Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

בדיקה סוג II הלהקה יישור ב-One-מימדי ואן דר וואלס הטרובנים באמצעות חישובי עקרונות ראשונים

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

חישובים שבוצעו על ידי חבילת הסימולציה של וינה Ab, ניתן להשתמש כדי לזהות את המאפיינים האלקטרוניים הפנימיים של חומרים ננו-סקאלה ולחזות את הפוטנציאל מפצל את המים הפוטנציאליים.

Abstract

כלים חישוביים המבוססים על שימוש בתיאוריות מבוססות-צפיפות (DFT) מאפשרים את חיפושי התרכובות החדשות באיכות החדשה, המאפשרות השגה של האפליקציה ליישום ממוקד. סימולציות תאוראניות מספקות הבנה מעמיקה של המאפיינים האלקטרוניים הפנימיים של חומרים פונקציונליים. המטרה של פרוטוקול זה היא לחפש מועמדים פוטוcatalyst על ידי ניתוח חישובית. יישומים פוטוקטליטיים דורשים פערים מתאימים של הלהקה, תנוחות קצה הלהקה המתאימות ביחס לפוטנציאלים מחדש. פונקציונלים היברידיים יכולים לספק ערכים מדויקים של מאפיינים אלה, אך הם יקרים מבחינה חישובית, ואילו התוצאות ברמה הפונקציונלית Perdew-בורק-אורזרהוף (PBE) יכולות להיות אפקטיביות עבור הצעה אסטרטגיות עבור הנדסת מבנה הלהקה באמצעות שדה חשמלי זן מתיחה במטרה לשפר את הביצועים photocatalytic. כדי להדגים את זה, בכתב יד הנוכחי, כלי הסימולציה של DFT מבוסס VASP משמש כדי לחקור את היישור הלהקה של ננו-מרוכבים בשילובים של צינוריות ו nanoribbons במצב הקרקע. כדי לטפל במשך החיים של החורים והאלקטרונים במצב נרגש, יש צורך בחישובי דינמיקה לא-אדיאביטיים.

Introduction

הביקוש העולמי לאנרגיה נקייה ובעלת מבנה-בר מדרבן מחקר לחומרים מבטיחים להפחתת התלות במשאבי נפט סופיים. סימולציות יעילות וחסכוניות יותר מאשר ניסויים בהאצת החיפוש אחר חומרים פונקציונליים חדשים1. עיצוב חומרים מנקודת מבט תאורטית2,3,4 הוא כעת יותר ויותר פופולרי בשל ההתקדמות המהירה במשאבי חישוביות והתפתחויות תאוריה, מה שהופך סימולציות חישוביות אמינות יותר5 . התיאוריה הפונקציונלית הצפיפות (DFT) חישובים מיושם קודים רבים הופכים חזקים יותר ולהניב תוצאות התשואה6.

חבילת הסימולציה של וינה Ab (VASP)7 מציג את אחד הקודים dft המבטיחים ביותר לניבוי מאפיינים מולקולריים וגבישי ויותר מ 40,000 מחקרים שימוש בקוד זה פורסמו. רוב העבודה מבוצעת ב-Perdew-בורק-ארנזרהוף (PBE) ברמה8, שאינה מעריכה את גודלי הפער של הלהקה, אך לוכדת את המגמות החיוניות ביישור הלהקה ובהסטת הרצועה3. פרוטוקול זה נועד לתאר את הפרטים של חקירת פרופילי קצה הלהקה ומפרצות של חומרי ננו-שינוי עבור אנרגיה נקייה ומתחדשת באמצעות כלי זה חישובית. דוגמאות נוספות המשתמשות ב-VASP זמינות ב-https://www.vasp.at.

דו ח זה מציג את ההקרנה החישובית של מימדי (1D) vdW הטרובנים עם סוג II להקות הלהקה9 עבור יישום מבטיח בשנת photocatalytic פיצול4. באופן ספציפי, nanoribbons (NRs) כימוס בתוך צינוריות (NTs) נבדקים כדוגמה10. כדי לטפל באינטראקציות שאינן באמצעות שימוש בלתי קוולנטי, תיקוני vdW באמצעות שיטת DFT-D3 נכללים11. חישובי DFT בשלבים 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2, וסעיף 4 על-ידי VASP מתבצעים באמצעות סקריפט מערכת אצווה נייד (PBS) על ידי מחשבים מחקר ביצועים גבוהים במערכת CenTOS. דוגמה לסקריפט PBS מוצגת בחומרים המשלימים. הנתונים postprocessing על ידי התוכנה P4VASP בשלב 3.3 ואת העלילה איור על ידי תוכנת xmgrace בשלב 3.4 מתבצעות במחשב מקומי (מחשב נייד או שולחן עבודה) במערכת אובונטו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. מיטוב המבנה האטומי.

  1. הכן ארבעה קבצי קלט עבור חישוב מבנה הרפיה על ידי VASP: INCAR, POSCAR, פוטקאר, ו KPOINTS.
    הערה: קיימים פרמטרים מצוינים בקובץ INCAR המגדירים את החישוב. הקו "E0.02 g = 0.02" בקובץ INCAR מציין כי כל האטומים רגועים עד הכוח על כל אטום הוא < eV/Å. הקובץ POSCAR מכיל את מידע הגיאומטריה האטומית. הפרמטרים הראשוניים של השבכה בקובץ poscar ניתן לבחור מתוך3 תיאורטי אוהתייחסותניסיונית12,13. הקובץ KPOINTS מגדיר את רשת ה-k point ו-פוטקאר הוא הקובץ הפסבדו-אקראי. הסדר של סוגי האטום ב POSCAR צריך להיות זהה לזה ב-פוטקאר. דוגמאות לקבצי קלט להרפיה מבנה מוצגות בחומרים המשלימים (למעט הקובץ הפסבדו-אקראי, הדורש רישיון מ-vasp).
    1. צור את המבנה הראשוני של בורון ניטריד (בסון) nanoribbons (NR) עבור "poscar".
      1. הורד את הקובץ POSCAR עבור יחידת בצובר של BN מ https://materialsproject.org.
      2. השתמש v2xsf כדי להמיר את הקובץ POSCAR לקובץ בפורמט xsf שניתן לקרוא על ידי xcryסדן. סוג V2XSF POSCAR על הטרמינל במערכת אובונטו כדי לקבל "poscar. xsf. gz". הקלד gunzip poscar. xsf. gz פלט את הקובץ poscar. xsf.
      3. השתמש ב-xcrysden כדי לבנות את תא הסופר-בסון.
        1. סוג xcrysden--XSF POSCAR. xsf בטרמינל במערכת אובונטו. בחר את התפריט שינוי/מספר היחידות שצוירו והרחב את התא בכיוונים X ו-Y.
        2. בחר את קובץ התפריט /שמור מבנה XSF כדי לייצא את מבנה תא הסופר, בשם "supercell".
          הערה: שם המבנה הוא הגדרה שרירותית.
      4. . השתמש בקסמול כדי לפתוח את תא-העל סוג xmakemol-f סופר תא בטרמינל במערכת אובונטו. בחר את התפריט ערוך/גלוי. לחץ על החלף כדי למחוק את האטומים בתוך האזור ולחתוך את ה-NR לרוחב הרצוי וכיראליות.
    2. ליצור את המבנה הראשוני של בסון ננוtube (NT) עבור POSCAR. הורד את "ננוטובמעצב" מhttp://www.jcrystal.com/products. פתח את NanotubeModeler. exe במערכת Windows. בחר בתפריט בחר סוג/B-N וציין את הטקסט הנבחר . בחר את קובץ התפריט /שמור את הטבלה XYZ כדי לייצא את המבנה.
    3. צור את המבנה הראשוני של הננו-משולב על ידי encapsulating ה-NR (משלב 1.1.1) בתוך NT (משלב 1.1.2).
      הערה: ניתן לסיים את עטיפת האנקפסולציה על-ידי התאמת הקואורדינטות הקרטזיות של ה-NR וה-NT10,14,15.
    4. השתמש בתוכנת vmd כדי לבדוק את המבנה האטומי לפני שליחת משימת החישוב.
      1. סוג vmd בטרמינל במערכת אובונטו. בחלון הראשי הפתוח vmd, בחר את קובץ התפריט/מולקולה חדשה ולמצוא את הקובץ poscar דרך חלון העיון . טען POSCAR ידי הקלדת VASP_POSCAR.
      2. הצגת המבנה בסגנונות שונים בחלון הייצוגים הגרפיים/שיטת הציור .
        הערה: לדוגמה, לאחר הבחירה ב-CPK, כל אטום (בונד) מיוצג על-ידי כדור (מקל). מדריך ההתקנה והדרכה מלאה של vmd זמינים ב http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
  2. הקלד משימת qsub. pbs בטרמינל במערכת לינוקס כדי לשלוח את העבודה לאשכול המחשבים.
    הערה: "job. pbs" מייצג את שם הסקריפט של ה-pbs. שם הסקריפט של ה-PBS. הוא הגדרה שרירותית ארבעת קבצי הקלט יחד עם הסקריפט של ה-PBS צריכים להיות בספריית העבודה. משימת qsub של הפקודה. pbs ישמשו בשלבים 2.2, 3.2, 3.5.2, ובסעיף 4. דוגמה לסקריפט PBS ניתן למצוא בקובץ הקידוד המשלים. לאחר סיום המשימה שנשלחה, אם "הגיע לצמצום מיניטיזציה של אנרגיה מבנית" מופיע בסוף יומן הפלט, התוצאה המתקבלת מתקבלת. קובץ CONTCAR שנוצר ישמש כקובץ הקלט POSCAR בשלבים 2.1, 3.1, 3.5.1, 3.5.3.1, 4.1.1, 4.1.4, וסעיף 4.2.

2. חישוב אנרגיית האנקפסולציה.

  1. סוג mkdir ננופריק מבודד-nanoribbon מבודדים-ננוtube כדי ליצור שלוש תיקיות עבור ננוcomposite, ה-NR, ו-NT על מסוף במערכת לינוקס. הכינו קובץ אחד של PBS "עבודה. pbs" וארבעה קבצי קלט INCAR, POSCAR, פוטקאר, ו kpoints עבור חישוב האנרגיה בכל תיקיה.
    הערה: קובץ הקלט POSCAR הוא הקובץ ששמו CONTCAR עם המבנה הנינוח משלב 1. דוגמאות לקובצי קלט מוצגות בחומרים משלימים (למעט פוטקאר).
  2. עבור אל כל תיקיה והקלד משימת qsub. pbs במסוף במערכת לינוקס.
    הערה: שלושת המשרות שהוגשו יבצעו את חישובי האנרגיה הסטטיים העקביים בצורה עצמית עבור הננו-מורכבים, מבודדים NR, ומבודדים NT, בהתאמה.
  3. חלץ את האנרגיה הכוללת מהקובץ OUTCAR עבור כל מערכת לאחר סיום החישובים הסטטיים העקביים בעצמי. סוג grep "אנרגיה חופשית toten"./ggpteaaaopaasaaa-n-החוצה (הזנב)", grep" אנרגיה חופשית toten "./בדלרהאורבונו/outbogs.oa | זנב-n 1, ו -grep" אנרגיה חופשית toten "./בדל הגדר את שלושת הערכים המוצגים כ-Ent + NR, eNRו-e,בהתאמה. לחשב את האנרגיה אנקפסולציה עבור angstrom: eL = (ENT + nr -eNT -eNR)/l14,15.
    הערה: כיוון הכתב התקופתי בכל מערכת הוא לאורך ציר Z ו-L הוא קבוע הסריג של תא היחידה לאורך ציר Z. בדיקת חישובים של התלות באנרגיה על גל המטוס הפסקת אנרגיה ושינוי נקודת k יש צורך. אנרגיית האנקפסולציה יכולה לשמש כהערכה עבור היציבות האנרגטית של הננו-משולב.

3. חלץ את המאפיינים האלקטרוניים ממבנה הלהקה.

  1. הכינו מכתב אחדשל pbs "עבודה. pbs" ושישה קבצי קלט: INCAR, POSCAR, פוטקאר, kpoints, CHGCAR, ו chg עבור חישוב הלהקה. הגדר Icharg = 11 ב incar.
    הערה: קבצי CHGCAR ו-CHG שנאספו מראש הם מהחישובים הסטטיים העקביים בשלב 2.2. ניתוח הלהקה נמצא ברמת ה-PBE. הדגימה של נקודת k בקובץ KPOINTS היא במצב קו. דוגמאות לקבצי קלט עבור שלב זה ניתן למצוא בחומרים המשלימים (למעט פוטקאר).
  2. הקלד משימת qsub. pbs בטרמינל במערכת לינוקס כדי להגיש את העבודה.
  3. השתמש ב-P4VASP כדי ליצור את הלהקה המתוכננת.
    1. טען "vasprun. xml" על-ידי הקלדת p4v vasprun. xml בטרמינל במערכת אובונטו.
      הערה: "p4v" משמש להפעלת P4VASP. על הקובץ "vasprun. xml" להיות בספריית העבודה.
    2. בחר את בקרת התפריט אלקטרונית/מקומית של DOS + להקות ולאחר מכן בחר/להקות.
      1. ציינו את המספרים האטומיים של NT בבחירהבסעיף Atom. קבל את המספר האטומי על ידי הצבעה על האטומים המתאימים באמצעות vmd כפי שהוזכר בשלב 1.1.4. ציינו את הצבע, הסוג והגודל של הסמל למבנה הרצועה המתוכנן באמצעות סמל התפריט וגודל הסמל. לחץ על התפריט הוסף שורה חדשה.
        הערה: הגרף יציג את מבנה הלהקה באמצעות תרומות מ-NT.
      2. חזור על אותה הפרוצדורה שלאחר 3.3.2.1 שלב כדי לקבל את הלהקה המתוכננת עם תרומות מ-NR.
    3. בחר את גרף התפריט /יצא. יצא את הגרף לקובץ עם תבנית agr (לדוגמה, כ-"11 -4. agr").
      הערה: נתוני הפלט של הלהקות המתוכננות על ידי P4VASP נמצאים בשלוש עמודות שבהן השלישי מייצג את הניפוח.
  4. השתמש ב-xmgrace כדי לערוך את הלהקה המתוכננת.
    1. סוג xmgrace 11 -4. agr בטרמינל כדי להתחיל xmgrace במערכת אובונטו. בחר במאפייני התפריט/מאפייני ציר כדי לערוך את התווית והטווח של הציר.
    2. בחר מראה מגרש/קבע את התפריט כדי לקרוא את ערך האנרגיה במספר הלהקה ובנקודת ה-k שצוינו.
      הערה: להקת הערכיות המרבית (VBM) ולהקת ההולכה המינימלית (CBM) של NR/NT ניתן לקרוא מהלהקה המתוכננת עם תרומות ב-NR/NT, בהתאמה. על פי במערכים הלהקה, הטרובנים ניתן לסווג לשלושה סוגים: סוג I (VBMnt < vbmNR < CBMnr < cbmNT או VBMnr < vbmnt < cbmnt < cbmnr), סוג II (VBMnt < vbmNR < CBMnt < cbmNR או VBMnr < vbmnt < cbmNr < cbmnt), או סוג III (vbmnt < vbmnt < cbmNR < CBMNR או vbm Nr < vbmnr ≪ cbmnt < cbmnt)9.
    3. חשב את היסט פס הערכיות (VBO), היסט פס הולכה (CBO), ופער הרצועות בעקבות קאנג et al.16.
    4. בחר בתפריט קובץ/הדפס כדי לייצא את הגרף בתבנית eps.
  5. חשב את צפיפות הטעינה של הרצועה עבור VBM ו-CBM.
    1. הכינו מכתב אחד של PBS "עבודה. pbs" ושבעה קבצי קלט: INCAR, POSCAR, פוטקאר, kpoints, WAVECAR, chgcar, ו chg. לציין את מספרי הלהקה עבור cbm ו vbm על ידי תג IBAND ב incar. השתמש בנקודת ה-k המתאימה היחידה עבור כל אחד מקצות הרצועה.
      הערה: קבצי CHGCAR, CHG ו-WAVECAR הם מתוך חישובים סטטיים עקביים בשלב 2.2. דוגמאות לקבצי קלט עבור שלב זה ניתנות בחומרים המשלימים (למעט פוטקאר).
    2. הקלד משימת qsub. pbs בטרמינל במערכת לינוקס כדי להגיש את העבודה.
    3. השתמש vmd להתוות VMD ו-CBM בחלל האמיתי לאחר העבודה הסתיימה.
      1. להתחיל הפעלה vmd ולטעון את הקובץ POSCAR כמו בשלב 1.1.4.
      2. בחר את קובץ התפריט /מולקולה חדשה בחלון הראשי של vmd. חפש את קובץ PARCHG בחלון העיון . טען את PARCHG על-ידי הקלדת VASP_PARCHG.
      3. בחר את התפריטים צייר/משטח מוצק והצגה/איזומשטח בחלון ייצוגים גרפיים . שנה את ערך ה-isovalue לערך מתאים (לדוגמה, 0.02). לשנות את צבע המשטח באמצעות שיטת צביעההתפריט.
        הערה: זהו ניתוח אינטואיטיבי לסוגי הלהקה ביחס לזה בשלב 3.4. באופן כללי, המבנה האטומי מסודר מחוץ לגבול, אחרת צפיפות המטען הדומה אינה מוצגת באופן רציף. נא עיין באיור המשלים 1 לקבלת פרטים.

4. לווסת את המאפיינים האלקטרוניים של הננו-משולב (NT שעברו בתוך NR) על ידי שדות חיצוניים.

  1. הוסף שדה חשמלי רוחבי לננו מורכב17.
    1. הכינו מכתב אחדשל ה-pbs וארבעה קבצי קלט: INCAR, POSCAR, פוטקאר ו-kpoints.
    2. הגדר את חוזק השדה החשמלי על ידי התג "Efield" ביחידות של EV/Å.
    3. הגדרת LDIPOL = T. ציין את הערך המדויק של הפונקציה (1, 2 או 3).
      הערה: שני תגים אלה נוספים כדי לכלול תיקוני דיפול. השדה החשמלי יוחל לאורך ציר X, Y או Z על-ידי הגדרת הערך של ה-אידיופול ל-1, 2 או 3.
    4. בצע את החישובים הסטטיים בעלי עקביות עצמית וחישובי מבנה הלהקה לאחר סעיפים 2 ו-3 ללא אופטימיזציה מבנית.
      הערה: מחקרים קודמים מצביעים על כך ששדות חשמליים מעל 5 ו/Å יכולים לשמש כדי לשנות את פער הלהקה של בסון-NT ו בסון-NR מבלי ליטול את המבנה18,19.
  2. להוסיף זן מתיחה האורך של ננו המשולב.
    1. שנה את פרמטרי הסריג לאורך כיוון הכתב כדי לשקף את אפקט הנבג.
      הערה: לדוגמה, פרמטר הסריג הממוטב של הננו-משולב לאורך ציר Z הוא 2.5045 Å. אם 1% מאמץ מתיחה uniaxial מוחל לאורך כיוון Z, לשנות את הפרמטר סריג POSCAR כדי 2.5045 x 1.01 = 2.529545 Å.
    2. הרפה את המבנה שהשתנה לאחר סעיף 1.
    3. בצע חישובים סטטיים בעלי עקביות עצמית וחישובי מבנה הלהקה לאחר סעיפים 2 ו-3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

זיגזג בסון-NRs כימוס בתוך הכורסה BN-NTs (11, 11) נבחרו כדוגמאות מייצגות עבור מבנה vdW של 1D. פרמטרי הסריג נלקחו מסאהין ואח '20. לנוחיותכם, הזיגזג nrs הם מקוצרים Zn, כאשר n מייצגת את III – V דימרים לאורך רוחב14. האנרגיה מעטיפת ה-EL משלב 2.3 שימש כהערכה גסה עבור היציבות האנרגטית של הננו-משולב. ערכי EL של z2, z3, ו-z4 כלפי משטח בתוך BN-NT (11, 11) היו-0.033 EV/å,-0.068 eV/Å, ו-0.131 ev/å, בהתאמה10, כפי שמוצג באיור 1. למרות EL מגוון על ידי סדר גודל עם בסון-NR גודל, כל שלושת nanoקומפוזיציוניים הציג סוג II מבנים הלהקה (משלב 3.4) מעולה על המקרים כל פחמן14, היכן סוג II רק התפתחה עבור NR רק עם גודל אחד המתאים וכנס ל-NT14.

מבנה הלהקה של הננו-המשולב משלב 3.2, BN-NT (11, 11) + Z4, מוצג באיור 2. VBM/CBM מאתרת ב-NT/NR (משלב 3.5), בהתאמה. התאמת הלהקה התנודדה הועילה לקציר האור. המנגנון העיקרי של העברת טעינה הוא כדלקמן: התמונה מייצרת אלקטרונים חור Z4 בנקודת X, המוצג באיור 3, ולאחר מכן את החור הנתק מ-z4 (kX) ל NT (11, 11) (kvbm, k נקודה של vbm עבור זה ננו-משולב), המוצג באיור 4. VBO מחושב (משלב 3.4.3) הוא 317 meV, גדול יותר מאשר האנרגיה התרמית ב 300 K (KT ~ 30 meV), וביעילות מקטין את קצב שילוב מחדש של נושאות פוטומופקים10.

כדי לשפר את הקציר אור באמצעות ספקטרום רחב, הן שדות חשמליים רוחבי וזנים מתיחה האורך מוחלים בסון-NT (11, 11) + Z4. האבולוציה של קצוות הלהקה יחסית לרמת ואקום משלב 4 מוצג באיור 5. הפחתת פער משמעותי עד ליד 0.95 eV הוא נצפתה זה ננו משולב על ידי שדות חיצוניים. חשוב מכך, המערך הרציף של הלהקה נשמר10. בהתבסס על תוצאות אלה, מערכת 1D כגון צפוי לשלב דור מימן פוטוקטליטי ואחסון קפסולה בטוח21. האלקטרונים שהופקו ניתן לאסוף על ידי NR. מונע על-ידי משיכה אלקטרוסטטית, הפרוטונים חודרים דרך NT כדי ליצור מולקולת מימן. המימן המיוצר מבודד לחלוטין בתוך הננו-צינורית כדי למנוע תגובה הפוכה או פיצוץ לא רצויים.

Figure 1
איור 1: בסון nanoribbons Z2, z3, ו-z4 כימוס בתוך שפופרת בסון ננו (11, 11). האנרגיה האנקפסולציה (EL) מפורטת תחת כל מבנה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: מבנה הלהקה של בסון ננוtube (11, 11) + בסון nanoribbon Z4. התרומות מהננו-צינורית והננו לרצועות האנרגיה מיוצגות בספירות אדום וכחול, בהתאמה. ניסות שמאל להראות את צפיפות האשראי הפצות של cbm ואת מדינות vbm (isovalue 0.02 e/Å3). דמות זו הותאמה מגונג ואח '10 באישור החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: התמונה מייצרת אלקטרונים וחור ב-BN nanoribbon Z4 בנקודת X. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: החור הנתק את nanoribbon ב Z4 (kX) לתוך בסון ננוtube (11, 11) (kVBM, k נקודה של vbm עבור זה ננו משולב). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: אפנון קצה הלהקה של הננו-שפופרת BN (11, 11) ו-BN nanoribbon Z4 על ידי שדות חיצוניים. האבולוציה של קצוות הלהקה ביחס לרמת הוואקום תחת (א) שדה חשמלי ו (ב) מאמץ מתיחה uniaxial. הכיוון השלילי של השדה החשמלי מסומן אטום הקצה התחתון B כדי אטום בקצה העליון N של Z4. הפוטנציאל הפחתת של H+/H2 ואת הפוטנציאל חמצון של O2/H2o הם-4.44 ev ו-5.67 eV ב-pH = 0, בהתאמה. ה-pH = 7 מזיזה את הפוטנציאל לחמצון המים (על ידי pH x 0.059 eV) כדי-4.027 eV ו-5.257 eV, בהתאמה, מוצג כמו קווים מקווקווים כחול. דמות זו שוחזר מגונג ואח '10 באישור החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Supplemental Figure 1
משלימה איור 1: (א) מבנה אטומי של בסון ננוtube (11, 11) + בסון Nanoribbon Z4 מסודרים מן הגבול ואת ההרכב המקביל להקה ההולכה (ב). (ג) המבנה האטומי של בסון ננוtube (11, 11) ו בסון nanoribbon Z4 מיושר עם גבול אחד ואת הלהקה המקביל הולכה ההרכב המינימלי (D). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

קובץ קידוד משלים: אנא לחץ כאן כדי להציג קובץ זה (לחץ לחיצה ימנית כדי להוריד).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

החישובים עבור מאפיינים אלקטרוניים בסעיפים 2, 3, ו 4 יהיה דומה בין חומרי ננו שונים. המודל האטומי הראשוני בשלב 1 צריך להיות מתוכנן בקפידה כדי לחלץ מידע בעל משמעות. לדוגמה, הפקטור לבחירת המודל עשוי להיות גודל או כיראליות של החומרים. כמו כן, המודל האטומי הראשוני בשלב 1.1 צריך להיות מוכן באופן סביר להרפיה מבנה בעלות נמוכה. לקיחת הננו-משולב בפרוטוקול כדוגמה, יש לעטוף את ה-NR בתוך NT באופן סימטרי. אחרת, זה יהיה זמן רב לחפש את המבנה אופטימיזציה על ידי VASP.

כדי לשקול את ההשפעה של שדה חשמלי, גיליון דיפול מלאכותי נוסף באמצע חלק ואקום בתא היחידה המחזורית ב-vasp22. אזור הוואקום לא צריך להיות רחב מדי והשדה החשמלי צריך להיות חלש מספיק כדי למנוע פליטת שדה מלאכותי23.

בעוד ההשפעה של המתח יכול להיות פשוט מתגשם על ידי שינוי פרמטר הסריג POSCAR, ב-ננוcomposite המצב יהיה מורכב יותר. התגובות האלסטיים של ה-NR ו-NT עשויות להיות שונות זו מזו, העוברות את אותה העוצמה. . זה יוביל למבנה חסר פרופורציה לדוגמה, כאשר זן מתיחה uniaxial מוחל לאורך כיוון הכתב העת, הפרמטר סריג אופטימיזציה של NT ו-NR לאורך כיוון זה משתנה הראשונית 1.8 Å כדי 2.0 Å, ו 2.2 Å, בהתאמה. על תאי-על גדולים נדרשים למידול: לפחות 11 תאי יחידה של NT ו-10 תאים יחידתי של NR במקרה זה (11 x 2.0 Å = 10 x 2.2 Å = 22 Å).

בעוד המדינה הקרקע מאפיינים אלקטרוניים של חומרים ניתן לקבוע על ידי VASP די טוב, כדי לענות על החיים של חורים שנוצרו ואלקטרונים הקיימים במצב נרגש, עדיף לבצע חישובים דינמיקה שאינה שיפור24. זה חשוב לעצב פוטוזרזים עם ספקים חיים ארוכים4.

תפקידה של הגישה החישובית שבוצעה על-ידי VASP מנגן בגילוי של חומרים חדשניים והקרנה לפוטוזרזים פוטנציאליים כדי לסייע למאמצים ניסיוניים. יישור הלהקה ברמת PBE בפיצול המים אינו משכנע כמו עבודה ניסויית כמותית. יש צורך בערכים מדויקים יותר של קצות הרצועה ביחס לפוטנציאלים החוזרים, CBO ו-VBO. זה יהיה הכי טוב להשתמש Heyd Scuseria-היברידי (HSE) היברידית תפקודית25, אבל זה זמן רב יותר מאשר pbe. עם זאת, התוצאות ברמת ה-PBE יכולות להיות יעילות להצעת אסטרטגיות לשיפור פעילות הפוטוקטליטית.

יש לציין כי העיצוב החישובית על ידי VASP יהיה גם לאפשר חיזוי של חומרים תא סולארי, חומרים תרמואלקטריים, סוללות ליתיום, חומרים לכידת גז, וכו '2. חישובי תפוקה גבוהה בשילוב עם הליכי הלמידה של המחשב לחיזוי חומרים טובים יותר ועלות חישובית נמוכה יותר26,27.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

עבודה זו היתה נתמכת של סין פוסט דוקטורט הקרן (גרנט No. 2017M612348), צ'ינגדאו בתר הקרן (גרנט No. 3002000-861805033070) ומפרויקט כישרון צעיר באושן אוניברסיטת סין (גרנט No. 3002000-861701013151). המחברים מודים למיס יה צ'ונג לי על הכנת הקריינות.

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/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Collins, C., et al. Accelerated discovery of two crystal structure types in a complex inorganic phase field. Nature. 546 (7657), 280-284 (2017).
  2. Jain, A., Shin, Y., Persson, K. A. Computational predictions of energy materials using density functional theory. Nature Reviews Materials. 1 (1), 15004 (2016).
  3. de Jong, M., et al. Charting the complete elastic properties of inorganic crystalline compounds. Scientific Data. 2, 150009 (2015).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Lejaeghere, K., et al. Reproducibility in density functional theory calculations of solids. Science. 351 (6280), aad3000 (2016).
  7. 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).
  8. Perdew, J. P., Burke, K., Ernzerhof, M. Generalized Gradient Approximation Made Simple. Physical Review Letters. 77 (18), 3865-3868 (1996).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Zakutayev, A., et al. An open experimental database for exploring inorganic materials. Scientific Data. 5, 180053 (2018).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Makov, G., Payne, M. C. Periodic boundary conditions in ab initio calculations. Physical Review B. 51 (7), 4014-4022 (1995).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Yang, L., et al. Combining Photocatalytic Hydrogen Generation and Capsule Storage in Graphene Based Sandwich Structures. Nature Communications. 8, 16049 (2017).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Paiera, J., Marsman, M., Hummer, K., Kresse, G. Screened hybrid density functionals applied to solids. Journal of Chemical Physics. 124 (15), 154709 (2006).
  26. 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).
  27. 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).

Tags

כימיה סוגיה 152 חד מימדי ואן דר וואלס הטרונובנים סוג הלהקה השנייה יישור nanoribbon ננוtube העקרונות הראשונים חישובים להקה ערכיות מקסימום פס הולכה מינימלי
בדיקה סוג II הלהקה יישור ב-One-מימדי ואן דר וואלס הטרובנים באמצעות חישובי עקרונות ראשונים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hu, H., Lu, D., Dou, K. P., Shi, X.… More

Hu, H., Lu, D., Dou, K. P., Shi, X. Q. Probe Type II Band Alignment in One-Dimensional Van Der Waals Heterostructures Using First-Principles Calculations. J. Vis. Exp. (152), e60180, doi:10.3791/60180 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter