Sond typ II band anpassning i endimensionell van der Waals Heterostructures med hjälp av första-principer beräkningar
Summary
Beräkningar utförda av Wien AB initio simulerings paket kan användas för att identifiera de inneboende elektroniska egenskaperna hos nanoskalmaterial och förutsäga de potentiella vattendelningsfotokatalysatorer.
Abstract
Beräkningsverktyg baserade på densitet-funktionell teori (DFT) möjliggöra utforskning av de kvalitativt nya, experimentellt uppnåeliga nanoskala föreningar för en riktad tillämpning. Teoretiska simuleringar ger en djupgående förståelse för de inneboende elektroniska egenskaperna hos funktionella material. Målet med detta protokoll är att söka efter fotokatalysatorn kandidater av Computational dissektion. Fotokatalytiska tillämpningar kräver lämpliga band luckor, lämpliga band kant positioner i förhållande till redoxpotentialer. Hybrid funktionaler kan ge exakta värden för dessa egenskaper men är beräkningsmässigt dyra, medan resultaten vid Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) funktionell nivå kan vara effektiva för att föreslå strategier för band struktur teknik via elektriskt fält och dragkraft som syftar till att förbättra fotokatalytiska prestanda. För att illustrera detta, i det nuvarande manuskriptet, används det DFT-baserade simuleringsverktyget VASP för att undersöka band anpassningen av nanokompositer i kombinationer av Nanotuber och nanobanden i mark staten. För att hantera livslängden på photogenererade hål och elektroner i upphetsad tillstånd, nonadiabatic dynamik beräkningar behövs.
Introduction
Den globala efterfrågan på ren och hållbar energi har sporrade forskning för lovande material för att minska beroendet av ändliga Petroleum resurser. Simuleringarna är mer effektiva och ekonomiska än experiment för att påskynda sökandet efter nya funktionella material1. Material design ur ett teoretiskt perspektiv2,3,4 är nu mer och mer populärt på grund av snabba framsteg i beräkningsresurser och teoriutveckling, vilket gör beräknings simuleringar mer tillförlitlig5 . Densiteten funktionell teori (DFT) beräkningar som genomförts i många koder blir allt mer robust och ger reproducerbara resultat6.
Vienna AB initio Simulation Package (VASP)7 presenterar en av de mest lovande DFT-koderna för att förutsäga molekylära och kristallina egenskaper och mer än 40 000 studier som utnyttjar denna kod har publicerats. De flesta arbete utförs på Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) funktionell nivå8, som underskattar bandet gap storlekar, men fångar de viktigaste trenderna i band anpassning och band förskjutningar3. Detta protokoll syftar till att beskriva detaljerna för att undersöka band kantens profiler och bandgap av nanoskalmaterial för ren och förnybar energi med hjälp av detta beräkningsverktyg. Fler exempel med VASP finns på https://www.vasp.at.
Denna rapport presenterar den Computational screening av endimensionella (1d) VDW Halvledareheterostructures med typ II band anpassningar9 för en lovande tillämpning i Fotokatalytiskt vatten uppdelning4. Specifikt, nanobanden (NRS) inkapslade inuti kolnanorör (nts) undersöks som ett exempel10. För att adressera icke-kovalenta interaktioner ingår vdW-korrigeringar med DFT-D3-metoden11. DFT beräkningar i steg 1,2, 2,2, 3,2, 3.5.2, och avsnitt 4 av VASP utförs med hjälp av ett Portable batch system (PBS) skript av högpresterande forskning datorer i CenTOS-systemet. Ett exempel på ett PBS-skript visas i tilläggs materialen. Datan postprocessing vid den P4VASP mjukvaran i steg 3,3 och figurera intrig vid den xmgrace mjukvaran i steg 3,4 är bar på en lokal computern (laptop eller desktopen) i Ubuntu system.
Protocol
Representative Results
Discussion
Beräkningarna för elektroniska egenskaper i avsnitten 2, 3 och 4 skulle vara likartade bland olika nanoskalmaterial. Den ursprungliga atomiska modellen i steg 1 bör utformas noggrant för att extrahera meningsfull information. Till exempel kan faktorn för att välja modellen vara storleken eller kiralitet av materialen. Dessutom bör den ursprungliga atomiska modellen i steg 1,1 vara rimligt förberedd för låg kostnad struktur avslappning. Med nanokompositen i protokollet som ett exempel bör NR kapslas in inuti NT…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes från China Postdoktorands stiftelse (Grant No. 2017M612348), Qingdao postdoktorala stiftelse (Grant nr 3002000-861805033070) och från Young Talent Project vid Ocean University of China (Grant No. 3002000-861701013151). Författarna tackar Miss ya Chong Li för att förbereda berättelsen.
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).
