Alineación de bandas tipo II de sonda en heteroestructuras de Van Der Waals unidimensionales utilizando cálculos de primeros principios
Summary
Los cálculos realizados por el paquete de simulación Vienna Ab initio se pueden utilizar para identificar las propiedades electrónicas intrínsecas de los materiales a nanoescala y predecir los posibles fotocatalizadores de división de agua.
Abstract
Las herramientas computacionales basadas en la teoría de la densidad-funcional (DFT) permiten la exploración de los compuestos de nanoescala cualitativamente nuevos y alcanzables experimentalmente para una aplicación dirigida. Las simulaciones teóricas proporcionan una comprensión profunda de las propiedades electrónicas intrínsecas de los materiales funcionales. El objetivo de este protocolo es buscar candidatos de fotocatalizador por disección computacional. Las aplicaciones fotocatalíticas requieren espacios de banda adecuados, posiciones de borde de banda adecuadas en relación con los potenciales de redox. Las funciones híbridas pueden proporcionar valores precisos de estas propiedades, pero son costosas desde el punto de vista computacional, mientras que los resultados en el nivel funcional de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) podrían ser eficaces para sugerir estrategias para la ingeniería de la estructura de banda según campo eléctrico y tensión de tracción con el objetivo de mejorar el rendimiento fotocatalítico. Para ilustrar esto, en el presente manuscrito, la herramienta de simulación basada en DFT VASP se utiliza para investigar la alineación de bandas de nanocompuestos en combinaciones de nanotubos y nanocintas en estado de suelo. Para abordar la vida útil de los agujeros y electrones fotogenerados en estado excitado, se necesitan cálculos de dinámica no adiabática.
Introduction
La demanda mundial de energía limpia y sostenible ha estimulado la investigación de materiales prometedores para reducir la dependencia de los recursos petrolíferos finitos. Las simulaciones son más eficientes y económicas que los experimentos para acelerar la búsqueda de nuevos materiales funcionales1. El diseño de materiales desde una perspectiva teórica2,3,4 es ahora cada vez más popular debido a los rápidos avances en los recursos computacionales y desarrollos teóricos, haciendo que las simulaciones computacionales sean más confiables5 . Los cálculos de la teoría funcional de densidad (DFT) implementados en muchos códigos son cada vez más robustos y producen resultados reproducibles6.
El Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)7 presenta uno de los códigos DFT más prometedores para predecir propiedades moleculares y cristalinas y se han publicado más de 40.000 estudios que hacen uso de este código. La mayoría de los trabajos se realizan en el nivel funcional8de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE), que subestima los tamaños de la brecha de banda, pero captura las tendencias esenciales en la alineación de bandas y los desplazamientos de banda3. Este protocolo tiene como objetivo esbozar los detalles de la investigación de los perfiles de borde de banda y las brechas de banda de materiales a nanoescala para energía limpia y renovable utilizando esta herramienta computacional. Más ejemplos con VASP están disponibles en https://www.vasp.at.
Este informe presenta el cribado computacional de heteroestructuras unidimensionales (1D) vdW con alineaciones de banda tipo II9 para una aplicación prometedora en la división fotocatalítica de agua4. Específicamente, las nanocintas (NR) encapsuladas dentro de nanotubos (NT) se examinan como un ejemplo10. Para abordar las interacciones no covalentes, se incluyen las correcciones vdW utilizando el método DFT-D311. Los cálculos de DFT en los pasos 1.2, 2.2, 3.2, 3.5.2 y sección 4 por VASP se realizan utilizando un script de sistema de lotes portátil (PBS) por los equipos de investigación de alto rendimiento en el sistema CenTOS. Un ejemplo de un script PBS se muestra en Materiales suplementarios. El postprocesamiento de datos por el software P4VASP en el paso 3.3 y la gráfica de figura por el software xmgrace en el paso 3.4 se llevan en un ordenador local (portátil o de escritorio) en el sistema Ubuntu.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los cálculos de las propiedades electrónicas de las secciones 2, 3 y 4 serían similares entre varios materiales a nanoescala. El modelo atómico inicial del paso 1 debe diseñarse cuidadosamente para extraer información significativa. Por ejemplo, el factor para seleccionar el modelo podría ser el tamaño o la quiralidad de los materiales. Además, el modelo atómico inicial en el paso 1.1 debe estar razonablemente preparado para la relajación de la estructura de bajo costo. Tomando el nanocompuesto en el protocolo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2017M612348), Qingdao Postdoctoral Foundation (Grant No. 3002000-861805033070) y del Young Talent Project en ocean University of China (Grant No. 3002000-86170101013151). Los autores agradecen a la señorita Ya Chong Li por preparar la narración.
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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