Alignement de bande de type II de sonde dans les hétérostructures unidimensionnelles de Van Der Waals utilisant des calculs de premiers principes
Summary
Les calculs effectués par le paquet de simulation de l’initio de Vienne Ab peuvent être utilisés pour identifier les propriétés électroniques intrinsèques des matériaux à l’échelle nanométrique et prédire les photocatalyseurs potentiels de division de l’eau.
Abstract
Les outils informatiques basés sur la théorie de la densité-fonctionnelle (DFT) permettent l’exploration des composés nanométriques qualitativement nouveaux et expérimentalement réalisables pour une application ciblée. Les simulations théoriques permettent de bien comprendre les propriétés électroniques intrinsèques des matériaux fonctionnels. Le but de ce protocole est de rechercher des candidats photocatalyseurs par dissection computationnelle. Les applications photocatalytiques nécessitent des lacunes de bande appropriées, des positions appropriées de bord de bande par rapport aux potentiels redox. Les fonctions hybrides peuvent fournir des valeurs précises de ces propriétés, mais elles sont coûteuses sur le plan du calcul, alors que les résultats au niveau fonctionnel de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) pourraient être efficaces pour suggérer des stratégies d’ingénierie de la structure de la bande par l’intermédiaire le champ électrique et la contrainte tendue visant à augmenter la performance photocatalytique. Pour illustrer cela, dans le présent manuscrit, l’outil de simulation basé sur le DFT VASP est utilisé pour étudier l’alignement des bandes de nanocomposites dans des combinaisons de nanotubes et de nanoribbons dans l’état du sol. Pour répondre à la durée de vie des trous photogénérés et des électrons dans l’état excité, des calculs de dynamique nonadiabatic sont nécessaires.
Introduction
La demande mondiale d’énergie propre et durable a stimulé la recherche de matériaux prometteurs afin de réduire la dépendance à l’égard des ressources pétrolières limitées. Les simulations sont plus efficaces et plus économiques que les expériences visant à accélérer la recherche de nouveaux matériaux fonctionnels1. La conception des matériaux d’un point de vue théorique2,3,4est maintenant de plus en plus populaire en raison des progrès rapides dans les ressources de calcul et les développements théoriques, ce qui rend les simulations de calcul plus fiables 5 . Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) mis en œuvre dans de nombreux codes sont de plus en plus robustes et donnent des résultats reproductibles6.
Le Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)7 présente l’un des codes DFT les plus prometteurs pour prédire les propriétés moléculaires et cristallines et plus de 40 000 études faisant usage de ce code ont été publiées. La plupart des travaux sont exécutés au niveau fonctionnel8de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE), qui sous-estime la taille des écarts de bande, mais qui capture les tendances essentielles en matière d’alignement des bandes et de décalages de bande3. Ce protocole vise à décrire les détails de l’étude des profils de bord de bande et des bandgaps de matériaux à l’échelle nanométrique pour l’énergie propre et renouvelable à l’aide de cet outil de calcul. D’autres exemples utilisant VASP sont disponibles à https://www.vasp.at.
Ce rapport présente le criblage computationnel des hétérostructures unidimensionnelles (1D) vdW avec des alignements de bande de type II9 pour une application prometteuse dans le fractionnement photocatalytique d’eau4. Plus précisément, les nanoribbons (NR) encapsulés à l’intérieur des nanotubes (NT) sont examinés à titre d’exemple10. Pour traiter les interactions non covalentes, les corrections vdW utilisant la méthode DFT-D3 sont incluses11. Les calculs DFT dans les étapes 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2, et la section 4 par VASP sont exécutés à l’aide d’un script de système de lots portables (PBS) par les ordinateurs de recherche haute performance dans le système CenTOS. Un exemple de script PBS est affiché dans les Matériaux Supplémentaires. Le post-traitement des données par le logiciel P4VASP à l’étape 3.3 et la parcelle de figure par le logiciel xmgrace à l’étape 3.4 sont effectués sur un ordinateur local (ordinateur portable ou bureau) dans le système Ubuntu.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les calculs des propriétés électroniques dans les sections 2, 3 et 4 seraient similaires parmi divers matériaux à l’échelle nanométrique. Le modèle atomique initial à l’étape 1 doit être soigneusement conçu pour extraire des informations significatives. Par exemple, le facteur de sélection du modèle pourrait être la taille ou la chiralité des matériaux. En outre, le modèle atomique initial à l’étape 1.1 devrait être raisonnablement préparé pour la relaxation de la structure à faible coût. Prenant…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2017M612348), la Qingdao Postdoctoral Foundation (Grant No. 3002000-861805033070) et par le Young Talent Project de l’Ocean University of China (Grant No. 3002000-861701013151). Les auteurs remercient Mlle Ya Chong Li d’avoir préparé la narration.
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/ |
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