Probe type II band Alignment i en-dimensjonal Van der Waals Heterostructures bruke første-prinsipper beregninger
Summary
Beregninger utført av Vienna ab initio simulering Package kan brukes til å identifisere de innebygde elektroniske egenskapene til nanoskala materialer og forutsi potensialet vann-splitting photocatalysts.
Abstract
Beregningsorientert verktøy basert på tetthet-funksjonell teori (DFT) gjør det mulig utforskning av kvalitativt nye, eksperimentelt oppnåelige nanoskala forbindelser for en målrettet søknad. Teoretiske simuleringer gir en dyp forståelse av de innebygde elektroniske egenskapene til funksjonelle materialer. Målet med denne protokollen er å søke etter fotokatalysator kandidater ved beregningsorientert disseksjon. Fotokatalytiske applikasjoner krever egnede band gap, passende bandet kanten posisjoner i forhold til Redox potensialer. Hybrid functionals kan gi nøyaktige verdier av disse egenskapene, men er beregningsmessig dyrt, mens resultatene på Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) funksjonsnivå kan være effektive for å foreslå strategier for band struktur engineering via elektrisk felt og strekk belastning sikte på å forbedre fotokatalytiske ytelse. For å illustrere dette, i dagens manuskript, DFT basert simulering verktøyet FINANCEIRO brukes til å undersøke bandet justering av nanokompositter i kombinasjoner av nanorør og nanoribbons i bakken staten. For å møte levetiden til photogenerated hull og elektroner i opphisset tilstand, nonadiabatic dynamikk beregninger er nødvendig.
Introduction
Den verdensomspennende etterspørselen etter ren og bærekraftig energi har påvirket forskning på lovende materialer for å redusere avhengigheten av begrensede petroleums ressurser. Simuleringer er mer effektive og økonomiske enn eksperimenter i akselererende søken etter nye funksjonelle materialer1. Material design fra et teoretisk perspektiv2,3,4 er nå mer og mer populært på grunn av raske fremskritt i beregningsressurser og teori utvikling, noe som gjør beregningsorientert simuleringer mer pålitelig5 . Tettheten funksjonell teori (DFT) beregninger implementert i mange koder blir mer robuste og gi reproduserbar resultater6.
Vienna ab initio simulering Package (FINANCEIRO)7 presenterer en av de mest lovende dft koder for å forutsi molekylær og krystallinsk egenskaper og mer enn 40 000 studier gjør bruk av denne koden har blitt publisert. De fleste arbeid er utført på Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) funksjonell nivå8, som undervurderer bandet gap størrelser, men fanger de essensielle trendene i bandet justering og bandet forskyvninger3. Denne protokollen tar sikte på å skissere detaljene for å undersøke bandet kanten profiler og bandgaps av nanoskala materialer for ren og fornybar energi ved hjelp av denne beregningsorientert verktøyet. Flere eksempler på bruk av FINANCEIRO er tilgjengelig på https://www.vasp.at.
Denne rapporten presenterer beregningsorientert screening av en-dimensjonal (1D) vdW heterostructures med type II band justeringer9 for en lovende anvendelse i fotokatalytiske vann splitting4. Spesielt er nanoribbons (NRs) innkapslet i nanorør (NTs) undersøkt som et eksempel10. For å adressere noncovalent interaksjoner, vdW rettelser ved hjelp av DFT-D3 metoden er inkludert11. DFT-beregningene i trinn 1,2, 2,2, 3,2, 3.5.2 og del 4 av FINANCEIRO utføres ved hjelp av en Portable batch system (PBS) skript av høy ytelse forskning datamaskiner i CenTOS systemet. Et eksempel på et PBS-skript vises i tilleggsmaterialene. Dataene post prosessering av P4VASP programvare i trinn 3,3 og figuren plottet av xmgrace programvare i trinn 3,4 er gjennomført på en lokal datamaskin (bærbar eller stasjonær) i Ubuntu-systemet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Beregningene for elektroniske egenskaper i avsnittene 2, 3 og 4 vil være lik blant ulike nanoskala materialer. Den første Atomic modellen i trinn 1 bør være nøye utformet for å trekke ut meningsfull informasjon. Faktoren for å velge modellen kan for eksempel være størrelsen eller chiralitet av materialene. Den første Atomic modellen i trinn 1,1 bør også være rimelig forberedt for lav prisstruktur avslapping. Ved å ta nanokompositt i protokollen som et eksempel, skal NR være innkapslet inne i NT på en symm…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet fra Kina postdoktor Science Foundation (Grant no. 2017M612348), Qingdao postdoktor Foundation (Grant no. 3002000-861805033070) og fra Young talent Project ved Ocean University of China (Grant no. 3002000-861701013151). Forfatterne takker Miss ya Chong Li for å forberede fortellerstemme.
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).
