Name: probe type ii band alignment in one-dimensional van der waals heterostructures using first-principles calculations
Uploaded: 2019-10-12T13:00:00
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这项工作得到了中国博士后科学基金会（授权号2017M612348）、青岛博士后基金会（授权号3002000-861805033070）和中国海洋大学青年人才项目（授权号3002000-8617013151）的支持。作者感谢李亚崇小姐准备了解说。

1. 优化原子结构。
<ol><li>准备四个输入文件，用于 VASP 的结构松弛计算：INCAR、POSCAR、POTCAR 和 KPOINTS。 注： INCAR 文件中有定义计算的指定参数。INCAR 文件中的行"EDIFFG = 0.02"指示所有原子都放松，直到每个原子上的力为 <0.02 eV/* 。POSCAR 文件包含原子几何信息。POSCAR文件中的初始晶格参数可以从理论3或实验参考文献12、13中选择。KPOIN...

<ol>
	<li>Collins, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accelerated+discovery+of+two+crystal+structure+types+in+a+complex+inorganic+phase+field.">Accelerated discovery of two crystal structure types in a complex inorganic phase field.</a> Nature. 546 (7657), 280-284 (2017).</li><li>Jain, A., Shin, Y., Persson, K. 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Q., Su, J., Li, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Data+mining+new+energy+materials+from+structure+databases.">Data mining new energy materials from structure databases.</a> Renewable &amp; Sustainable Energy Reviews. 107, 554-567 (2019).</li><li>Zakutayev, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+open+experimental+database+for+exploring+inorganic+materials.">An open experimental database for exploring inorganic materials.</a> Scientific Data. 5, 180053 (2018).</li><li>Kou, L. Z., Tang, C., Frauenheim, T., Chen, C. 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Y., Yang, J. L., Hou, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electronic+structures+of+organic+molecule+encapsulated+BN+nanotubes+under+transverse+electric+field.">Electronic structures of organic molecule encapsulated BN nanotubes under transverse electric field.</a> Journal of Chemical Physics. 124 (15), 154709 (2006).</li><li>Zhang, R. Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+Z-Scheme+Water+Splitting+Photocatalyst+Based+on+Two-Dimensional+Van+Der+Waals+Heterostructures.">Direct Z-Scheme Water Splitting Photocatalyst Based on Two-Dimensional Van Der Waals Heterostructures.</a> Journal of Physical Chemistry Letters. 9 (18), 5419-5424 (2018).</li><li>Paiera, J., Marsman, M., Hummer, K., Kresse, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Screened+hybrid+density+functionals+applied+to+solids.">Screened hybrid density functionals applied to solids.</a> Journal of Chemical Physics. 124 (15), 154709 (2006).</li><li>Pyzer-Knapp, E. O., Suh, C., G&#243;mez-Bombarelli, R., Aguilera-Iparraguirre, J., Aspuru-Guzik, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=What+Is+High-Throughput+Virtual+Screening?+A+Perspective+from+Organic+Materials+Discovery.">What Is High-Throughput Virtual Screening? A Perspective from Organic Materials Discovery.</a> Annual Review of Materials Research. 45, 195-216 (2015).</li><li>Cerqueira, T. F. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+Novel+Cu,+Ag,+and+Au+Ternary+Oxides+from+Global+Structural+Prediction.">Identification of Novel Cu, Ag, and Au Ternary Oxides from Global Structural Prediction.</a> Chemistry of Materials. 27 (13), 4562-4573 (2015).</li></ol>

第2、3和4节中的电子特性计算在各种纳米级材料中相似。步骤 1 中的初始原子模型应经过仔细设计以提取有意义的信息。例如，选择模型的因素可以是材料的大小或手性。此外，步骤 1.1 中的初始原子模型应为低成本结构放松做好合理准备。以协议中的纳米复合材料为例，NR应该以对称的方式封装在NT内。否则，使用 VASP 搜索优化结构将非常耗时。
为了考虑电场的作用，<sup cla...

全世界对清洁和可持续能源的需求促使对有前途的材料进行研究，以减少对有限石油资源的依赖。仿真比实验更高效、更经济，可以加速寻找新的功能材料。材料设计从理论角度2，3，4现在越来越流行，由于快速的发展，计算资源和理论的发展，使计算模拟更可靠5.在许多代码中实现的密度函数理论（DFT）计算正变得越来越可靠，产生可重现的结果6。
维也纳 Ab initio 仿真包 （VASP）7提供了预测分子和晶体特性的最有前途的 DFT 代码之一，并发布了 40，000 多项研究，利用了该代码。大多数工作是在Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）功能级别8上完成的，它低估了波段间隙大小，但抓住了带对齐和带偏移3的基本趋势。该协议旨在概述使用此计算工具研究用于清洁和可再生能源的纳米级材料的带边缘轮廓和带隙的详细信息。更多使用 VASP 的示例可在https://www.vasp.at。
本报告介绍了II型带对齐9的一维（1D）vdW异构结构的计算筛选，在光催化水分裂4中具有广阔的应用前景。具体来说，封装在纳米管（NT）内的纳米带（NRs）作为示例10进行了检查。为了解决非共价交互问题，使用 DFT-D3 方法的 vdW 校正包含11。VASP 在步骤 1.2、2.2、3.2、3.5.2 和第 4 节中执行 DFT 计算，由 CenTOS 系统中的高性能研究计算机使用便携式批处理系统 （PBS） 脚本执行。PBS 脚本的示例显示在补充材料中。步骤 3.3 中的 P4VASP 软件进行的数据后处理和步骤 3.4 中的 xmgrace 软件的图形图在 Ubuntu 系统中的本地计算机（笔记本电脑或台式机）上进行。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Nanotube Modeler</td>
			<td>Developed by Dr. Steffen Weber</td>
			<td>NanotubeModeler1.8</td>
			<td>http://www.jcrystal.com/products/wincnt/NanotubeModeler.exe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P4VASP</td>
			<td>Orest Dubay</td>
			<td>p4vasp 0.3.30</td>
			<td>Open source, available at www.p4vasp.at</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>v2xsf</td>
			<td>Developed by Dr. Jens Kunstmann</td>
			<td>v2xsf</td>
			<td>http://theory.chm.tu-dresden.de/~jk/software.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VASP software</td>
			<td>Computational Materials Physics, Dept. of Physics, University of Vienna</td>
			<td>vasp.5.4.1</td>
			<td>https://www.vasp.at</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VMD software</td>
			<td>Theoretical and Computational Biophysics Group, University of Illinois at Urbana-Champaign</td>
			<td>vmd1.9.3</td>
			<td>https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>xcrysden</td>
			<td>Dept. of Physical and Organic Chemistry, Jozef Stefan Institute</td>
			<td>XCrySDen1.5.60</td>
			<td>http://www.xcrysden.org/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xmakemol</td>
			<td>Developed by M. P. Hodges</td>
			<td>xmakemol5.16</td>
			<td>https://www.nongnu.org/xmakemol/XmakemolDownloads.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xmgrace software</td>
			<td>Grace Development Team under the coordination of Evgeny Stambulchik</td>
			<td>xmgrace5.1.25</td>
			<td>http://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

probe type ii band alignment in one-dimensional van der waals heterostructures using first-principles calculations

基于密度函数理论 （DFT） 的计算工具能够探索定性上新的、实验性可实现的纳米级化合物，用于目标应用。理论模拟提供了对功能材料内在电子特性的深刻理解。该协议的目标是通过计算解剖来搜索光催化剂候选物。光催化应用需要合适的带隙，相对于氧化还原电位，需要适当的带边缘位置。混合函数可以提供这些属性的准确值，但计算成本高昂，而 Perdew-Burke-Ernzerhof （PBE） 功能级别的结果可以有效地通过电场和拉伸应变，旨在提高光催化性能。为了说明这一点，在本手稿中，基于 DFT 的仿真工具 VASP 用于研究纳米管和纳米带在接地状态下组合的纳米复合材料的带对齐。为了解决光产生孔和电子在兴奋状态下的寿命问题，需要非异化动力学计算。

封装在扶手椅 BN-NT （11，11） 中的 Zigzag BN-NRs 被选为 1D vdW 异构结构的代表性示例。晶格参数取自Sahin等人20。为方便起见，zigzag N 缩写为 Zn，其中 n 表示沿宽度14的 III+V 二分器。步骤2.3中的封装能量EL被用作纳米复合材料能量稳定性的粗略估计。封装在 BN-NT （11，11） 内的 Z2、Z3和 Z4的 EL值分别为 -0.033 eV/Ω、-0.06...

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Probe Type II Band Alignment in One-Dimensional Van Der Waals Heterostructures Using First-Principles Calculations

由维也纳Ab initio仿真包进行的计算可用于识别纳米级材料的内在电子特性，并预测潜在的水分裂光催化剂。

使用第一原理计算在一维范德瓦尔斯异构结构中的探头 II 型带对齐

Computational tools based on density-functional theory (DFT) enable the exploration of the qualitatively new, experimentally attainable nanoscale ...

该协议报告了光催化剂的计算筛选与类型二键对齐的第一原则软线巨大的表现加莱，亚硝酸盐纳米龙封装在纳米管内。并举其他例子。第一步，优化原子结构。准备输入文件，通过大，INCAR，POSCAR，POTCAR和KPOINTS的结构松弛计算。文件 INCAR 中指定了定义计算的参数。文件 INCAR 中由蓝色框括起来的行，以防所有原子都放松，直到每个原子的力小于每个原子 0.028。文件 POSCAR 包含原子几何信息。文件中的初始晶格参数，POSCAR 可以从激进或实验参考中选择。如橙色框所示。KPOINTS 定义了 KPOINT 网格，POSCAR 仍然是潜在的文件，为 POSCAR 生成亚硝酸盐纳米核子的初始结构。首先从材料项目的网站下载用于亚硝酸盐盒单元的POSCAR。他们使用 V2SXF 将 POSCAR 转换为具有 SXF 格式的文件。SXF 文件可以是正确的表达式。在频段二系统中键入 V2SXF POSCAR。并输出 Poscar Sxfgz 标签枪子 Poscar， 增量 Sxf - gz 。并输出 POSCAR SXF 。我们将使用 xcrysden 来制造亚硝酸盐的超级细胞。类型 xcrysden - sxf Poscar. xsf.选择菜单，修改绘制的病数，并在 X 和 Y 方向上扩展样式。选择菜单，文件。保存 XSF 结构以导出超级单元结构。使用 xmakemol 通过键入 xmakemol-f 超级细胞来打开超级细胞。选择菜单，并将其添加为可见。单击切换以延迟测距内的原子，并投射具有所需宽度和奇性的纳米龙。纳米亚硝酸盐纳米管可由纳米管建模器、窗口系统中的开放纳米管建模器EXC制造。选择菜单，选择 B-N 型。并指定性。选择菜单、文件、保存 XYZ 表以导出此结构。在开始执行计算作业之前，使用 VMD Southwire 检查原子结构。在内部 VMD 系统上键入 VMD。在打开的 VMD 主窗口中。选择菜单、文件、分子，然后通过浏览窗口查找 POSCAR。按类型"法师"和分数 POSCAR 加载 POSCAR。在图形表示绘制方法窗口中按不同的样式显示结构。例如，选择 CPK。每个原子由一个球体表示，每个键由一个键表示。键入 qsub 作业。pbs 将作业提交到计算机。类到可移植批处理系统脚本。这是名为 job.pbs 的脚本的示例。作业完成后，如果比率要求精度，则停止结构能量最小化出现在输出锁的末尾。收敛结果为笔。生成的 POSCAR 将用作以下计算的输入文件 POSCAR。用于分析材料的电子特性。第二步。计算封装能量。类型 mkdir 纳米合成分离纳米基纳基，用于在 Linux 系统中为纳米合成、纳米组件和纳米管内部创建 qsub 文件夹。准备一个 PBS 脚本，作业。pbs 和四个输入文件 INCAR， POSCAR， POTCAR 和 KPOINTS。对于能量，在每个文件夹中计算。输入文件 POSCAR 的方式与放宽结构和计数 CAR 形成该一个相同的方式相同。转到每个文件夹并键入 qsub 作业。pbs 到内部 Linux 系统。配合工作系列将分别对纳米合成物进行静态自一致能量计算，分离纳米球，分离纳米管。接下来跟踪每个系统备份命令的文件 OUTCAR 的总能量。完成静态自一致性计算后，然后计算封装能量，如此公式所示。纳米微晶的周期性相互作用是允许Z轴，L是单元单元的晶格常数，沿Z.封装能量可以作为纳米合成机高能稳定性的估计值。第三步，从带状结构中提取电子特性。准备一个 PBS，脚本作业。pbs 和六个输入文件。INCAR 、POSCAR 、POTCAR 、KPOINTS 、CHGCAR 和 CHG 。对于带计算，ICHARG 在 INCAR 中等于 11。预转换 CHGCAR 和 CHG 文件来自静态自一致性计算。KPOINTS 中的 KPOINT 采样处于线路模式。键入 qsub 作业。pbs 到内部 Linux 系统中提交作业。使用 p4vasprun 生成投影波段。负载血管。通过键入 p4v vasprun 的 xml。终端上的 xml 。选择菜单，电子本地 DOS 频段。控制，然后选择波段。在标签原子选择中指定纳米管的原子数。通过使用 VMD 指向相应的原子获取原子数。指定投影波段结构的颜色、类型和符号大小。这些菜单符号和符号大小。按菜单，添加新行。该图将显示带结构与纳米管的贡献。然后重复相同的过程，以收集投影带与纳米里本的贡献。选择菜单图导出。使用 agr 格式将图形导出到文件中。例如，保存为 11-4.agr。使用 XM 等级 ID 投影波段。类型 xmgrace11-4。在终端上启动菜单系统中的 xmgrace。选择菜单，绘制访问属性以识别标签和坐标轴的范围。选择手动绘图集外观以读取能量值作为指定的波段编号和关键点。释放带最大值和导电带最小纳米管或纳米带可以分别与纳米管或纳米十分孔的贡献从投影带。然后计算价带偏移、传导带偏移和带间隙。选择使用 APS 格式导出图形的菜单、文件、点。计算频段分解以存储 VBM 和 CBM 的充电密度。准备一个 pbs， 脚本作业。pbs 和七个输入文件， INCAR， POSCAR， PotCAR， Kpoints， Wavecar， Chgcar 和 Chg.指定 CBM 和 VBM 的频段编号。然后在 INCAR 中键入 IBAND。对每个波段边缘使用单个相应的 KPOINT。点收敛 CHGCAR ，CHG 。而WAVECAR文件，都是来自静态的自一致计算。键入 qsub 作业。pbs 到内部 Linux 系统中提交作业。使用 VMD 在作业完成后实际空间中绘制 VBM 和 CBM。启动 VMD 会话并加载 POSCAR。在 VMD 主窗口中选择菜单、文件、新分子。通过浏览窗口查找 PARCHG。按类型加载 PARCHG，按并评分 PARCHG。选择菜单，绘制实体曲面，并在图形表示窗口中显示实体曲面。将 ISO 值更改为适当的值，例如 0.02。通过菜单着色方法更改 ISO 曲面的颜色。第四步，按外部场调节纳米合成的电子特性。在纳米合成中添加一个横向电场。准备一个 PBS，脚本作业。pbs 和四个输入文件， INCAR， POSCAR， POTCAR 和 KPOINTS。以eV Astrum 的单位为单位，通过标记电子场定义电场的强度。集 LDIPOL 等于 T，设置 IDIPOL 等于 2。并且将施加电场允许Y轴。执行静态自一致性计算和带状结构计算，执行步骤 2 和步骤 3，无需结构优化。在纳米合成层中添加强度的纵向测试，沿周期方向将晶格参数串联起来，以考虑字符串效应。例如，要沿轴优化纳米合成的晶格参数为 2.5045 Astrum 如果应用 1%，沿 Z 的轴向拉伸强度通过动作。将 POSCAR 中的晶格参数更改为 2.529545 Astrum。按照步骤 1 放松修改结构，执行静态自一致性计算和波段结构计算，执行步骤 2 和 3。代表性结果。封装能量可用作纳米合成机高能稳定性的粗略估计。亚硝酸盐纳米工业的封装能量，2，一个3和4封装在亚硝酸盐纳米管11，11分别是0.033 eV Astrum，0.068 eV Astrum和0131 eV Astrum。虽然封装能量随纳米工业大小而变化一个数量级，但所有三个纳米合成物都呈现二型波段对齐。这是一个亚硝酸盐和纳米硝基的带状结构，一个封装在亚硝酸盐纳米管内的四个，11，11。瓦伦斯带最大值和传导带最小值分别位于纳米管和纳米带。交错带对齐有利于光电流对电荷传输的主要机理如下。照片在 X 点生成纳米气球的电动广告壳。然后整个分离从纳米十二元到纳米管。计算的价带偏移量为317微eV。它比热能大于热能在300开尔文，这是约13微eV。这有效地降低了光生成载波的重组率。为了提高光收获通过宽光谱，这种转移电场和纵向拉伸强度应用于亚硝酸盐纳米龙，四封装在亚硝酸盐纳米管内，11，11。这是带边缘相对于真空水平的演变，对无场反应。在两个外部场的纳米合成中，均观察到间隙大幅缩小至接近0.95 eV。更重要的是，交错带对齐将保留对漫反射。水的氧化还原电位以蓝色虚线标记。带边缘相对于氧化还原电位表示，这种纳米合成石在水分裂方面可能很有希望。结论。使用计算筛选方法发现具有适合单独水分裂的特性的低尺寸材料是快速而高效的。这样一维系统可以提出集成光催化氢生成和安全胶囊风格的覆盖。光生成电子可以通过纳米粒子收集，质子穿透纳米管，产生由静电吸引结合的氢分子。产生的氢气完全隔离在纳米管内，以避免不必要的反向反应或爆炸。第一个原则计算将低估使用 PPE 功能的间隙状态。但是它们可以捕获波段对齐和波段偏移的基本趋势。与实验工作相比，需要更精确的价带偏移、传导带偏移值和带隙值，操作功能将相当使用，这比PPE功能更耗时。除了解决照片生成的船体的寿命和电在静态状态纳米糖尿病患者否认我一些计算是必要的。这对于设计具有长期职业生涯的照片催化剂非常重要。

Research

JoVE Journal

Chemistry

Preparation and Use of Samarium Diiodide (SmI2) in Organic Synthesis: The Mechanistic Role of HMPA and Ni(II) Salts in the Samarium Barbier Reaction

Preparation and Use of Samarium Diiodide SmI2 in Organic Synthesis: The Mechanistic Role of HMPA and NiII Salts in the Samarium Barbier Reaction

二碘化钐的制备和使用（SMI<sub&gt; 2</sub&gt;）在有机合成中：HMPA和镍（II）盐的钐巴尔比耶反应的机理作用

Although initially considered an esoteric reagent, SmI2 has become a common tool for synthetic organic chemists. SmI2 is generated through the addition of ...

科研

化学

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

使用氢交换质谱分析蛋白质动力学

All cellular processes depend on the functionality of proteins. Although the functionality of a given protein is the direct consequence of its unique ...

Quantitative and Qualitative Examination of Particle-particle Interactions Using Colloidal Probe Nanoscopy

粒子粒子相互作用采用胶体探针纳米显微定量和定性检查

Colloidal Probe Nanoscopy (CPN), the study of the nano-scale interactive forces between a specifically prepared colloidal probe and any chosen substrate ...

Iridium(III) Luminescent Probe for Detection of the Malarial Protein Biomarker Histidine Rich Protein-II

IridiumIII Luminescent Probe for Detection of the Malarial Protein Biomarker Histidine Rich Protein-II

铱（III）荧光探针检测疟疾蛋白质生物标志物组氨酸丰富的蛋白质-Ⅱ

This work outlines the synthesis of a non-emissive, cyclometalated Ir(III) complex, Ir(ppy)2(H2O)2+ (Ir1), which elicits a rapid, long-lived ...

Post Column Derivatization Using Reaction Flow High Performance Liquid Chromatography Columns

柱后衍生用反应流高效液相色谱柱

A protocol for the use of reaction flow high performance liquid chromatography columns for methods employing post column derivatization (PCD) is ...

Non-equilibrium Microwave Plasma for Efficient High Temperature Chemistry

用于高效高温化学的非平衡微波等离子体

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose ...

Low Pressure Vapor-assisted Solution Process for Tunable Band Gap Pinhole-free Methylammonium Lead Halide Perovskite Films

可调谐带隙无针孔 Methylammonium 铅卤化物钙钛矿薄膜的低压蒸气辅助解决工艺

Organo-lead halide perovskites have recently attracted great interest for potential applications in thin-film photovoltaics and optoelectronics. Herein, ...

A Closed-Type Wireless Nanopore Electrode for Analyzing Single Nanoparticles

一种用于分析单纳米粒子的闭式无线纳米粒子电极

Measuring the intrinsic features of single nanoparticles by nanoelectrochemistry holds deep fundamental importance and has potential impacts in ...

Organic Structure-directing Agent-free Synthesis for *BEA-type Zeolite Membrane

有机结构定向无代理合成，用于_BEA型沸石膜

Membrane separation has drawn attention as a novel-energy saving separation process. Zeolite membranes have great potential for hydrocarbon separation in ...