming बिना BN-NT और BN-NR के बैंड अंतर को संशोधित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.
  2. नैनोकॉम्पोजाइट में एक अनुदैर्घ्य तन्य तनाव जोड़ें।
    1. विकृति प्रभाव को प्रतिबिंबित करने के लिए आवधिक दिशा के साथ जाली पैरामीटर बदलें।
      नोट: उदाहरण के लिए, [ अक्ष के साथ नैनोकॉम्पोजाइट के अनुकूलित जाली पैरामीटर 2.5045 ] है। यदि 1% एकाक्षीय तन्य तनाव को जेड दिशा के साथ लागू किया जाता है, तो POSCAR में जाली पैरामीटर को 2.5045 x 1.01 $ 2.529545 $ में परिवर्तित करें।
    2. संशोधित संरचना अनुभाग 1 के बाद आराम करें।
    3. 2 और 3 वर्गों के बाद स्थिर आत्म-संगत गणना और बैंड संरचना गणना प्रदर्शन करते हैं।

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Representative Results

ज़िगजाग बीएन-एनआरएस को कुर्सी के अंदर शामिल किया गया BN-NTs (11,11) को 1D vdW हेटेरोस्ट्रक्चर के लिए प्रतिनिधि उदाहरण के रूप में चुना गया। जाली पैरामीटर साहिन एट अल20से लिए गए थे . सुविधा के लिए, वक्र एनआर संक्षिप्त कर रहे हैं -n, जहां n चौड़ाई14के साथ III-V dimers का प्रतिनिधित्व करता है. encapsulation ऊर्जा ईएल चरण 2.3 से नैनोकॉम्पोजाइट के ऊर्जावान स्थिरता के लिए एक मोटा अनुमान के रूप में इस्तेमाल किया गया था. बीएन-एनटी (11,11) के ईएल मान -0.033 ईवी/जेड, -0.068 ईवी/जेड, और -0.131 ईवी/ हालांकि ईएल BN-NR आकार के साथ परिमाण के एक आदेश से विविध, सभी तीन नैनोकॉम्पोजाइट्स प्रस्तुत प्रकार द्वितीय बैंड संरचनाओं (चरण 3.4 से) सभी कार्बन मामलों से बेहतर14, जहां प्रकार द्वितीय केवल एक उचित आकार के साथ एनआर के लिए उभरा NT14में डाला |

चरण 3-2 से नैनोकॉम्पोजाइट की बैंड संरचना, BN-NT (11,11) + $4,चित्र 2 में दर्शायागया है। VBM/CBM NT/NR पर क्रमशः (चरण 3.5 से) का पता लगाता है। विषम बैंड संरेखण प्रकाश संचयन के लिए फायदेमंद था। आवेश अंतरण का मुख्य तंत्र निम्नानुसार है- फोटो इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करता है तथा एक्स बिडपर एक होल, चित्र 3में दर्शाया गया है, और फिर होल से र्4 (केएक्स) से एनटी (11,11) (केवीबीएम,के लिए वीबीएम का बिंदु) से अलग हो जाता है। इस नैनोकॉम्पोजाइट), चित्र 4में दिखाया गया है। परिकलित VBO (चरण 3.4.3) 317 meV, 300 K (KT $ 30 meV) पर थर्मल ऊर्जा से बड़ा है, और प्रभावी ढंग से photogenerated वाहक के पुनर्संयोजन दर कम हो जातीहै 10.

एक व्यापक स्पेक्ट्रम के माध्यम से प्रकाश संचयन बढ़ाने के लिए, दोनों अनुप्रस्थ बिजली के क्षेत्रों और अनुदैर्घ्य तन्य उपभेदों BN-NT (11,11) + $4के लिए लागू कर रहे हैं. चरण 4 से निर्वात स्तर के सापेक्ष बैंड किनारों का विकास चित्र 5 में दर्शायागया है। बाह्य क्षेत्रों द्वारा इस नैनोकॉम्पोजाइट में लगभग 0ण्95 ईवी तक पर्याप्त अंतराल में कमी देखी जाती है। इससे भी महत्वपूर्ण बात, विषम बैंड संरेखण संरक्षित है10. इन परिणामों के आधार पर, इस तरह के एक 1डी प्रणाली photocatalytic हाइड्रोजन उत्पादन और सुरक्षित कैप्सूल भंडारण21एकीकृत करने की उम्मीद है. फोटो जनित इलेक्ट्रॉनों एनआर द्वारा एकत्र किया जा सकता है. स्थिर वैद्युत आकर्षण से प्रेरित प्रोटॉन हाइड्रोजन अणु उत्पन्न करने के लिए एनटी के माध्यम से प्रवेश करते हैं। उत्पादित हाइड्रोजन पूरी तरह से एक अवांछित रिवर्स प्रतिक्रिया या विस्फोट से बचने के लिए नैनोट्यूब के भीतर अलग है।

Figure 1
चित्र 1: ज़िगजाग बीएन नैनोरिबोन्स] 2, $3, और $4 एक BN नैनोट्यूब (11,11) के अंदर समझाया गया है। एनकैप्सुलेशन ऊर्जा (ईएल) प्रत्येक संरचना के अंतर्गत सूचीबद्ध है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: BN नैनोट्यूब की बैंड संरचना (11,11) + BN नैनोरिबन ]4| ऊर्जा बैंड के लिए नैनोट्यूब और नैनोरिबोन से योगदान क्रमशः लाल और नीले क्षेत्रों में प्रतिनिधित्व कर रहे हैं। बाएँ इनसेट सीबीएम और वीबीएम राज्यों के आवेश घनत्व वितरण को दर्शातेहैं (isovalue 0.02 e/ यह आंकड़ा गोंग एट अल10 से रॉयल सोसायटी ऑफ केमिस्ट्री की अनुमति से अनुकूलित किया गया था। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: यह फोटो इलेक्ट्रॉनों को उत्पन्न करता है तथा एक्स बिज़न पर बीएन नैनोरिबोन4 में एक छेद उत्पन्न होता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4: बीएन नैनोरिबोन से छेद कोबीएन नैनोट्यूब (11,11) (kVBM, इस नैनोकॉम्पोजाइट के लिए VBM का k बिंदु) से अलग किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5: बाहरी क्षेत्रों द्वारा BN नैनोट्यूब (11,11) और BN नैनोरिबोन4 का बैंड एज मॉडुलन। (क) के अधीन निर्वात स्तर के सापेक्ष बैंड किनारे का विकास तथा (ठ) एक अक्षीय तन्य विकृति। विद्युत क्षेत्र की ऋणात्मक दिशा निचले किनारे परमाणु ठ सेऊपरीकिनारे परमाणु छ तक 4 के लिए दर्शाया गया है। व्+ब्2 की कमी क्षमता तथा व्2ब्2व् की ऑक्सीकरण क्षमता क्रमशः -4ण्44 ईवी तथा -5ण्67 ई-वी च़् 0 पर है। चह - 7 पानी की रेडॉक्स क्षमता (पीएच x 0.059 ईवी द्वारा) को -4.027 ईवी और -5.257 ईवी, क्रमशः नीले डैश्ड लाइनों के रूप में दिखाया गया है। यह आंकड़ा गोंग एट अल10 से रॉयल सोसायटी ऑफ केमिस्ट्री की अनुमति से पुनरुत्पादित किया गया था। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Supplemental Figure 1
पूरक चित्र 1: (ए) बी एन नैनोट्यूब की परमाणु संरचना (11,11) + बीएन नैनोरिबन] 4 सीमा और इसके संगत चालन बैंड न्यूनतम (बी) से दूर व्यवस्थित किया गया । (ग)बी एन नैनोट्यूब (11,11) और बीएन नैनोरिबन की परमाणु संरचना- 4 एक सीमा और इसके संगत चालन बैंड न्यूनतम (डी) के साथ गठबंधन किया। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक कोडिंग फ़ाइल: इस फ़ाइल को देखने के लिए कृपया यहाँ क्लिक करें (डाउनलोड करने के लिए राइट क्लिक करें).

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Discussion

अनुभाग 2, 3, और 4 में इलेक्ट्रॉनिक गुणों के लिए गणना विभिन्न नैनोस्केल सामग्री के बीच समान होगी। चरण 1 में प्रारंभिक परमाणु मॉडल ध्यान से सार्थक जानकारी निकालने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए. उदाहरण के लिए, मॉडल का चयन करने के लिए कारक सामग्री का आकार या chirality हो सकता है. इसके अलावा, चरण 1.1 में प्रारंभिक परमाणु मॉडल को कम लागत वाली संरचना में छूट के लिए यथोचित रूप से तैयार किया जाना चाहिए। एक उदाहरण के रूप में प्रोटोकॉल में नैनोकॉम्पोजाइट ले रहा है, NR NT के अंदर एक सममित तरीके से समझाया जाना चाहिए। अन्यथा, यह समय लगता है VASP द्वारा अनुकूलित संरचना खोज करने के लिए हो जाएगा।

किसी विद्युत क्षेत्र के प्रभाव पर विचार करने के लिए, एक कृत्रिम द्विध्रुव शीट को वीएएसपी22में आवर्ती इकाई सेल में निर्वात भाग के मध्य में जोड़ा जाता है। निर्वात क्षेत्र बहुत व्यापक नहीं होना चाहिए और विद्युत क्षेत्र इतना कमजोर होना चाहिए कि वह कृत्रिम क्षेत्र उत्सर्जन23से बच सके .

जबकि तनाव के प्रभाव को केवल POSCAR में जाली पैरामीटर को बदलकर महसूस किया जा सकता है, नैनोकॉम्पोजाइट में स्थिति अधिक जटिल होगी। एनआर और एनटी की लोचदार प्रतिक्रियाएं एक-दूसरे से भिन्न हो सकती हैं, जो समान शक्ति से गुजर रही हैं। यह एक आय से अधिक संरचना के लिए नेतृत्व करेंगे. उदाहरण के लिए, जब अनुअक्षीय तन्य विकृति आवधिक दिशा के साथ लागू की जाती है, तो एनटी और एनआर का अनुकूलित जालक पैरामीटर इस दिशा के साथ क्रमशः प्रारंभिक 1.8 से 2.0 $ और 2.2 $तक बदलता है। मॉडलिंग के लिए बड़े supercells की आवश्यकता है: इस मामले में NT के कम से कम 11 इकाई कोशिकाओं और एनआर के 10 इकाई कोशिकाओं (11 x 2.0 ] $ 10 x 2.2 ] $ 22 ]).

जबकि सामग्री की जमीन राज्य इलेक्ट्रॉनिक गुण VASP द्वारा काफी अच्छी तरह से निर्धारित किया जा सकता है, एक उत्साहित राज्य में मौजूद photogenerated छेद और इलेक्ट्रॉनों के जीवनकाल को संबोधित करने के लिए, यह nonadiabatic गतिशीलता गणना24प्रदर्शन करने के लिए बेहतर है. यह लंबे जीवन भर वाहक4के साथ photocatalists डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है.

VASP द्वारा निष्पादित अभिकलनीय दृष्टिकोण की भूमिका उपन्यास सामग्री की खोज में खेलता है और प्रयोगात्मक प्रयासों की सहायता करने के लिए संभावित photocatalists के लिए स्क्रीनिंग. जल विभाजन में पीबीई स्तर पर बैंड संरेखण मात्रात्मक प्रयोगात्मक कार्य के रूप में विश्वसनीय नहीं है। redox क्षमता के सापेक्ष बैंड किनारों के अधिक सटीक मूल्यों, CBO, और VBO की जरूरत है. यह Heyd-Scuseria-Ernzerhof (एचएसई) संकर कार्यात्मक25का उपयोग करने के लिए सबसे अच्छा होगा, लेकिन यह PBE की तुलना में अधिक समय लगता है. फिर भी, PBE स्तर पर परिणाम photocatalytic गतिविधि की वृद्धि के लिए रणनीति का सुझाव देने के लिए कुशल हो सकता है.

यह उल्लेख किया जाना चाहिए कि वीएएसपी द्वारा अभिकलनीय डिजाइन सौर सेल सामग्री, थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री, लिथियम बैटरी सामग्री, गैस कैप्चर सामग्री आदि की भविष्यवाणी को भी सक्षमकरेगा। उच्च थ्रूपुट गणनाओं को बेहतर सामग्री पूर्वानुमान और कम गणना लागत26,27के लिए मशीन लर्निंग प्रक्रियाओं के साथ संयोजित किया गया है।

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Disclosures

लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

यह काम चीन Postdoctoral विज्ञान फाउंडेशन (ग्रेंट नंबर 2017M612348), किंगदाओ Postdoctoral फाउंडेशन (ग्रेंट नंबर 3002000-861805033070) और चीन के महासागर विश्वविद्यालय में युवा प्रतिभा परियोजना से (ग्रेंट नंबर 3002000-8617013151) से समर्थित किया गया था। लेखकों कथन तैयार करने के लिए मिस या चोंग ली धन्यवाद.

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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रसायन विज्ञान अंक 152 एक आयामी वैन der Waals heterstructures प्रकार द्वितीय बैंड संरेखण नैनोरिबन नैनोट्यूब प्रथम सिद्धांत गणना संयोजकता बैंड अधिकतम चालन बैंड न्यूनतम
जांच प्रकार द्वितीय बैंड संरेखण में एक-आयाम वान डेर Waals Heterostructures प्रथम-प्रिंसिपल गणना का उपयोग
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