Tipo de sonda II alinhamento de banda em unidimensional Van der Waals Heterostructures usando cálculos de primeiros-princípios
Summary
Os cálculos realizados pelo pacote de simulação de Viena ab initio podem ser usados para identificar as propriedades eletrônicas intrínsecas dos materiais de nanoescala e prever os fotocatalisadores potenciais de divisão de água.
Abstract
As ferramentas computacionais baseadas na teoria densidade-funcional (DFT) permitem a exploração dos compostos de nanoescala qualitativamente novos, experimentalmente atingíveis para uma aplicação alvejada. As simulações teóricas proporcionam uma compreensão profunda das propriedades eletrônicas intrínsecas dos materiais funcionais. O objetivo deste protocolo é procurar candidatos fotocatalisador por dissecção computacional. Aplicações fotocatalíticas requerem lacunas de banda adequadas, posições de borda de banda apropriadas em relação aos potenciais redox. Os funcionals híbridos podem fornecer valores exatos destas propriedades mas são computacionalmente caros, visto que os resultados no nível funcional de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) poderiam ser eficazes para sugerir estratégias para a engenharia da estrutura da faixa através campo elétrico e tensão de tração visando aprimorar o desempenho fotocatalítico. Para ilustrar isso, no presente manuscrito, a ferramenta de simulação baseada em DFT VASP é utilizada para investigar o alinhamento da banda de nanocompósitos em combinações de nanotubos e nanofitas no estado do solo. Para endereçar a vida de furos e de elétrons cargas no estado excited, os cálculos não da dinâmica são necessários.
Introduction
A demanda mundial por energia limpa e sustentável tem estimulado a pesquisa de materiais promissores para reduzir a dependência de recursos petrolíferos finitos. As simulações são mais eficientes e econômicas do que experimentos em acelerar a busca por novos materiais funcionais1. O projeto material de uma perspectiva teórica2,3,4 é agora mais e mais popular devido aos avanços rápidos em recursos computacionais e desenvolvimentos da teoria, fazendo simulações computacionais mais confiáveis5 . Os cálculos da teoria funcional da densidade (DFT) implementados em muitos códigos estão se tornando mais robustos e produzem resultados reprodutíveis6.
O pacote de simulação de Viena ab initio (VASP)7 apresenta um dos códigos de DFT mais promissores para prever Propriedades moleculares e cristalinas e mais de 40.000 estudos que fazem uso deste código foram publicados. A maioria dos trabalhos é realizada no nível funcional8de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE), que subestima os tamanhos das lacunas da banda, mas capta as tendências essenciais no alinhamento da banda e nos deslocamentos da banda3. Este protocolo tem como objetivo delinear os detalhes de investigar os perfis de borda de banda e banda de materiais de nanoescala para energia limpa e renovável usando esta ferramenta computacional. Mais exemplos usando o VASP estão disponíveis em https://www.vasp.at.
Este relato apresenta a triagem computacional de heteroestruturas unidimensionais (1D) vdW com alinhamentos de bandas tipo II9 para uma aplicação promissora na divisão de água fotocatalítica4. Especificamente, os nanofitas (NRS) encapsulados dentro dos nanotubos (NTS) são examinados como um exemplo10. Para endereçar interações noncovalent, as correções vdW usando o método DFT-D3 são incluídas11. Os cálculos de DFT nas etapas 1,2, 2,2, 3,2, 3.5.2 e seção 4 por VASP são executados usando um script de sistema de lote portátil (PBS) pelos computadores de pesquisa de alto desempenho no sistema CenTOS. Um exemplo de um script PBS é mostrado nos materiais complementares. O pós-processamento de dados pelo software P4VASP na etapa 3,3 e o gráfico de figura pelo software xmgrace na etapa 3,4 são transportados em um computador local (laptop ou desktop) no sistema Ubuntu.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os cálculos para as propriedades eletrônicas nas seções 2, 3 e 4 seriam semelhantes entre os vários materiais de nanoescala. O modelo atômico inicial na etapa 1 deve ser cuidadosamente projetado para extrair informações significativas. Por exemplo, o fator para selecionar o modelo pode ser o tamanho ou a quiralidade dos materiais. Além disso, o modelo atômico inicial na etapa 1,1 deve ser razoavelmente preparado para relaxamento de estrutura de baixo custo. Tomando o nanocompósito no protocolo como um exemplo,…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Fundação de ciência pós-doutorado da China (Grant no. 2017M612348), pela Fundação de pós-doutorado de Qingdao (Grant no. 3002000-861805033070) e pelo Young Talent Project na Ocean University of China (Grant no. 3002000-861701013151). Os autores agradecem a senhorita ya Chong Li por preparar a narração.
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).
