Probe type II band uitlijning in eendimensionale van der Waals Heterostructuren met behulp van berekeningen van de eerste principes
Summary
Berekeningen die worden uitgevoerd door het Vienna ab initio simulatie pakket kunnen worden gebruikt om de intrinsieke elektronische eigenschappen van nanoschaal materialen te identificeren en de potentiële watersplitsings fotokatalysatoren te voorspellen.
Abstract
Computationele tools op basis van density-functionele theorie (DFT) maken het mogelijk om de kwalitatief nieuwe, experimenteel verkrijgbare nanoschaal verbindingen voor een gerichte toepassing te verkennen. Theoretische simulaties bieden een diepgaand inzicht in de intrinsieke elektronische eigenschappen van functionele materialen. Het doel van dit protocol is om foto katalysator kandidaten te zoeken op computationele dissectie. Fotokatalytische toepassingen vereisen geschikte band openingen, passende band rand posities ten opzichte van de redox potentials. Hybride functionals kunnen nauwkeurige waarden van deze eigenschappen bieden, maar zijn computationeel duur, terwijl de resultaten op de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) functioneel niveau effectief kan zijn voor het suggereren van strategieën voor bandstructuur engineering via elektrische veld-en trekspanning gericht op het verbeteren van de fotokatalytische prestaties. Om dit te illustreren, in het huidige manuscript, wordt de DFT gebaseerde simulatietool VASP gebruikt om de band uitlijning van nanocomposieten in combinaties van nanobuisjes en nanoribbons in de grondtoestand te onderzoeken. Om de levensduur van fotogegenereerde gaten en elektronen in de opgewonden toestand aan te pakken, zijn niet-adiabatische dynamiek berekeningen nodig.
Introduction
De wereldwijde vraag naar schone en duurzame energie heeft onderzoek gestimuleerd naar veelbelovende materialen om de afhankelijkheid van eindige Petroleum bronnen te verminderen. Simulaties zijn efficiënter en zuiniger dan experimenten in het versnellen van het zoeken naar nieuwe functionele materialen1. Materiaal ontwerp vanuit een theoretisch perspectief2,3,4 is nu meer en meer populair vanwege de snelle vooruitgang in computationele bronnen en theorie ontwikkelingen, waardoor computationele simulaties betrouwbaarder worden5 . De dichtheid functionele theorie (DFT) berekeningen geïmplementeerd in vele codes worden steeds robuuster en rendement reproduceerbare resultaten6.
Het Vienna ab initio simulatie package (VASP)7 presenteert een van de meest veelbelovende DFT-codes voor het voorspellen van moleculaire en kristallijne eigenschappen en meer dan 40.000 studies die gebruik maken van deze code zijn gepubliceerd. Het meeste werk wordt uitgevoerd op het functionele niveau8van de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE), dat de grootte van de band kloof onderschat, maar de essentiële trends in band uitlijning en band verschuivingen3vastlegt. Dit protocol is bedoeld om de details te schetsen van het onderzoeken van de band rand profielen en band kloven van nanoschaal materialen voor schone en hernieuwbare energie met behulp van deze computationele tool. Meer voorbeelden met behulp van VASP zijn beschikbaar op https://www.vasp.at.
Dit rapport presenteert de computationele screening van ééndimensionale (1d) VDW Heterostructuren met type II band overeenstemmingen9 voor een veelbelovende toepassing in fotokatalytisch water splitsen4. In het bijzonder worden nanoribbons (NRs) ingekapseld in nanobuisjes (NTs) onderzocht als een voorbeeld10. Om noncovalente interacties aan te pakken, worden vdW-correcties met de DFT-D3-methode opgenomen in11. De DFT-berekeningen in de stappen 1,2, 2,2, 3,2, 3.5.2 en sectie 4 door VASP worden uitgevoerd met behulp van een Portable batch System (PBS)-script door de High-Performance Research computers in het CenTOS-systeem. Een voorbeeld van een PBS-script wordt weergegeven in de aanvullende materialen. De gegevens naverwerking door de P4VASP-software in stap 3,3 en de figuur plot door de xmgrace-software in stap 3,4 worden uitgevoerd op een lokale computer (laptop of desktop) in het Ubuntu-systeem.
Protocol
Representative Results
Discussion
De berekeningen voor elektronische eigenschappen in de secties 2, 3 en 4 zouden vergelijkbaar zijn bij verschillende nanoschaal materialen. Het initiële atomische model in stap 1 moet zorgvuldig worden ontworpen om zinvolle informatie te extraheren. De factor voor het selecteren van het model kan bijvoorbeeld de grootte of chiraliteit van de materialen zijn. Ook moet het initiële atomische model in stap 1,1 redelijkerwijs worden voorbereid voor de lage kostenstructuur ontspanning. Als voorbeeld van de nanocomposiet in …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de Chinese postdoctorale wetenschaps Stichting (Grant No. 2017M612348), Qingdao postdoctoraal Stichting (Grant nr. 3002000-861805033070) en van het Young Talent project aan de Ocean University of China (Grant No. 3002000-861701013151). De auteurs bedanken Miss ya Chong Li voor het voorbereiden van de vertelling.
Materials
| 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).
