Summary
ويمكن استخدام الحسابات التي تقوم بها "حزمه المحاكاة" من البداية فيينا Ab لتحديد الخصائص الكترونيه الجوهرية للمواد النانو والتنبؤ المحتملة لتقسيم المياه الضوئية.
Abstract
الاداات الحسابية القائمة علي نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) تمكن من استكشاف المركبات النانويه الجديدة نوعيا التي يمكن تحقيقها لتطبيق مستهدف. المحاكاة النظرية توفر فهم عميق للخصائص الكترونيه الجوهرية للمواد الوظيفية. والهدف من هذا البروتوكول هو البحث عن المرشحين الضوئية من قبل تشريح الحسابية. تتطلب التطبيقات الضوئية ثغرات النطاق المناسبة ، ومواقف حافه النطاق المناسبة بالنسبة لإمكانات الاكسده. الوظائف الهجينة يمكن ان توفر قيم دقيقه من هذه الخصائص ولكنها مكلفه حسابيا ، في حين ان النتائج في Perdew-بورك-Ernzerhof (PBE) مستوي وظيفي يمكن ان تكون فعاله لاقتراح استراتيجيات للهندسة هيكل الفرقة عبر المجال الكهربائي وسلاله الشد تهدف إلى تعزيز الأداء الضوئي. لتوضيح ذلك ، في المخطوطة الحالية ، تستخدم أداه المحاكاة المستندة إلى DFT VASP للتحقيق في محاذاة النطاق لمركبات النانو في تركيبات الأنابيب النانويه و nanoribbons في الحالة الارضيه. لمعالجه عمر الثقوب المصورة والكترونات في حاله متحمس ، وهناك حاجه إلى حساب ديناميات nonadiabatic.
Introduction
وقد حفز الطلب العالمي علي الطاقة النظيفة والمستدامة البحث عن مواد واعده للحد من الاعتماد علي الموارد النفطية المحدودة. المحاكاة هي أكثر كفاءه واقتصاديه من التجارب في تسريع البحث عن مواد وظيفية جديده1. تصميم المواد من منظور النظرية2،3،4 هو الآن أكثر وأكثر شعبيه بسبب التقدم السريع في الموارد الحاسوبية والتطورات النظرية ، مما يجعل المحاكاة الحاسوبية أكثر موثوقيه5 . الكثافة الوظيفية نظرية (DFT) الحسابات التي نفذت في العديد من الرموز أصبحت أكثر قوه وتسفر عن نتائج قابله للتكرار6.
حزمه المحاكاة من البداية فيينا Ab (VASP)7 ويعرض واحده من رموز dft الواعدة للتنبؤ الخصائص الجزيئية والبلورية وأكثر من 40,000 الدراسات الاستفادة من هذا الرمز قد نشرت. يتم تنفيذ معظم الاعمال في المستوي الوظيفي8Perdew-بورك-Ernzerhof (pbe) ، الذي يقلل من حجم الفجوة الفرقة ، ولكن يلتقط الاتجاات الاساسيه في محاذاة الفرقة وأزاحه الفرقة3. يهدف هذا البروتوكول إلى تحديد تفاصيل التحقيق في ملامح حافه النطاق وفجوات المواد النانو للطاقة النظيفة والمتجددة باستخدام هذه الاداه الحسابية. المزيد من الامثله باستخدام VASP متوفرة في https://www.vasp.at.
يعرض هذا التقرير الفحص الحسابي لهيتيروستروكتوريس vdW أحاديه الابعاد (1D) مع محاذاة النطاقات من النوع الثاني9 لتطبيق واعد في تقسيم المياه الضوئية4. علي وجه التحديد ، يتم فحص nanoribbons (NRs) مغلفه داخل الأنابيب النانويه (نتس) كمثال10. لمعالجه تفاعلات غير التكافؤ ، يتم تضمين التصحيحات vdW باستخدام أسلوب DFT-D311. يتم تنفيذ حسابات DFT في الخطوات 1.2 ، 2.2 ، 3.2 ، 3.5.2 ، والقسم 4 بواسطة VASP باستخدام برنامج نصي نظام الدفعات المحمولة (برامج تلفزيونيه) بواسطة أجهزه الكمبيوتر البحثية عاليه الأداء في نظام CenTOS. ويرد مثال لبرنامج تلفزيوني في المواد التكميلية. يتم تنفيذ البيانات بعد المعالجة بواسطة البرنامج P4VASP في الخطوة 3.3 والمؤامرة الرقم بواسطة برنامج xmgrace في الخطوة 3.4 علي جهاز كمبيوتر محلي (كمبيوتر محمول أو سطح المكتب) في نظام اوبونتو.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تحسين البنية الذرية.
- اعداد أربعه ملفات الإدخال لهيكل حساب الاسترخاء من قبل VASP: INCAR ، POSCAR ، POTCAR ، و KPOINTS.
ملاحظه: هناك معلمات محدده في الملف INCAR تعريف الحساب. خط "EDIFFG = 0.02" في ملف INCAR يشير إلى ان جميع الذرات وخففت حتى القوه علي كل ذره هو < 0.02 eV/Å. يحتوي الملف POSCAR علي معلومات الهندسة الذرية. ويمكن اختيار المعلمات شعريه الاوليه في ملف poscar من النظرية3 أو المراجع التجريبية12,13. الملف KPOINTS يعرف شبكه نقطه ك و POTCAR هو الملف الكاذب. يجب ان يكون ترتيب أنواع الذرة في POSCAR هو نفسه الذي في POTCAR. وتظهر أمثله من ملفات الإدخال لاسترخاء الهيكل في المواد التكميلية (باستثناء الملف الكاذب ، الذي يحتاج إلى ترخيص من vasp).- توليد البنية الاوليه من نيرايد البورون (BN) nanoribbons (NR) ل "POSCAR".
- تحميل ملف POSCAR لوحده السائبة BN من https://materialsproject.org.
- استخدام v2xsf لتحويل ملف POSCAR إلى ملف بتنسيق xsf التي يمكن قراءتها بواسطة xcrysden. نوع V2XSF POSCAR علي محطه في نظام اوبونتو للحصول علي "poscar. xsf. gz". نوع gunzip POSCAR. xsf وإخراج ملف poscar. xsf.
- استخدام xcrysden لبناء الخلية الفائقة BN.
- نوع xcrysden-XSF POSCAR. xsf علي المحطة في نظام اوبونتو. حدد القائمة تعديل/عدد الوحدات المسحوبة وقم بتوسيع الخلية في الاتجاهين X و Y.
- حدد ملف القائمة /حفظ هيكل xsf لتصدير بنيه سوبرسل ، المسمي "سوبرسل".
ملاحظه: اسم البنية تعريف إجباريه.
- استخدم xmakemol لفتح الخلية الفائقة. نوع xmakemol-f سوبرسل علي المحطة في نظام اوبونتو. حدد القائمة تحرير/مرئية. انقر فوق تبديل لحذف الذرات داخل المنطقة وقطع NR إلى العرض المطلوب والصبغة.
- إنشاء البنية الاوليه لل BN الأنابيب النانو (NT) ل POSCAR. تحميل "الأنابيب النانويه" من http://www.jcrystal.com/products. فتح الأنابيب النانويه في نظام ويندوز. حدد القائمة حدد نوع/B-N وحدد الطابع اللوني. حدد ملف القائمة /حفظ الجدول XYZ لتصدير البنية.
- إنشاء البنية الاوليه من نانومركب بواسطة تغليف NR (من الخطوة 1.1.1) داخل NT (من الخطوة 1.1.2).
ملاحظه: يمكن الانتهاء من التغليف عن طريق ضبط الإحداثيات الديكارتية من NR و NT10،14،15. - استخدم برنامج vmd للتحقق من البنية الذرية قبل إرسال مهمة الحساب.
- نوع vmd علي محطه في نظام اوبونتو. في الإطار الرئيسي vmd فتح ، حدد ملف القائمة /جزيء جديد والعثور علي ملف poscar من خلال نافذه استعراض . تحميل POSCAR عن طريق كتابه VASP_POSCAR.
- عرض البنية في أنماط مختلفه في اطار التمثيل الرسومي/أسلوب الرسم .
ملاحظه: علي سبيل المثال ، بمجرد اختيار CPK ، يتم تمثيل كل ذره (السندات) بواسطة الكره (العصا). دليل التثبيت والبرنامج التعليمي الكامل من vmd متوفرة في http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
- توليد البنية الاوليه من نيرايد البورون (BN) nanoribbons (NR) ل "POSCAR".
- نوع المهمة qsub. علي محطه في نظام لينكس لتقديم المهمة إلى كتله الكمبيوتر.
ملاحظه: يمثل "المهمة.برنامج تلفزيوني" اسم برامج تلفزيونيه. اسم برنامج تلفزيوني هو تعريف التعسفي. يجب ان تكون ملفات الإدخال الاربعه مع برنامج تلفزيوني النصي في دليل العمل. الأمر qsub المهمة. سيتم استخدام التلفزيونية في الخطوات 2.2 ، 3.2 ، 3.5.2 ، والقسم 4. يمكن العثور علي مثال لبرنامج تلفزيوني في ملف الترميز التكميلي. بعد الانتهاء من المهمة المقدمة ، إذا "الوصول إلى الدقة المطلوبة للحد من الطاقة الهيكلية الحد الأدنى" يظهر في نهاية سجل الإخراج ، يتم الحصول علي النتيجة المتقاربة. سيتم استخدام الملف CONTCAR الناتج كملف الإدخال POSCAR في الخطوات 2.1 ، 3.1 ، 3.5.3.1 ، 4-1-1 ، 4-1 ، والقسم 4.2.
2. حساب الطاقة التغليف.
- نوع mkdir النانو المعزولة-nanoribbon معزولة-نانوتيوب لإنشاء ثلاثه مجلدات لمركبات النانو ، و NR ، و NT علي محطه في نظام لينكس. اعداد برنامج تلفزيوني واحد "الوظيفة. برامج تلفزيونيه" وأربعه ملفات الإدخال INCAR ، POSCAR ، potcar ، و kpoints لحساب الطاقة في كل مجلد.
ملاحظه: ملف الإدخال POSCAR هو الملف المسمي CONTCAR مع بنيه استرخاء من الخطوة 1. وترد أمثله للملفات المدخلة في المواد التكميلية (باستثناء potcar). - انتقل إلى كل مجلد واكتب المهمة qsub. تلفزيوني علي محطه في نظام لينكس.
ملاحظه: سيتم تنفيذ المهام الثلاثة المقدمة حسابات الطاقة ثابته متناسقة ذاتيا لمركب النانو ، NR معزولة ، و NT معزولة ، علي التوالي. - استخراج الطاقة الاجماليه من OUTCAR الملف لكل نظام بعد الانتهاء من الحسابات ثابته متسقة الذاتي. نوع grep "الطاقة الحرة TOTEN"./نانوكومتويتيويبكار | الذيل-n 1، grep "الطاقة الحرة toten"./ايسولراتيتيناوربوبوناند | الذيل-n 1، والرمادي "الطاقة الحرة toten". تعريف القيم الثلاثة المعروضة كnt + nreNrو entعلي التوالي. حساب الطاقة التغليف لكل انجستروم: el = (ent + nr -e nr-eرقم)/l14,15.
ملاحظه: الاتجاه الدوري في كل نظام علي طول محور Z و L هو ثابت شعريه من خليه وحده علي طول المحور Z. وهناك حاجه إلى حسابات اختبار الاعتماد علي الطاقة علي موجه الطائرة قطع الطاقة وشبكه نقطه k. يمكن استخدام طاقة التغليف كتقدير للاستقرار النشط لمركب النانو.
3. استخراج الخصائص الكترونيه من هيكل الفرقة.
- اعداد برنامج تلفزيوني واحد "الوظيفة. برامج تلفزيونيه" وسته ملفات الإدخال: INCAR ، POSCAR ، POTCAR ، kpoints ، CHGCAR ، و chg لحساب الفرقة. تعيين Icharg = 11 في incar.
ملاحظه: المتقاربة CHGCAR و CHG الملفات من الحسابات ثابته متناسقة الذاتي في الخطوة 2.2. تحليل النطاق هو علي مستوي PBE. يتم أخذ عينات نقطه k في الملف KPOINTS في وضع الخط. يمكن العثور علي أمثله من ملفات الإدخال لهذه الخطوة في المواد التكميلية (باستثناء potcar). - نوع الوظيفة qsub. علي محطه في نظام لينكس لتقديم وظيفة.
- استخدم P4VASP لإنشاء النطاق المتوقع.
- تحميل "vasprun. xml" عن طريق كتابه p4v vasprun. xml علي المحطة الطرفية في نظام اوبونتو.
ملاحظه: يتم استخدام "p4v" لبدء تشغيل P4VASP. يجب ان يكون الملف "vasprun. xml" في دليل العمل. - حدد القائمة الكترونيه/المحلية DOS + العصابات السيطرة ومن ثم تحديد/العصابات.
- تحديد الأرقام الذرية NT في تحديد المقطع Atom. الحصول علي الرقم الذري عن طريق الاشاره إلى ذرات المقابلة باستخدام vmd كما هو مذكور في الخطوة 1-1-4. حدد لون ونوع وحجم الرمز لهيكل النطاق المتوقع من خلال رمز القائمة وحجم الرمز. اضغط علي القائمة أضافه سطر جديد.
ملاحظه: سيظهر الرسم البياني بنيه النطاق مع مساهمات من NT. - كرر نفس الاجراء التالي الخطوة 3.3.2.1 للحصول علي النطاق المتوقع مع مساهمات من NR.
- تحديد الأرقام الذرية NT في تحديد المقطع Atom. الحصول علي الرقم الذري عن طريق الاشاره إلى ذرات المقابلة باستخدام vmd كما هو مذكور في الخطوة 1-1-4. حدد لون ونوع وحجم الرمز لهيكل النطاق المتوقع من خلال رمز القائمة وحجم الرمز. اضغط علي القائمة أضافه سطر جديد.
- حدد الرسم البياني للقائمة/التصدير. تصدير الرسم البياني إلى ملف بتنسيق agr (علي سبيل المثال ، ك "11 -4").
ملاحظه: بيانات الإخراج من النطاقات المتوقعة بواسطة P4VASP في ثلاثه أعمده حيث يمثل الثالث الترجيح.
- تحميل "vasprun. xml" عن طريق كتابه p4v vasprun. xml علي المحطة الطرفية في نظام اوبونتو.
- استخدم xmgrace لتحرير النطاق المتوقع.
- نوع xmgrace 11 -4 علي محطه لبدء xmgrace في نظام اوبونتو. حدد خصائص مخطط القائمة/المحور لتحرير التسمية ونطاق المحور.
- حدد القائمة المؤامرة/تعيين المظهر لقراءه قيمه الطاقة في رقم النطاق المحدد و k نقطه.
ملاحظه: يمكن قراءه الحد الأقصى لنطاق التكافؤ (VBM) ونطاق التوصيل الحد الأدنى (CBM) من NR/NT من النطاق المتوقع مع المساهمات علي NR/NT ، علي التوالي. وفقا لتحالفات الفرقة ، يمكن تصنيف هيتيروستروكتوريس إلى ثلاثه أنواع: النوع الأول (VBMnt < vbmNr < Cbmnr ≪ cbmNT أو VBMNR < vbmnt < cbmnt < cbmnr) ، النوع الثاني (VBMnt < vbmNr < Cbmnt ≪ cbmNR أو VBMNR < vbmnt < cbmNR < cbmNt) ، أو النوع الثالث (vbmnt < vbmnt < cbmnr < Cbmnr أو vbmNr < vbmNr < cbmnt < cbmnt)9. - حساب أزاحه النطاق التكافؤ (VBO) ، أزاحه نطاق التوصيل (CBO) ، والفجوة الفرقة التالية كانغ et al.16.
- حدد ملف القائمة /طباعه لتصدير الرسم البياني مع تنسيق eps.
- حساب كثافة تهمه متحللة لل VBM وتدابير بناء الثقة.
- اعداد برنامج تلفزيوني واحد "الوظيفة. برامج تلفزيونيه" وسبعه ملفات الإدخال: INCAR ، POSCAR ، POTCAR ، kpoints ، WAVECAR ، CHGCAR ، و Chg. تحديد أرقام الفرقة لبناء الثقة و vbm من قبل العلامة iband في incar. استخدام نقطه k المقابلة واحده لكل حافه الفرقة.
ملاحظه: ملفات CHGCAR و CHG و WAVECAR المتقاربة هي من الحسابات ثابته متناسقة الذاتي في الخطوة 2.2. وترد أمثله من ملفات الإدخال لهذه الخطوة في المواد التكميلية (باستثناء potcar). - نوع الوظيفة qsub. علي محطه في نظام لينكس لتقديم وظيفة.
- استخدام vmd لرسم VMD وبناء الثقة في الفضاء الحقيقي بعد الانتهاء من المهمة.
- بدء جلسة عمل vmd وتحميل الملف POSCAR كما في الخطوة 1-1-4.
- حدد ملف القائمة /جزيء جديد في النافذة الرئيسية vmd. البحث عن ملف PARCHG من خلال اطار استعراض . تحميل PARCHG عن طريق كتابه VASP_PARCHG.
- حدد القوائم رسم/سطح صلب وإظهار/Isosurface في اطار التمثيلات الرسوميه . تغيير isovalue إلى قيمه مناسبه (علي سبيل المثال ، 0.02). تغيير لون isosurface من خلال القائمة طريقه التلوين.
ملاحظه: هذا تحليل بديهية لأنواع النطاقات فيما يتعلق بذلك في الخطوة 3.4. بشكل عام ، يتم ترتيب الهيكل الذري بعيدا عن الحدود ، والا فان كثافة الشحنة المتصورة لا تظهر بطريقه مستمرة. يرجى الاطلاع علي الشكل الإضافي 1 للحصول علي التفاصيل.
- اعداد برنامج تلفزيوني واحد "الوظيفة. برامج تلفزيونيه" وسبعه ملفات الإدخال: INCAR ، POSCAR ، POTCAR ، kpoints ، WAVECAR ، CHGCAR ، و Chg. تحديد أرقام الفرقة لبناء الثقة و vbm من قبل العلامة iband في incar. استخدام نقطه k المقابلة واحده لكل حافه الفرقة.
4. تعدل الخصائص الكترونيه لمركب النانو (NT مغلفه داخل NR) من قبل الحقول الخارجية.
- أضافه حقل الكهربائية عرضيه إلى النانو المركب17.
- اعداد برنامج تلفزيوني واحد "الوظيفة. برامج تلفزيونيه" وأربعه ملفات الإدخال: INCAR ، POSCAR ، potcar ، و kpoints.
- تحديد قوه الحقل الكهربائي من قبل العلامة "Efield" في وحدات EV/Å.
- تعيين LDIPOL = t. تحديد IDIPOL مع قيمه دقيقه (1 أو 2 أو 3).
ملاحظه: يتم أضافه هذه العلامات اثنين لتضمين التصحيحات قطب. سيتم تطبيق الحقل الكهربائي علي طول المحور X أو Y أو Z عن طريق تعيين قيمه IDIPOL إلى 1 أو 2 أو 3. - اجراء عمليات حسابيه ثابته ذاتية الاتساق وحسابات بنيه النطاق بعد القسمين 2 و 3 دون التحسين الهيكلي.
ملاحظه: الدراسات السابقة تشير إلى ان المجالات الكهربائية أكثر من 5 V/Å يمكن استخدامها لتعديل الفجوة الفرقة من bn-NT و bn-NR دون تشويه هيكل18،19.
- أضافه سلاله الشد الطولية إلى نانومركب.
- تغيير المعلمات شعريه علي طول الاتجاه الدوري لتعكس تاثير السلالة.
ملاحظه: علي سبيل المثال ، المعلمة شعريه الأمثل لمركب النانو علي طول المحور Z 2.5045 Å. إذا تم تطبيق 1 ٪ سلاله الشد أحاديه المحور علي طول الاتجاه Z ، تغيير المعلمة شعريه في POSCAR إلى 2.5045 x 1.01 = 2.529545 Å. - الاسترخاء الهيكل المعدل التالي القسم 1.
- اجراء عمليات حسابيه ثابته ذاتية الاتساق وحسابات بنيه النطاق بعد القسمين 2 و 3.
- تغيير المعلمات شعريه علي طول الاتجاه الدوري لتعكس تاثير السلالة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم اختيار متعرجة BN-NRs مغلفه داخل ذراع BN-نتس (11 ، 11) كامثله تمثيليه لهيتيروستروكتوري vdW 1D. وقد أخذت المعلمات شعريه من شاهين وآخرون20. للراحة ، يتم اختصار NRs متعرج Zn، حيث n يمثل الثالث-V الدمامل علي طول العرض14. تم استخدام الطاقة التغليف EL من الخطوة 2.3 كتقدير تقريبي للاستقرار حيوية من نانومركب. قيم EL من z2، Z3، و z4 مغلفه داخل BN-NT (11 ، 11) كانت-0.033 Ev/å ،-0.068 ev/å ، و-0.131 ev/å ، علي التوالي10، كما هو مبين في الشكل 1. علي الرغم من ان EL تنوعت بامر من حجم مع BN-NR الحجم ، كل ثلاثه نانومركب قدمت الهياكل الفرقة الثانية النوع (من الخطوة 3.4) متفوقة علي جميع الحالات الكربون14، حيث النوع الثاني برزت فقط ل NR مع حجم واحد فقط المناسبة ادراجها في NT14.
هيكل الفرقة من نانومركب من الخطوة 3.2 ، BN-NT (11 ، 11) + Z4، هو مبين في الشكل 2. VBM/CBM يقع في NT/NR (من الخطوة 3.5) ، علي التوالي. وكانت محاذاة الفرقة متداخلة مفيده لحصاد الخفيفة. اليه الرئيسية لنقل الشحنة هي كما يلي: الصورة يولد الكترونات وثقب في Z4 عند نقطه X ، وهو مبين في الشكل 3، ومن ثم ينفصل الثقب من z4 (kX) إلى NT (11 ، 11) (kvbm، نقطه k من vbm هذا نانومركب) ، وهو مبين في الشكل 4. و VBO محسوبة (من الخطوة 3.4.3) هو 317 meV ، أكبر من الطاقة الحرارية في 300 K (KT ~ 30 meV) ، ويقلل بشكل فعال معدل أعاده تركيب الناقلات الضوئية10.
لتعزيز الحصاد الخفيف من خلال طيف واسع ، يتم تطبيق كل من الحقول الكهربائية العرضية وسلالات الشد الطولية علي BN-NT (11 ، 11) + Z4. ويظهر تطور حواف النطاق بالنسبة إلى مستوي الفراغ من الخطوة 4 في الشكل 5. ولوحظ انخفاض كبير في الفجوة تصل إلى القريب 0.95 eV في هذا نانومركب من قبل الحقول الخارجية. الأهم من ذلك ، يتم الحفاظ علي محاذاة الفرقة متداخلة10. استنادا إلى هذه النتائج ، ومن المتوقع مثل هذا النظام 1D لدمج توليد الهيدروجين الضوئية وتخزين كبسوله أمنه21. ويمكن جمع الكترونات التصويرية من قبل NR. يقودها الجذب الكهربائي ، تخترق البروتونات من خلال NT لتوليد جزيء الهيدروجين. يتم عزل الهيدروجين المنتج تماما داخل الأنابيب النانويه لتجنب رد فعل عكسي غير مرغوب فيه أو انفجار.
الشكل 1: الخط المتعرج BN nanoribbons Z2، z3، و z4 مغلفه داخل الأنابيب المجهرية bn (11 ، 11). يتم سرد طاقة التغليف (EL) تحت كل بنيه. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: هيكل النطاق من الأنابيب المجهرية BN (11, 11) + BN nanoribbon Z4. وتمثل المساهمات المقدمة من الأنابيب النانويه و nanoribbon إلى نطاقات الطاقة في المجالين الأحمر والأزرق ، علي التوالي. تظهر المجموعات اليسرى توزيعات كثافة الشحن لتدابير بناء الثقة والولايات VBM (isovalue 0.02 e/Å3). وقد تم تكييف هذا الرقم من غونغ وآخرون10 باذن من الجمعية الملكية للكيمياء. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: الصورة يولد الكترونات وثقب في BN nanoribbon Z4 في نقطه X. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: الثقب ينفصل عن bn nanoribbon Z4 (kX) إلى الأنابيب المجهرية bn (11 ، 11) (kVBM، نقطه k من vbm لهذا نانومركب). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: تعديل حافه النطاق للأنابيب النانويه BN (11, 11) و BN nanoribbon Z4 بواسطة الحقول الخارجية. تطور حواف النطاق بالنسبة لمستوي الفراغ تحت (ا) حقل كهربائي و (ب) ضغط الشد أحادي المحور. يتم الرمز الاتجاه السلبي للحقل الكهربائي من ذره الحافة السفلي B إلى ذره الحافة العليا N من Z4. إمكانات الحد منH +/H2 وإمكانات الاكسده من o2/H2س هي-4.44 Ev و-5.67 ev في درجه الحموضة = 0 ، علي التوالي. درجه الحموضة = 7 نوبات إمكانات الاكسده المياه (بواسطة pH س 0.059 eV) إلى-4.027 eV و-5.257 eV ، علي التوالي ، كما هو مبين خطوط متقطعه الأزرق. وقد استنسخ هذا الرقم من غونغ وآخرون10 باذن من الجمعية الملكية للكيمياء. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل التكميلي 1: (ا) الهيكل الذري لأنبوب النانو (11, 11) + bn Nanoribbon Z4 مرتبه بعيدا عن الحدود والحد الأدنى للنطاق التوصيل المطابق (B). (ج) البنية الذرية لأنبوب النانو (11 ، 11) والهيكل النووي bn nanoribbon Z4 المحاذية لحدود واحده والحد الأدنى لنطاق التوصيل المطابق لها (D). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
ملف الترميز التكميلية: الرجاء انقر هنا لعرض هذا الملف (انقر بزر الماوس الأيمن للتحميل).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ستكون الحسابات المتعلقة بالممتلكات الكترونيه في الأقسام 2 و 3 و 4 متشابهة بين مواد النانو المختلفة. يجب تصميم النموذج الذري الاولي في الخطوة 1 بعناية لاستخراج معلومات ذات مغزى. فعلي سبيل المثال ، يمكن ان يكون عامل اختيار النموذج هو حجم المواد أو مراميها. أيضا ، يجب ان يكون النموذج الذري الاولي في الخطوة 1.1 علي استعداد معقول للاسترخاء بنيه منخفضه التكلفة. أخذ نانومركب في البروتوكول كمثال ، يجب ان تكون مغلفه NR داخل NT بطريقه متناظرة. والا ، فانه سيكون مضيعه للوقت للبحث في الهيكل الأمثل من قبل VASP.
للنظر في تاثير الحقل الكهربائي ، يتم أضافه ورقه ثنائي القطب الاصطناعي في منتصف جزء الفراغ في خليه وحده دوريه في VASP22. الفراغ منطقه سوفت لا يكون جدا واسعه والمجال كهربائيه سوفت كنت ضعيفه بكفاية ان يتفادى اصطناعية مجال أذاعه23.
في حين ان تاثير السلالة يمكن ان تتحقق ببساطه عن طريق تغيير المعلمة شعريه في POSCAR ، في نانومركب الوضع سيكون أكثر تعقيدا. الاستجابات المرنة من NR و NT قد تكون مختلفه عن بعضها البعض ، تمر بنفس القوه. وهذا سيؤدي إلى هيكل غير متناسب. علي سبيل المثال ، عندما يتم تطبيق سلاله الشد أحاديه المحور علي طول الاتجاه الدوري ، المعلمة شعريه الأمثل من NT و NR علي طول هذا الاتجاه يتغير من 1.8 الاوليه Å إلى 2.0 Å ، و 2.2 Å ، علي التوالي. مطلوب الخلايا الفائقة الكبيرة لنمذجة: علي الأقل 11 خليه وحده من الخلايا NT و 10 وحده من NR في هذه الحالة (11 × 2.0 Å = 10 × 2.2 Å = 22 Å).
في حين يمكن تحديد خصائص الأرض الكترونيه للمواد من قبل VASP بشكل جيد جدا ، لمعالجه مدي الحياة من الثقوب الضوئية والكترونات الموجودة في حاله متحمس ، فمن الأفضل لاجراء حساب ديناميات nonadiabatic24. هذا أمر مهم لتصميم الخلايا الضوئية مع ناقلات العمر الطويل4.
دور النهج الحسابية التي تؤديها VASP يلعب في اكتشاف المواد الجديدة والفرز للكشف عن الخلايا الضوئية المحتملة للمساعدة في الجهود التجريبية. محاذاة النطاق في مستوي PBE في تقسيم المياه ليست مقنعه كما العمل التجريبي الكمي. وهناك حاجه إلى قيم أكثر دقه لحواف النطاق بالنسبة لإمكانيات الاكسده ، و CBO ، و VBO. سيكون من الأفضل استخدام المختلطة الوظيفية الهجينة-Scuseria-Ernzerhof (HSE)25، ولكن الوقت أكثر استهلاكا من pbe. ومع ذلك ، فان النتائج علي مستوي PBE يمكن ان تكون فعاله لاقتراح استراتيجيات لتعزيز النشاط الضوئي.
وتجدر الاشاره إلى ان التصميم الحسابي من قبل VASP سوف تمكن أيضا من التنبؤ بالمواد الخلوية الشمسية ، والمواد الكهربائية الحرارية ، ومواد بطارية الليثيوم ، ومواد التقاط الغاز ، وما إلى ذلك2. وقد تم الجمع بين الحسابات عاليه الانتاجيه مع إجراءات التعلم الألى لتحسين التنبؤ بالمواد وانخفاضالتكلفة الحسابية 26,27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.
Acknowledgments
وقد حظي هذا العمل بالدعم من مؤسسه الصين للعلوم دكتوراه (المنحة رقم 2017M612348) ، ومؤسسه تشينغداو دكتوراه (المنحة رقم 3002000-861805033070) ، ومن مشروع المواهب الشابة في جامعه المحيطات في الصين (المنحة رقم 3002000-861701013151). ويشكر المؤلفون الانسه يا تشونغ لي علي اعداد السرد.
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/ |
References
- Collins, C., et al. Accelerated discovery of two crystal structure types in a complex inorganic phase field. Nature. 546 (7657), 280-284 (2017).
- Jain, A., Shin, Y., Persson, K. A. Computational predictions of energy materials using density functional theory. Nature Reviews Materials. 1 (1), 15004 (2016).
- de Jong, M., et al. Charting the complete elastic properties of inorganic crystalline compounds. Scientific Data. 2, 150009 (2015).
- 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).
- 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).
- Lejaeghere, K., et al. Reproducibility in density functional theory calculations of solids. Science. 351 (6280), aad3000 (2016).
- 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).
- Perdew, J. P., Burke, K., Ernzerhof, M. Generalized Gradient Approximation Made Simple. Physical Review Letters. 77 (18), 3865-3868 (1996).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zakutayev, A., et al. An open experimental database for exploring inorganic materials. Scientific Data. 5, 180053 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- Makov, G., Payne, M. C. Periodic boundary conditions in ab initio calculations. Physical Review B. 51 (7), 4014-4022 (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yang, L., et al. Combining Photocatalytic Hydrogen Generation and Capsule Storage in Graphene Based Sandwich Structures. Nature Communications. 8, 16049 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Paiera, J., Marsman, M., Hummer, K., Kresse, G. Screened hybrid density functionals applied to solids. Journal of Chemical Physics. 124 (15), 154709 (2006).
- 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).
- 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).
