Summary
Berechnungen des Vienna Ab initio Simulation Package können verwendet werden, um die intrinsischen elektronischen Eigenschaften von nanoskaligen Materialien zu identifizieren und die potenziellen wasserspaltenden Photokatalysatoren vorherzusagen.
Abstract
Rechenwerkzeuge auf Basis der Dichte-Funktionstheorie (DFT) ermöglichen die Erforschung der qualitativ neuen, experimentell erreichbaren nanoskaligen Verbindungen für eine gezielte Anwendung. Theoretische Simulationen vermitteln ein profundes Verständnis der intrinsischen elektronischen Eigenschaften funktionaler Materialien. Das Ziel dieses Protokolls ist es, nach Photokatalysator-Kandidaten durch rechnerische Sektion zu suchen. Photokatalytische Anwendungen erfordern geeignete Bandlücken, geeignete Bandkantenpositionen relativ zu den Redoxpotentialen. Hybride Funktionalitäten können genaue Werte dieser Eigenschaften liefern, sind aber rechnerisch teuer, während die Ergebnisse auf der Funktionsebene Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) effektiv sein könnten, um Strategien für die Bandstrukturierung über elektrisches Feld und Zugdehnung mit dem Ziel, die photokatalytische Leistung zu verbessern. Zur Veranschaulichung wird im vorliegenden Manuskript das DFT-basierte Simulationstool VASP verwendet, um die Bandausrichtung von Nanokompositen in Kombinationen von Nanoröhren und Nanobändern im Bodenzustand zu untersuchen. Um die Lebensdauer von photogenerierten Löchern und Elektronen im angeregten Zustand zu adressieren, sind nonadiabatische Dynamikberechnungen erforderlich.
Introduction
Die weltweite Nachfrage nach sauberer und nachhaltiger Energie hat die Forschung nach vielversprechenden Materialien angekurbelt, um die Abhängigkeit von endlichen Erdölressourcen zu verringern. Simulationen sind effizienter und wirtschaftlicher als Experimente zur Beschleunigung der Suche nach neuen Funktionsmaterialien1. Materialdesign aus theoretischer Sicht2,3,4 ist jetzt immer beliebter aufgrund der schnellen Fortschritte in den Rechenressourcen und theorielichen Entwicklungen, was Computersimulationen zuverlässiger macht5 . Die in vielen Codes implementierten Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) werden robuster und liefern reproduzierbare Ergebnisse6.
Das Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)7 präsentiert einen der vielversprechendsten DFT-Codes zur Vorhersage molekularer und kristalliner Eigenschaften und mehr als 40.000 Studien, die diesen Code verwenden, wurden veröffentlicht. Die meisten Arbeiten werden auf der Funktionsebene8des Perdew-Burke-Ernzerhofs (PBE) durchgeführt, die die Bandbreitenlückengrößen unterschätzt, aber die wesentlichen Trends in Bandausrichtung und Bandoffsets3einfängt. Dieses Protokoll zielt darauf ab, die Details der Untersuchung der Bandkantenprofile und Bandlücken von nanoskaligen Materialien für saubere und erneuerbare Energien mit diesem Berechnungswerkzeug zu skizzieren. Weitere Beispiele mit VASP finden Sie unter https://www.vasp.at.
Dieser Bericht stellt das Rechenscreening eindimensionaler (1D) vdW-Heterostrukturen mit Typ-II-Bandausrichtungen9 für eine vielversprechende Anwendung in der photokatalytischen Wasserspaltung4vor. Als Beispiel werden Nanobänder (NRs), die in Nanoröhren (NTs) gekapselt sind, als Beispiel10untersucht. Um nicht kovalente Wechselwirkungen zu adressieren, sind vdW-Korrekturen mit der DFT-D3-Methode enthalten11. Die DFT-Berechnungen in den Schritten 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2 und Abschnitt 4 von VASP werden von den Hochleistungsforschungscomputern im CenTOS-System mit einem PBS-Skript (Portable Batch System) durchgeführt. Ein Beispiel für ein PBS-Skript wird in den ergänzenden Materialiengezeigt. Die Datennachbearbeitung durch die P4VASP-Software in Schritt 3.3 und das Figurendiagramm der xmgrace-Software in Schritt 3.4 werden auf einem lokalen Computer (Laptop oder Desktop) im Ubuntu-System durchgeführt.
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Protocol
1. Optimieren Sie die atomare Struktur.
- Bereiten Sie vier Eingabedateien für die Berechnung der Strukturentspannung durch VASP vor: INCAR, POSCAR, POTCAR und KPOINTS.
HINWEIS: Es gibt in der INCAR-Datei bestimmte Parameter, die die Berechnung definieren. Die Zeile "EDIFFG = 0.02" in der INCAR-Datei gibt an, dass alle Atome entspannt sind, bis die Kraft auf jedem Atom <0.02 eV/A ist. Die POSCAR-Datei enthält die atomaren Geometrieinformationen. Die anfänglichen Gitterparameter in der POSCAR-Datei können aus theoretischen3 oder experimentellen Referenzen12,13ausgewählt werden. Die KPOINTS-Datei definiert das k-Punktnetz und POTCAR ist die Pseudopotential-Datei. Die Reihenfolge der Atomtypen in POSCAR sollte die gleiche sein wie in POTCAR. Beispiele für Eingabedateien zur Strukturentspannung sind in den ergänzenden Materialien aufgeführt (mit Ausnahme der Pseudopotential-Datei, die eine Lizenz von VASP benötigt).- Generieren Sie die ursprüngliche Struktur von Bornitrid (BN) Nanobändern (NR) für "POSCAR".
- Laden Sie die POSCAR-Datei für die BN-Masseneinheit von https://materialsproject.org herunter.
- Verwenden Sie v2xsf, um die POSCAR-Datei in eine Datei im xsf-Format zu konvertieren, die von xcrysden gelesen werden kann. Geben Sie v2xsf POSCAR auf dem Terminal im Ubuntu-System ein, um "POSCAR.xsf.gz" zu erhalten. Geben Sie gunzip POSCAR.xsf.gz ein und geben Sie die Datei POSCAR.xsf aus.
- Verwenden Sie xcrysden, um die BN-Superzelle zu erstellen.
- Geben Sie xcrysden --xsf POSCAR.xsf auf dem Terminal im Ubuntu-System ein. Wählen Sie das Menü Ändern/Anzahl der gezeichneten Einheiten aus, und erweitern Sie die Zelle in X- und Y-Richtung.
- Wählen Sie das Menü Datei/XSF-Struktur speichern aus, um die Superzellenstruktur mit dem Namen "supercell" zu exportieren.
HINWEIS: Der Name der Struktur ist eine beliebige Definition.
- Verwenden Sie xmakemol, um die Superzelle zu öffnen. Geben Sie xmakemol -f supercell auf dem Terminal im Ubuntu-System ein. Wählen Sie das Menü Bearbeiten/Sichtbar. Klicken Sie auf Umschalten, um die Atome innerhalb des Bereichs zu löschen und den NR auf die gewünschte Breite und Chiralität zu schneiden.
- Generieren Sie die Anfangsstruktur der BN-Nanoröhre (NT) für POSCAR. Herunterladen "NanotubeModeler" von http://www.jcrystal.com/products. Öffnen Sie NanotubeModeler.exe im Windows-System. Wählen Sie das Menü Typ/B-N auswählen und geben Sie die Chiralität an. Wählen Sie das Menü Datei/XYZ-Tabelle speichern aus, um die Struktur zu exportieren.
- Generieren Sie die Ausgangsstruktur des Nanokompososit, indem Sie den NR (ab Schritt 1.1.1) innerhalb des NT (ab Schritt 1.1.2) einkapseln.
ANMERKUNG: Die Verkapselung kann durch Anpassen der kartesischen Koordinaten des NR und des NT10,14,15abgeschlossen werden. - Verwenden Sie die vmd-Software, um die atomare Struktur zu überprüfen, bevor Sie den Berechnungsauftrag übermitteln.
- Geben Sie vmd auf dem Terminal im Ubuntu-System ein. Wählen Sie im geöffneten vmd-Hauptfenster das Menü Datei/Neues Molekül aus und suchen Sie die POSCAR-Datei über das Fenster Durchsuchen. Laden Sie POSCAR, indem Sie VASP_POSCAReingeben.
- Zeigen Sie die Struktur in verschiedenen Stilen im Fenster Grafische Darstellungen/Zeichnungsmethode an.
HINWEIS: Wenn z. B. der CPK ausgewählt ist, wird jedes Atom (Bindung) durch eine Kugel (Stick) dargestellt. Die Installationsanleitung und das vollständige Tutorial von vmd finden Sie unter http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
- Generieren Sie die ursprüngliche Struktur von Bornitrid (BN) Nanobändern (NR) für "POSCAR".
- Geben Sie qsub job.pbs auf dem Terminal im Linux-System ein, um den Auftrag an den Computercluster zu senden.
HINWEIS: "job.pbs" stellt den Namen des PBS-Skripts dar. Der Name des PBS-Skripts ist eine beliebige Definition. Die vier Eingabedateien zusammen mit dem PBS-Skript sollten sich im Arbeitsverzeichnis befinden. Der Befehl qsub job.pbs wird in den Schritten 2.2, 3.2, 3.5.2 und Abschnitt 4 verwendet. Ein Beispiel für ein PBS-Skript finden Sie in der zusätzlichen Codierungsdatei. Nachdem der eingereichte Auftrag abgeschlossen ist, wird das konvergierte Ergebnis ermittelt, wenn"die erforderliche Genauigkeit erreicht ist - die Stopp-Strukturenergieminimierung"am Ende des Ausgabeprotokolls erscheint. Die resultierende CONTCAR-Datei wird als Eingabedatei POSCAR in den Schritten 2.1, 3.1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4 und Abschnitt 4.2 verwendet.
2. Berechnen Sie die Verkapselungsenergie.
- Typ mkdir nanocomposite isoliert-nanoribbon isoliert-nanotube, um drei Ordner für das Nanokomposit, den NR und den NT auf einem Terminal in einem Linux-System zu erstellen. Bereiten Sie ein PBS-Skript "job.pbs" und vier Eingabedateien INCAR, POSCAR, POTCAR und KPOINTS für die Energieberechnung in jedem Ordner vor.
HINWEIS: Die Eingabedatei POSCAR ist die Datei mit dem Namen CONTCAR mit der entspannten Struktur aus Schritt 1. Beispiele für Eingabedateien sind in ergänzenden Materialien angegeben (außer POTCAR). - Wechseln Sie zu jedem Ordner und geben Sie qsub job.pbs auf dem Terminal im Linux-System ein.
HINWEIS: Die drei eingereichten Aufträge führen die statischen selbstkonsistenten Energieberechnungen für das Nanokomposit, isoliertes NR bzw. isoliertes NT durch. - Extrahieren Sie die Gesamtenergie aus der Datei OUTCAR für jedes System, nachdem Sie die statischen selbstkonsistenten Berechnungen abgeschlossen haben. Typ grep "freie Energie TOTEN" ./nanocomposite/OUTCAR | tail -n 1, grep "free energy TOTEN" ./isolated-nanoribbon/OUTCAR | tail -n 1, and grep "free energy TOTEN" ./isolated-nanotube/OUTCAR | tail -n 1. Definieren Sie die drei angezeigten Werte als ENT+NR, ENRund ENT. Berechnen Sie die Verkapselungsenergie pro angstrom: EL = (ENT+NR - ENT -ENR)/L14,15.
HINWEIS: Die periodische Richtung in jedem System befindet sich entlang der Z-Achse und L ist die Gitterkonstante der Einheitszelle entlang der Z-Achse. Es werden Testberechnungen der Energieabhängigkeit von der Ebenenwellen-Cutoff-Energie und dem k-Punktnetz benötigt. Die Verkapselungsenergie kann als Schätzung für die energetische Stabilität des Nanokomposososik verwendet werden.
3. Extrahieren Sie die elektronischen Eigenschaften aus der Bandstruktur.
- Bereiten Sie ein PBS-Skript "job.pbs" und sechs Eingabedateien vor: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, CHGCAR und CHG für die Bandberechnung. IchARG = 11 in INCAR einstellen.
HINWEIS: Die vorkonvergenten CHGCAR- und CHG-Dateien stammen aus den statischen selbstkonsistenten Berechnungen in Schritt 2.2. Die Bandanalyse erfolgt auf PBE-Ebene. Das k-Punkt-Sampling in der KPOINTS-Datei befindet sich im Linienmodus. Beispiele für Eingabedateien für diesen Schritt finden Sie in den ergänzenden Materialien (außer POTCAR). - Geben Sie qsub job.pbs auf dem Terminal im Linux-System ein, um den Auftrag zu übermitteln.
- Verwenden Sie P4VASP, um das projizierte Band zu generieren.
- Laden Sie "vasprun.xml" durch Eingabe von p4v vasprun.xml auf terminal im Ubuntu-System.
HINWEIS: "p4v" wird verwendet, um P4VASP zu starten. Die Datei "vasprun.xml" sollte sich im Arbeitsverzeichnis befinden. - Wählen Sie das Menü Elektronische/Lokale DOS+Bänder-Steuerelement und dann Auswählen/ Bänder.
- Geben Sie die Ordnungszahlen von NT im Abschnitt Atomauswahlan. Holen Sie sich die Ordnungszahl, indem Sie auf die entsprechenden Atome zeigen, die vmd verwenden, wie in Schritt 1.1.4 erwähnt. Geben Sie die Farbe, den Typ und die Größe des Symbols für die projizierte Bandstruktur über das Menü Symbol und Symbolgröße an. Drücken Sie das Menü Neue Zeile hinzufügen.
HINWEIS: Das Diagramm zeigt die Bandstruktur mit Beiträgen des NT. - Wiederholen Sie das gleiche Verfahren nach Schritt 3.3.2.1, um das projizierte Band mit Beiträgen des NR abzubekommen.
- Geben Sie die Ordnungszahlen von NT im Abschnitt Atomauswahlan. Holen Sie sich die Ordnungszahl, indem Sie auf die entsprechenden Atome zeigen, die vmd verwenden, wie in Schritt 1.1.4 erwähnt. Geben Sie die Farbe, den Typ und die Größe des Symbols für die projizierte Bandstruktur über das Menü Symbol und Symbolgröße an. Drücken Sie das Menü Neue Zeile hinzufügen.
- Wählen Sie das Menü Graph/Export. Exportieren Sie das Diagramm in eine Datei mit einem agr-Format (z. B. als "11-4.agr").
ANMERKUNG: Die Ausgabedaten der projizierten Bänder durch P4VASP befinden sich in drei Spalten, wobei die dritte die Gewichtung darstellt.
- Laden Sie "vasprun.xml" durch Eingabe von p4v vasprun.xml auf terminal im Ubuntu-System.
- Verwenden Sie xmgrace, um das projizierte Band zu bearbeiten.
- Geben Sie xmgrace 11-4.agr auf dem Terminal ein, um xmgrace im Ubuntu-System zu starten. Wählen Sie das Menü Plot/Achsen-Eigenschaften aus, um die Beschriftung und den Bereich der Achse zu bearbeiten.
- Wählen Sie das Menü Darstellung/Darstellung festlegen aus, um den Energiewert an der angegebenen Bandnummer und dem k-Punkt zu lesen.
HINWEIS: Das Valence-Bandmaximum (VBM) und das Leitungsbandminimum (CBM) von NR/NT können aus dem projizierten Band mit Beiträgen auf NR/NT gelesen werden. Je nach Bandausrichtung können Heterostrukturen in drei Typen eingeteilt werden: Typ I (VBMNT - Berechnen Sie den Valence-Bandoffset (VBO), den Leitungsbandoffset (CBO) und den Bandabstand nach Kang et al.16.
- Wählen Sie das Menü Datei/Drucken aus, um das Diagramm im Eps-Format zu exportieren.
- Berechnen Sie die bandzerlegte Ladungsdichte für VBM und CBM.
- Bereiten Sie ein PBS-Skript "job.pbs" und sieben Eingabedateien vor: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, CHGCAR und CHG. Geben Sie die Bandnummern für das CBM und VBM durch das Tag IBAND in INCAR an. Verwenden Sie den einzelnen entsprechenden k-Punkt für jede Bandkante.
HINWEIS: Die vorkonvergenten CHGCAR-, CHG- und WAVECAR-Dateien stammen aus den statischen selbstkonsistenten Berechnungen in Schritt 2.2. Beispiele für Eingabedateien für diesen Schritt finden Sie in den ergänzenden Materialien (außer POTCAR). - Geben Sie qsub job.pbs auf dem Terminal im Linux-System ein, um den Auftrag zu übermitteln.
- Verwenden Sie vmd, um VBM und CBM im realen Raum darzustellen, nachdem der Auftrag abgeschlossen ist.
- Starten Sie eine vmd-Sitzung, und laden Sie die POSCAR-Datei wie in Schritt 1.1.4.
- Wählen Sie das Menü Datei/Neues Molekül im vmd-Hauptfenster aus. Finden Sie die PARCHG-Datei über das Fenster Durchsuchen. Laden Sie PARCHG, indem Sie VASP_PARCHGeingeben.
- Wählen Sie im Fenster Grafische Darstellungen die Menüs Zeichnen/Volumenkörperoberfläche und Show/Isosurface aus. Ändern Sie den Isowert in einen geeigneten Wert (z. B. 0,02). Ändern Sie die Farbe der Isooberfläche über das Menü Färbungsmethode.
HINWEIS: Dies ist eine intuitive Analyse für Bandtypen in Bezug auf die in Schritt 3.4. Im Allgemeinen ist die atomare Struktur von der Grenze weg angeordnet, ansonsten wird die visualisierte Ladungsdichte nicht kontinuierlich dargestellt. Weitere Informationen finden Sie in der Zusatzabbildung 1.
- Bereiten Sie ein PBS-Skript "job.pbs" und sieben Eingabedateien vor: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS, WAVECAR, CHGCAR und CHG. Geben Sie die Bandnummern für das CBM und VBM durch das Tag IBAND in INCAR an. Verwenden Sie den einzelnen entsprechenden k-Punkt für jede Bandkante.
4. Modulieren Sie die elektronischen Eigenschaften des Nanokompososit (NT in NR gekapselt) durch externe Felder.
- Fügen Sie dem Nanokomposit17ein transversales elektrisches Feld hinzu.
- Bereiten Sie ein PBS-Skript "job.pbs" und vier Eingabedateien vor: INCAR, POSCAR, POTCAR und KPOINTS.
- Definieren Sie die Stärke des elektrischen Feldes durch das Tag "EFIELD" in Einheiten von eV/A.
- Legen Sie LDIPOL = T fest. Geben Sie IDIPOL mit einem genauen Wert (1, 2 oder 3) an.
HINWEIS: Diese beiden Tags werden hinzugefügt, um Dipolkorrekturen einzuschließen. Das elektrische Feld wird entlang der X-, Y- oder Z-Achse angewendet, indem der Wert von IDIPOL auf 1, 2 oder 3 gesetzt wird. - Führen Sie die statischen selbstkonsistenten Berechnungen und Bandstrukturberechnungen nach den Abschnitten 2 und 3 ohne Strukturoptimierung durch.
ANMERKUNG: Frühere Studien deuten darauf hin, dass elektrische Felder über 5 V/A verwendet werden können, um den Bandspalt von BN-NT und BN-NR zu verändern, ohne die Struktur zu verformen18,19.
- Fügen Sie dem Nanokomposit einen Längszug hinzu.
- Ändern Sie die Gitterparameter entlang der periodischen Richtung, um den Dehnungseffekt widerzuspiegeln.
HINWEIS: Der optimierte Gitterparameter des Nanokomposits entlang der Z-Achse beträgt z. B. 2,5045 ° Wenn 1% uniaxialer Zugdehnung entlang der Z-Richtung angewendet wird, ändern Sie den Gitterparameter in POSCAR in 2.5045 x 1.01 = 2.529545 '. - Entspannen Sie die geänderte Struktur nach Abschnitt 1.
- Führen Sie statische selbstkonsistente Berechnungen und Bandstrukturberechnungen nach den Abschnitten 2 und 3 durch.
- Ändern Sie die Gitterparameter entlang der periodischen Richtung, um den Dehnungseffekt widerzuspiegeln.
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Representative Results
Als repräsentative Beispiele für eine 1D vdW Heterostruktur wurden Zigzag-BN-NRs im Innensessel BN-NTs (11,11) ausgewählt. Die Gitterparameter wurden von Sahin et al.20entnommen. Der Einfachheit halber werden Zickzack-NRs znabgekürzt, wobei n die III-V-Dimere entlang der Breite14darstellt. Die Verkapselungsenergie EL aus Schritt 2.3 wurde als grobe Schätzung für die energetische Stabilität des Nanokomposits verwendet. DieE-L-Werte von Z2, Z3und Z4, gekapselt in BN-NT (11,11) waren -0,033 eV/-, -0,068 eV/-- und -0,131 eV/-- bzw.10, wie in Abbildung 1dargestellt. Obwohl EL um eine Größenordnung mit BN-NR-Größe variierte, präsentierten alle drei Nanokompositen Typ-II-Bandstrukturen (ab Schritt 3.4) besser als die All-Carbon-Fälle14, wobei Typ II nur für NR mit nur einer geeigneten Größe auftauchte. in NT14eingefügt.
Die Bandstruktur des Nanokompositaus Schritt 3.2, BN-NT (11,11) + Z4, ist in Abbildung 2dargestellt. VBM/CBM befindet sich bei NT/NR (ab Schritt 3.5). Die gestaffelte Bandausrichtung war vorteilhaft für die leichte Ernte. Der Hauptmechanismus der Ladungsübertragung ist wie folgt: Das Foto erzeugt Elektronen und ein Loch in Z4 am X-Punkt, dargestellt in Abbildung 3, und dann löst sich das Loch von Z4 (kX) zu NT (11,11) (kVBM, der k Punkt von VBM für Nanokomposit), dargestellt in Abbildung 4. Der berechnete VBO (ab Schritt 3.4.3) ist 317 meV, größer als die thermische Energie bei 300 K (KT 30 meV), und verringert effektiv die Rekombinationsrate der photogenerierten Träger10.
Um die Lichternte durch ein breites Spektrum zu verbessern, werden sowohl transversale elektrische Felder als auch Längszugstämme auf BN-NT (11,11) + Z4angewendet. Die Entwicklung der Bandkanten relativ zum Vakuumpegel von Schritt 4 ist in Abbildung 5dargestellt. In diesem Nanokomposit wird durch externe Felder eine erhebliche Lückenverringerung bis nahe 0,95 eV beobachtet. Noch wichtiger ist, dass die gestaffelte Bandausrichtung10erhalten bleibt. Basierend auf diesen Ergebnissen soll ein solches 1D-System die photokatalytische Wasserstofferzeugung und den sicheren Kapselspeicher integrieren21. Die photogenerierten Elektronen konnten von NR gesammelt werden. Angetrieben durch elektrostatische Anziehung dringen Protonen durch das NT ein, um ein Wasserstoffmolekül zu erzeugen. Der erzeugte Wasserstoff wird im Nanoröhrchen vollständig isoliert, um eine unerwünschte Rückreaktion oder Explosion zu vermeiden.
Abbildung 1: Zickzack-BN-Nanobänder Z2, Z3und Z4 in einem BN-Nanorohr gekapselt (11,11). Die Verkapselungsenergie (EL) ist in jeder Struktur aufgeführt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Bandstruktur des BN-Nanoröhren (11,11) + BN-Nanoband Z4. Die Beiträge aus dem Noröhrchen und dem Nanoband zu den Energiebändern sind in roten bzw. blauen Sphären dargestellt. Die linken Einschnitte zeigen die Ladungsdichteverteilungen des CBM und der VBM-Zustände (Isowert 0,02e/3). Diese Figur wurde von Gong et al.10 mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry adaptiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Das Foto erzeugt Elektronen und ein Loch im BN-Nanoband Z4 am X-Punkt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Das Loch trennt sich vom BN-Nanoband Z4 (kX) zum BN-Nanorohr (11,11) (kVBM, der k-Punkt von VBM für dieses Nanokomposit). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Bandkantenmodulation des BN-Nanoröhren (11,11) und des BN-Nanobandes Z4 nach externen Feldern. Entwicklung der Bandkanten relativ zum Vakuumpegel unter (A) ein elektrisches Feld und (B) uniaxiale Zugdehnung. Die negative Richtung des elektrischen Feldes wird vom unteren Randatom B bis zum oberen Randatom N von Z4bezeichnet. Das Reduktionspotential von H+/H2 und das Oxidationspotential vonO2/H2O sind -4,44 eV bzw. -5,67 eV bei pH = 0. Der pH = 7 verschiebt die Redoxpotentiale des Wassers (durch pH x 0,059 eV) auf -4,027 eV bzw. -5.257 eV, die als blaue gestrichelte Linien angezeigt werden. Diese Figur wurde von Gong et al.10 mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry reproduziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 1: (A) Atomstruktur eines BN-Nanoröhrchens (11,11) + BN-Nanoband Z4, das von der Grenze und dem entsprechenden Leitungsband minimum (B) angeordnet ist. (C) Atomstruktur eines BN-Nanoröhren (11,11) und BN-Nanobandes Z4, ausgerichtet an einer Grenze und dem entsprechenden Leitungsband Minimum (D). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Codierungsdatei: Bitte klicken Sie hier, um diese Datei anzuzeigen (Rechtsklick zum Download).
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Discussion
Die Berechnungen für elektronische Eigenschaften in den Abschnitten 2, 3 und 4 wären bei verschiedenen nanoskaligen Materialien ähnlich. Das ursprüngliche atomare Modell in Schritt 1 sollte sorgfältig entworfen werden, um aussagekräftige Informationen zu extrahieren. Der Faktor für die Auswahl des Modells kann z. B. die Größe oder Chiralität der Materialien sein. Auch das ursprüngliche Atommodell in Schritt 1.1 sollte vernünftig auf eine kostengünstige Strukturentspannung vorbereitet sein. Am Beispiel des Nanokomposit im Protokoll sollte der NR symmetrisch im NT eingekapselt werden. Andernfalls ist es zeitaufwändig, die optimierte Struktur nach VASP zu durchsuchen.
Um die Wirkung eines elektrischen Feldes zu berücksichtigen, wird in der Mitte des Vakuumteils in der periodischen Einheitszelle in VASP22ein künstliches Dipolblech hinzugefügt. Der Vakuumbereich sollte nicht zu breit sein, und das elektrische Feld sollte schwach genug sein, um künstliche Feldemissionen zu vermeiden23.
Während die Wirkung des Stammes einfach durch eine Änderung des Gitterparameters in POSCAR realisiert werden kann, wäre die Situation im Nanokomposit komplexer. Die elastischen Reaktionen des NR und NT können sich voneinander unterscheiden und die gleiche Festigkeit haben. Dies wird zu einer unverhältnismäßigen Struktur führen. Wenn z. B. die uniaxiale Zugdehnung entlang der periodischen Richtung angewendet wird, ändert sich der optimierte Gitterparameter des NT und NR entlang dieser Richtung von einer anfänglichen 1,8 zu 2,0 " bzw. 2,2 %. Für die Modellierung werden große Superzellen benötigt: in diesem Fall mindestens 11 Einheitszellen von NT und 10 Einheitenzellen von NR (11 x 2,0 x = 10 x 2,2 x 22 X).
Während Bodenzustand elektronische Eigenschaften von Materialien können durch VASP ziemlich gut bestimmt werden, um die Lebensdauer der photogenerierten Löcher und Elektronen in einem angeregten Zustand vorhanden zu adressieren, ist es besser, nonadiabatic Dynamik Berechnung durchzuführen24. Dies ist wichtig, um Photokatalysatoren mit langlebigen Trägern zu entwerfen4.
Die Rolle des von VASP durchgeführten Rechenansatzes spielt bei der Entdeckung neuartiger Materialien und dem Screening auf potenzielle Photokatalysatoren zur Unterstützung experimenteller Bemühungen eine Rolle. Die Bandausrichtung auf PBE-Ebene im Wassersplitting ist nicht so überzeugend wie quantitative Versuchsarbeit. Genauere Werte der Bandkanten im Verhältnis zu den Redoxpotentialen, CBO und VBO sind erforderlich. Am besten wäre es, die Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) Hybridfunktion25zu verwenden, aber es ist zeitaufwändiger als PBE. Dennoch könnten die Ergebnisse auf PBE-Ebene effizient sein, um Strategien zur Verbesserung der photokatalytischen Aktivität vorzuschlagen.
Es sollte erwähnt werden, dass das Berechnungsdesign von VASP auch die Vorhersage von Solarzellenmaterialien, thermoelektrischen Materialien, Lithium-Batteriematerialien, Gasabscheidungsmaterialien usw. ermöglichenwird. 2. Berechnungen mit hohem Durchsatz wurden mit den Machine Learning-Verfahren kombiniert, um eine bessere Materialvorhersage und niedrigere Rechenkosten zu verbessern26,27.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2017M612348), Qingdao Postdoctoral Foundation (Grant No. 3002000-861805033070) und dem Young Talent Project der Ocean University of China (Grant No. 3002000-861701013151) unterstützt. Die Autoren danken Frau Ya Chong Li für die Vorbereitung der Erzählung.
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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