Tek Boyutlu Van Der Waals Heteroyapılarda İlk İlkeler Hesaplamaları Kullanılarak Sonda Tip II Bant Hizalama
Summary
Vienna Ab initio Simülasyon Paketi tarafından yapılan hesaplamalar, nano ölçekli malzemelerin içsel elektronik özelliklerini belirlemek ve potansiyel su yarma fotokatalizörlerini tahmin etmek için kullanılabilir.
Abstract
Yoğunluk-fonksiyonel teorisine (DFT) dayalı hesaplama araçları, hedeflenen bir uygulama için nitel olarak yeni, deneysel olarak ulaşılabilir nano ölçekli bileşiklerin araştırılmasını sağlar. Teorik simülasyonlar, fonksiyonel malzemelerin içsel elektronik özelliklerihakkında derin bir anlayış sağlar. Bu protokolün amacı hesaplamalı diseksiyonu ile fotokatalizör adayları aramaktır. Fotokatalitik uygulamalar, redoks potansiyellerine göre uygun bant boşlukları, uygun bant kenarı pozisyonları gerektirir. Hibrit fonksiyonlar bu özelliklerin doğru değerlerini sağlayabilir ancak hesaplama açısından pahalıdır, oysa Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) fonksiyonel düzeyindeki sonuçlar bant yapısı mühendisliği için stratejiler önermek için etkili olabilir. fotokatalitik performansı artırmayı amaçlayan elektrik alanı ve çekme gerilimi. Bunu göstermek için, mevcut el yazmasında, DFT tabanlı simülasyon aracı VASP nanotüpler ve nanoribbons zemin durumunda kombinasyonları nanokompozitlerin bant hizalama araştırmak için kullanılır. Fotojenatyon deliklerinin ve elektronların kullanım ömrünü heyecanlı durumda ele almak için nonadiabatik dinamiği hesaplamalarına ihtiyaç vardır.
Introduction
Temiz ve sürdürülebilir enerji için dünya çapında talep sonlu petrol kaynaklarına bağımlılığı azaltmak için umut verici malzemeler için araştırma teşvik etmiştir. Simülasyonlar, yeni fonksiyonel malzemeler için aramayı hızlandıran deneylerden daha verimli ve ekonomiktir1. Teorik açıdan malzeme tasarımı2,3,4 artık hesaplamalı kaynaklar ve teori gelişmelerdeki hızlı gelişmeler nedeniyle daha popüler hale getirerek, hesaplamalı simülasyonları daha güvenilir hale getiriyor5 . Birçok kodda uygulanan yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) hesaplamaları daha sağlam hale gelmektedir ve tekrarlanabilir sonuçlar6.
Vienna Ab initio Simülasyon Paketi (VASP)7 moleküler ve kristal özellikleri tahmin etmek için en umut verici DFT kodlarından birini sunar ve bu kodu kullanan 40.000’den fazla çalışma yayınlanmıştır. Çoğu çalışma Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) fonksiyonel seviye8yapılır , hangi bant boşluğu boyutları hafife, ama bant hizalama ve bant ofset leri temel eğilimleri yakalar3. Bu protokol, bu hesaplama aracı nı kullanarak temiz ve yenilenebilir enerji için bant kenarı profillerinin ve nano ölçekli malzemelerin bant boşluklarının araştırılmasının ayrıntılarını ana hatlarını oluşturmayı amaçlamaktadır. https://www.vasp.at’da VASP kullanarak daha fazla örnek mevcuttur.
Bu rapor, fotokatalitik su bölme de umut verici bir uygulama için tip II bant hizalama9 ile tek boyutlu (1D) vdW heteroyapıların hesaplamalı tarama sunar4. Özellikle, nanotüpler (NTs) içinde kapsüllenmiş nanoribbons (NRs) örnek10olarak incelenir. Kovalent olmayan etkileşimleri gidermek için, DFT-D3 yöntemini kullanan vdW düzeltmeleri11’edahildir. VASP tarafından 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2 ve bölüm 4’teki DFT hesaplamaları, Centos sistemindeki yüksek performanslı araştırma bilgisayarları tarafından Taşınabilir Toplu İşlem Sistemi (PBS) komut dosyası kullanılarak gerçekleştirilir. PBS komut dosyasının bir örneği Ek Malzemeler’degösterilmiştir. P4VASP yazılımı nın 3.3.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bölüm 2, 3 ve 4’teki elektronik özellikler için yapılan hesaplamalar çeşitli nano ölçekli malzemeler arasında benzer olacaktır. Adım 1’deki ilk atom modeli anlamlı bilgileri ayıklamak için dikkatle tasarlanmalıdır. Örneğin, modeli seçmek için faktör malzemelerin boyutu veya chirality olabilir. Ayrıca, adım 1.1 ilk atom modeli makul düşük maliyetli yapı gevşeme için hazırlanmalıdır. Protokoldeki nanokompozit iörnek olarak ele alınarak, NR nt içinde simetrik bir şekilde kapsüllenmelidi…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı (Grant No. 2017M612348), Qingdao Doktora Sonrası Vakfı (Grant No. 3002000-861805033070) ve Ocean University of China’daki Genç Yetenek Projesi’nden (Grant No. 3002000-861701013151) desteklenmiştir. Yazarlar bayan Ya Chong Li’ye anlatımı hazırladığı için teşekkür ediyor.
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).
