Allineamento banda di tipo iI della sonda nelle eterostrutture one-dimensionali Van Der Waals utilizzando i calcoli dei primi principi
Summary
I calcoli eseguiti dal pacchetto di simulazione initio di Vienna Ab possono essere utilizzati per identificare le proprietà elettroniche intrinseche dei materiali su nanoscala e prevedere i potenziali fotocatalizzatori di scissione dell’acqua.
Abstract
Gli strumenti computazionali basati sulla teoria della densità-funzionale (DFT) consentono l’esplorazione dei composti su nanoscala qualitativamente nuovi e sperimentalmente raggiungibili per un’applicazione mirata. Le simulazioni teoriche forniscono una profonda comprensione delle proprietà elettroniche intrinseche dei materiali funzionali. L’obiettivo di questo protocollo è quello di cercare i candidati fotocatalizzatori per dissezione computazionale. Le applicazioni fotocatalitiche richiedono spazi di banda adeguati, posizioni appropriate del bordo della banda rispetto ai potenziali di redox. I funzionali ibridi possono fornire valori precisi di queste proprietà, ma sono costosi dal punto di vista computazionale, mentre i risultati a livello di funzionalità per Il valore Di S.C.-Bbe (PBE) potrebbero essere efficaci per suggerire strategie per l’ingegneria della struttura delle bande campo elettrico e tensione con l’obiettivo di migliorare le prestazioni fotocatalitiche. Per illustrare questo concetto, nel presente manoscritto, lo strumento di simulazione basato su DFT VASP viene utilizzato per studiare l’allineamento delle bande di nanocompositi in combinazioni di nanotubi e nanoribbons nello stato del suolo. Per affrontare la durata dei fori e degli elettroni fotogenerati nello stato eccitato, sono necessari calcoli di dinamica non adiabatica.
Introduction
La domanda mondiale di energia pulita e sostenibile ha stimolato la ricerca di materiali promettenti per ridurre la dipendenza dalle risorse petrolifere finite. Le simulazioni sono più efficienti ed economiche degli esperimenti per accelerare la ricerca di nuovi materiali funzionali1. La progettazione dei materiali da una prospettiva teorica2,3,4 è ora sempre più popolare grazie ai rapidi progressi nelle risorse computazionali e agli sviluppi teorici, rendendo le simulazioni computazionali più affidabili5 . I calcoli della teoria funzionale della densità (DFT) implementati in molti codici stanno diventando più robusti e producono risultati riproducibili6.
Il Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)7 presenta uno dei codici DFT più promettenti per prevedere le proprietà molecolari e cristalline e sono stati pubblicati più di 40.000 studi che fanno uso di questo codice. La maggior parte del lavoro viene eseguita al livello funzionale Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)8, che sottovaluta le dimensioni gap della banda, ma cattura le tendenze essenziali nell’allineamento delle bande e negli offset delle bande3. Questo protocollo ha lo scopo di delineare i dettagli dello studio dei profili di bordo delle bande e delle bande di materiali su nanoscala per l’energia pulita e rinnovabile utilizzando questo strumento computazionale. Altri esempi di utilizzo di VASP sono disponibili presso https://www.vasp.at.
Questo rapporto presenta lo screening computazionale di eterostrutture vdW unidimensionali (1D) con allineamenti di banda di tipo II9 per un’applicazione promettente nella suddivisione dell’acqua fotocatalitica4 . In particolare, i nanoribbon (NR) incapsulati all’interno di nanotubi (NT) vengono esaminati come esempio10. Per risolvere le interazioni non covalenti, le correzioni vdW mediante il metodo DFT-D3 sono incluse11. I calcoli DFT nei passaggi 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2 e section 4 di VASP vengono eseguiti utilizzando uno script PBXS (Portable Batch System) dai computer di ricerca ad alte prestazioni nel sistema CenTOS. Un esempio di script PBS è mostrato nel materiale supplementare. Il postprocessing dei dati da parte del software P4VASP nel passaggio 3.3 e la figura del software xmgrace nel passaggio 3.4 vengono effettuati su un computer locale (laptop o desktop) nel sistema Ubuntu.
Protocol
Representative Results
Discussion
I calcoli per le proprietà elettroniche nelle sezioni 2, 3 e 4 sarebbero simili tra i vari materiali su nanoscala. Il modello atomico iniziale nel passaggio 1 deve essere attentamente progettato per estrarre informazioni significative. Ad esempio, il fattore per la selezione del modello potrebbe essere la dimensione o la chiralità dei materiali. Inoltre, il modello atomico iniziale nel passaggio 1.1 dovrebbe essere ragionevolmente preparato per il rilassamento della struttura a basso costo. Prendendo come esempio il na…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2017M612348), dalla Qingdao Postdoctoral Foundation (Grant n. 3002000-861805033070) e dal Young Talent Project presso l’Ocean University of China (Grant n. 3002000-861701013151). Gli autori ringraziano la signorina Ya Chong Li per aver preparato la narrazione.
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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