Соединение группы зонда II в одномерных гетероструктурах Van Der Waals с использованием расчетов первого принципа
Summary
Расчеты, выполненные Венским пакетом ab initio Simulation Package, могут быть использованы для выявления внутренних электронных свойств наномасштабных материалов и прогнозирования потенциальных фотокатализаторов для расщепления воды.
Abstract
Вычислительные инструменты, основанные на плотности функциональной теории (DFT), позволяют исследовать качественно новые, экспериментально достижимые наноразмерные соединения для целевого применения. Теоретические моделирования дают глубокое понимание внутренних электронных свойств функциональных материалов. Целью этого протокола является поиск кандидатов на фотокатализатор путем компьютерного вскрытия. Фотокаталитические приложения требуют подходящих зазоров полосы, соответствующих позиций края полосы по отношению к потенциалу Redox. Гибридные функции могут обеспечить точные значения этих свойств, но являются вычислительно дорогими, в то время как результаты на функциональном уровне Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) могут быть эффективными для предложения стратегий проектирования структуры полос через электрическое поле и напряжение штамма, направленных на повышение фотокататической производительности. Чтобы проиллюстрировать это, в настоящей рукописи, DFT на основе моделирования инструмент VASP используется для исследования группы выравнивания нанокомпозитов в комбинации нанотрубок и нанориббонов в наземном состоянии. Для решения вопросов, привычных фотоотверстиями и электронами в возбужденном состоянии, необходимы расчеты неадиабатической динамики.
Introduction
Мировой спрос на чистую и устойчивую энергию стимулировал исследования перспективных материалов для уменьшения зависимости от ограниченных нефтяных ресурсов. Моделирование более эффективно ежей и экономичнее, чем эксперименты по ускорению поиска новых функциональных материалов1. Материал дизайн с теоретической точки зрения2,3,4 в настоящее время все более и более популярным из-за быстрого прогресса в вычислительных ресурсов и теории развития, что делает вычислительные моделирования болеенадежными 5 . Расчеты функциональной теории плотности (DFT), реализованные во многих кодах, становятся более надежными и дают воспроизводимые результаты6.
Венский пакет аб инитио-симуляции (VASP)7 представляет один из самых перспективных кодов DFT для прогнозирования молекулярных и кристаллических свойств, и было опубликовано более 40 000 исследований, использующих этот код. Большинство работ выполняется на Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) функциональный уровень8, который недооценивает размеры полосы разрыв, но захватывает основные тенденции в выравнивании полосы и полоса компенсирует3. Этот протокол направлен на изложение деталей исследования профилей края полосы и bandgaps наномасштабных материалов для чистой и возобновляемой энергии с помощью этого вычислительного инструмента. Другие примеры с использованием VASP доступны в https://www.vasp.at.
В этом докладе представлен вычислительный скрининг одномерных (1D) vdW гетероструктур с типом II диапазон выравнивания9 для перспективного применения в фотокататической воды расщепления4. В частности, нанориббоны (NRs), инкапсулированные внутри нанотрубок (НТ), рассматриваются в качестве примера10. Для решения нековалентных взаимодействий, vdW коррекции с помощью метода DFT-D3 включены11. Расчеты DFT в шагах 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2 и разделе 4 VASP выполняются с помощью портативного пакетного системы (PBS) с помощью высокопроизводительного исследовательского компьютера в системе CenTOS. Пример скрипта PBS показан в дополнительных материалах. Постобработка данных программным обеспечением P4VASP в шаге 3.3 и рисунок по программному обеспечению xmgrace в шаге 3.4 переносятся на локальном компьютере (ноутбук или рабочий стол) в системе Ubuntu.
Protocol
Representative Results
Discussion
Расчеты электронных свойств в разделах 2, 3 и 4 будут одинаковыми среди различных наномасштабных материалов. Первоначальная атомная модель в шаге 1 должна быть тщательно разработана для извлечения значимой информации. Например, фактором выбора модели может быть размер или хиральность м…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Китайским фондом постдокторской науки (Грант No 2017М612348), Постдокторским фондом Циндао (Грант No 30020000-861805033070) и проектом молодых талантов в Океанском университете Китая (Грант No 30020000-861701011111). Авторы благодарят мисс Я Чонг Ли за подготовку повествования.
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).
