单层过渡金属二硫化物边缘时间反演对称性的自发破缺

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利用密度泛函理论(DFT)和格林函数方法,文章报道了三种单层过渡金属二硫族物(TMDs)MoS2、MoTe2和WTe2 的 1T’ 相的不同边缘上存在具有非共线自旋形态的磁性边缘态。磁性态是零带隙的,伴随着时间反演对称性的自发破缺。这可能会对使用WTe2作为量子自旋霍尔绝缘体的前景产生影响。此前有报道通过应用垂直电场可以关闭1T’ TMDS的拓扑保护边缘状态【X.Qian,J.Liu,L.Fu,J.Li,Science 3461344(2014)】。本文通过完全自洽的DFT计算,证实了拓扑边态确实可以被关闭,但所研究的磁性边缘状态是强壮的,并在外加电场时保持零带隙。 模型 文章所使用的二维材料边缘模型是半无限周期的单边缘模型(只有一个边缘),因此克服了条带模型中宽度受限、两个边缘的缺点。x方向左侧的周期边界条件(PBC)、Dirichlet 边界条件(DBC)确保了周期体系和边缘部分的正确连接,x方向右侧的Neumann边界条件(NBC)则是真空静电势的最自然边界条件。z方向的DBC除了确保了模型更符合真实情况(无需周期性)之外,还允许在真空方向上增加栅极(Gate)来调控边缘态。 使用最新的QuantumATK P-2019.03 可以十分方便的计算这类Surface模型的能带结构,以研究三维周期体系的表面态或者二维周期体系的边缘态。 从下图可以看出,这种模型与纳米条带模型相比,周围电场的情况有明显的不同。 MoS2的能带和三种不同的边缘 三种不同边缘的能带 电场的影响 参考 Jelver, L., Stradi, D., Olsen, T., Stokbro, K. & Jacobsen, K. W. Spontaneous breaking of time-reversal symmetry at the edges of 1T’ monolayer transition metal dichalcogenides. Phys. Rev. B 99, 155420 (2019).(doi:10.1103/PhysRevB.99.155420;http://arxiv.org/abs/1812.09082) QuantumATK在材料表面与界面的计算中有独特的模型和方法:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/materials-interface/ DFT-NEGF材料表面计算模型、方法与应用:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/surface-negf-model/ QuantumATK P-2019.03新版发布:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/release-p-2019-03/ 立即试用 QuantumATK! […]

SCAN metaGGA 泛函简述

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密度泛函理论的“天梯” 1964年,Hohenberg 和 Kohn用反证法告诉我们存在这样一个“天堂”,在那里有一个通用的电子密度泛函,能够在密度泛函理论(DFT)框架中给出任意体系的基态 【1】。这是一个美好的理想。Kohn 和 Sham 在随后给出了 Kohn-Sham 方程的同时,也开始了搭建通往“天堂”的“天梯”(Jacob’s Ladder)的第一步:局域密度近似(LDA)【2】。推广的梯度近似(GGA)尤其是 PBE 泛函【3】在固体计算领域取得的巨大成功似乎提示我们这是一条正确的途径。从那以后直到今天,研究者们一直在努力修建“天梯”。 密度泛函的一般表达式很容易写出: 只包含密度项为 LDA,包含密度梯度项为 GGA,包含动能项为 meta-GGA,这三类泛函均为半局域(semi-local)泛函,他们构成了“天梯”的前三级。半局域泛函的一个重要优势就是计算速度快,但由于各种半局域泛函往往只能满足部分的约束条件,因此往往只在某些体系里计算精度较好。将半局域泛函与非局域项组合构成杂化泛函(“天梯”第四级),虽然在多个方面的计算精度有很大改进,但是计算量却是百倍的增长。 SCAN Meta-GGA泛函 最新的 SCAN 泛函(Strongly Constrained and Appropriately Normed Semilocal Density Functional)【4】是 MetaGGA 泛函的一种,是基于约束构建非经验半局域泛函的一个重要成果,因为 SCAN 泛函是第一个满足全部已知的17个约束的半局域泛函。 对 SCAN 泛函的系统测试表明,此泛函在计算各种固体的各种性质(尤其是能量相关性质)中比 LDA 和 GGA 有很大的改进,几乎达到了杂化泛函的水平,但是比杂化泛函要大大节约时间,计算量保持在半局域泛函水平【5】【6】。 密度泛函理论天梯【7】。SCAN 泛函的出现将 metaGGA 泛函的精度提高到了杂化泛函的水平。 在 QuantumATK 中使用 SCAN 泛函 SCAN 泛函已经包含在 QuantumATK 的最新版本中,同时支持平面波基组计算引擎(DFT-PlaneWave)和原子轨道线性组合基组计算引擎(DFT-LCAO),可以用于块体材料的能量、结构优化、分子动力学、动力学矩阵、电声耦合、带电点缺陷分析、磁各向异性能量等各种计算。 DFT-PlaneWave 和 DFT-LCAO 计算引擎给出的结果一致: 提示:更多更新功能详见《QuantumATK P-2019.03新版发布》和 《QuantumATK功能列表》。 文献中对 SCAN 泛函的一些测试结果 SCAN 泛函在内聚能、形成能的计算中普遍优于其他的半局域泛函,例如在硅的间隙缺陷形成能计算中得到与实验一致的结果【5】。 SCAN 泛函在主族化合物结构稳定性预测中得到了近乎完美的结果,副族化合物结构稳定性预测也比 PBE 泛函要好【5】【8】。 SCAN 泛函还更好的体现了中程的范德华相互作用,在预测冰和水分子团结构【5】以及半导体材料【6】中得到很好的结果。 也有文章认为 SCAN 泛函在二维材料的结构和电子态研究中能得到更好的结果【9】。 参考文献 Hohenberg, P. & Kohn, W. Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. 136, B864–B871 (1964). Kohn, W. & Sham, […]

QuantumATK P-2019.03新版发布

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更新概要 密度泛函理论方法更新 材料性质分析模块新功能 动力学计算更新 计算性能提升 重新设计的计算脚本生成工具 全面提升的二维数据作图工具 其他更新  密度泛函理论方法更新 在平面波和LCAO基组的DFT计算中采用SCAN MetaGGA泛函,极大的提升了GGA和LDA在各种体系中的计算效果 Strongly Constrained and Appropriately Normed semi-local density functional 大幅改进能量计算(与LDA和GGA相比) 与完全非局域杂化泛函得到一样精度的结果,但是大大节省计算成本【[G.-X. Zhang et al., New J. Phys. 20, 063020 (2018)]】 可用于LCAO和PlaneWave计算 可以用于各种块材计算分析:优化结构、动力学模拟、动力学矩阵、哈密顿量导数、点缺陷分析、磁各向异性等等  平面波计算新增对多种材料性质分析工具的支持 光学谱,有效能带,投影能带(Fat Bandstructure),投影态密度、本征值 PlaneWave现在和LCAO支持的相同类型投影:自旋(上/下),自旋(x/y/z),原子位,原子组标签、元素、壳层、轨道等 使用Kerker预处理工具改进使用平面波DFT对片层(Slab)结构计算的收敛性 HSE杂化泛函与非共线/自旋轨道耦合联合使用 HSE杂化泛函计算速度提升 GGA PseudoDojo模守恒赝势现在支持非共线自旋轨道耦合;新增PseudoDojo LDA赝势 PAW方法:Projector-Augmented Wave method 可以使用比模守恒赝势更低的波函数截断(NC:30-40Ha;PAW:20Ha),大大提高计算速度 可以计算:总能、力、能带、态密度、声子能带和态密度、振动模式动力学矩阵、费米面、化学势、有效质量,等等 支持自旋极化计算 可选Generalized Davidson(默认)或PPCG方法解本征值 全面支持MPI并行 PAW数据:GPAW(默认)和JTH(包含镧系元素) 材料性质分析模块新功能 磁各向异性能量(MAE) 使用功能强大的study […]

QuantumATK亮点文章:Janus 二维材料用于高效光电池器件(Nano Lett. 2018)

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之前的文章(链接)介绍了在原子尺度上模拟光电池器件时考虑温度效应的方法[1],最近这种方法又被用于一种新的堆叠 Janus 光电池器件[2]。基于最新发现的二维材料MoSSe的超薄(0.5-1nm)器件可以产生的光电流和外量子效率(EQE)比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。 这类 Janus 过渡金属二硫族化合物(TMD)是一种双侧不对称材料,跨平面的不对称性在二维材料平面的两侧产生了一个偶极,这个偶极可以多层堆叠。这样得到的“p–n结”可以用于分离在底层和顶层产生的电子(e-)和空穴(h+)载流子,载流子分别进入两侧的石墨烯电极中产生光电流。至关重要的是,石墨烯不会像金属电极一样屏蔽这种跨层的偶极。 使用 QuantumATK 的图形界面可以基于 TMD 创建堆叠Janus光电池器件。QuantumATK的第一原理DFT和DFT-NEGF 方法、光电流计算模块等可以用于计算能带、态密度、电子透射、输运通道、光电流密度等各种重要性质。文章报道的 Janus 光电池器件可以产生的光电流和外量子效率(EQE)比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。此外作者还注意到,由于偶极的堆叠影响,器件在光子能量小于单层 Janus MoSSe 的带隙时也能产生光电流。作者建议也许可以使用 MoSSe Janus 层与硅薄膜结合来提高硅对低能量光子的吸收效果。作者还建议可以在光电应用领域里研究其他 Janus 二维材料(例如 CrSSe、ZrSSe 等)。 相关教程和讲座 文章中所用方法都在QuantumATK O-2018.06之后的版本实现,详见: Webinar on accurate atomistic simulations of solar-cell devices including temperature effects Tutorial on the photocurrent in a silicon p-n junction Tutorial on electron transport […]

ADF Highlight:PDMS-PEG团聚体中缺电子Pt1(0)形成机理(Nature Comm.,2019)

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文献资料:Kairui Liu, Guangjin Hou, Jingbo Mao, Zhanwei Xu, Peifang Yan, Huixiang Li, Xinwen Guo, Shi Bai & Z. Conrad Zhang, Genesis of electron deficient Pt1(0) in PDMS-PEG aggregates, Nature Communications volume 10, Article number: 996 (2019) 虽然载体表面稳定单原子的报道已经屡见不鲜,但在液体介质中合成原位还原的稳定弱配位分散金属原子更具挑战性。本文报道了在液体PDMS-PEG中还原H2PtCl6,形成单核缺电子Pt1(0) (Pt1@PDMS-PEG),该还原反应通过紫外-可见光谱、远红外光谱和X-射线光电子能谱得到证实。 CO红外光谱、195Pt与13C核磁共振谱证实Pt1(0)以近似八面体结构(R1OR2)2Pt(0)Cl2H2存在,其中R1、R2 分别是H、C或Si基团。通过比较实验与理论计算的195Pt核磁共振谱,验证了弱配位结构(R1OR2)2Pt(0)Cl2H2以及缺电子Pt1(0) 。质子态H+与Cl−形成类似HCl的弱配位,用碱中和生成铂纳米粒子。Pt1@PDMS-PEG在石蜡氢化硅烷化中表现出超高的活性以及最终加成物选择性。 NMR位移计算使用ADF模块,利用ZORA方法考虑重元素Pt的相对论效应。

ADF Highlight:修正氢键的次静电相互作用模型(JACS,2019)

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文献资料:Stephanie C. C. van der Lubbe, Francesco Zaccaria, Xiaobo Sun, and Célia Fonseca Guerra, Secondary Electrostatic Interaction Model Revised: Prediction Comes Mainly from Measuring Charge Accumulation in Hydrogen-Bonded Monomers, J. Am. Chem. Soc., Just Accepted Manuscript, 10.1021/jacs.8b13358 次静电相互作用(SEI)模型常用于预测和解释自组装体系的相对氢键强度。该模型将氢键的作用机制简化为相互作用的点电荷,但实验结果往往与该模型的预测一致。这一模型是如何预测的?本文研究了两个四重氢键异构体DDAA-AADD和DADA-ADAD。 结果表明,当质子给体D(电子供体)和质子A(电子受体)以DDAA的方式聚在一起时,前沿原子周围的电荷积累比DADA的方式要大。这种电荷积累增强D的正电性以及A的负电性,使得DDAA的静电作用和共价作用都得到增强。因此,该模型之所以有效,是因为它为氢键单体中的电荷积累提供了度量。这为超分子化学家们调控氢键强度、控制自组装体系性能提供了理论依据。 本文使用ADF中的EDA方法分析了氢键键能的构成,静电势分布、前线分子轨道等信息。

ADF Highlight:卤键在超分子动力学过程中的催化作用(Nature Comm.,2019)

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文献资料:Patrick M. J. Szell, Scott Zablotny & David L. Bryce, Halogen bonding as a supramolecular dynamics catalyst, Nature Communications volume 10, Article number: 916 (2019) 动力学过程对催化剂、酶、主-客复合物、分子机器等功能分子有重要影响。本文通过氘核磁共振弛豫实验,展示了2,3,5,6-四甲基吡嗪共晶中,卤键对甲基转动的催化作用。作者观察到,与纯的2,3,5,6-四甲基吡嗪共晶相比,卤键共晶中,甲基转动的活化能垒平均下降了56%,氢键共晶下降了36%。 密度泛函计算的结果表明,对位交叉构象不稳定,邻位交叉构象却非常稳定,共同降低了能垒,导致了卤键超强的催化作用。此外,计算结果还表明,卤键的催化能力可能是可调的,卤键供体作用越强,催化作用越强。 本文DFT计算使用AMS中的ADF模块完成,分子模型从晶体结构中提取。因为存在分子间弱相互作用,因此使用Grimme3 BJDAMP色散修正泛函(即-D3(BJ)类泛函),使用ZORA方法考虑相对论效应对重元素的影响。甲基转动过程,使用其中Linear Transit功能完成,每一步转动2.5°。

QuantumATK亮点文章:理论计算与实验观测结合研究分子器件

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单分子器件一直是量子输运研究的前沿,如何可控的制备和测量单分子的导电性一直是实验上的巨大挑战,而基于DFT-NEGF方法的理论计算则为实验结果的解释、理解分子器件构效关系提供了有力的工具。2018年,北京大学的郭雪峰老师课题组发表的两篇文章分别报道了在不同的外加影响(电场、溶剂、温度)下分子结构变化和多个导电状态的关系。 这两项工作中的理论计算部分由中国科技大学李星星博士使用QuantumATK完成,以共同第一作者身份发表在《自然·通讯》杂志和《德国应用化学》杂志上。 《自然·通讯》[Nat. Commun. 9, 807 (2018)] 报道了基于实验研究不同溶剂、温度下的脲基嘧啶酮四重氢键二聚体的的电学多态信号, 运用理论计算揭示导致电导发生变化的本质原因是由电致氢迁移和内酰胺–内酰亚胺互变异构引起的异构化过程。相关新闻报道见北大官网:《自然•通讯》发表郭雪峰课题组在分子间作用力动力学研究中的重要进展)。 《德国应用化学》[Angew. Chem. Int. Ed. 57, 14026 (2018)] 报道了基于实验观测三苯基和六苯基单分子结在栅压下的双极电荷传输,运用理论计算揭示双极电荷传输特性是由于当栅极电压从负变为正时主导电子传输轨道从HOMO变为LUMO所致。新闻报道见北大官网:化学学院郭雪峰课题组在单分子场效应晶体管研究中取得重要进展)。 相关教程 所有文中所涉及的计算方法均在QuantumATK中提供,详见以下教程: 相关的中文教程列表 分子器件模拟 英文教程 Four tutorials on molecular electronics Tutorial on studying the electron transport properties of a graphene nanoribbon with a distortion 参考文献 Nat. Commun. 9, 807 (2018) Angew. Chem. Int. Ed. 57, 14026 (2018) 立即试用 […]

ADF Highlight:有机/无机配体协同保护的银纳米团簇(JACS, 2019)

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文献资料:shan-shan zhang, Fahri Alkan, Hai-Feng Su, Christine M. Aikens, Chen-Ho Tung, and Di Sun, [Ag48(C≡CtBu)20(CrO4)7]: An Atomically Precise Silver Nanocluster Co-Protected by Inorganic and Organic Ligands, J. Am. Chem. Soc., 2019 配体的精细选择对合成金属纳米团簇,具有重要意义。使用硫醇、炔基、膦或它们的组合,作为保护金属纳米团簇的配体,是最为广泛的。而无机氧阴离子在这一领域几乎被忽视。本文作者合成了第一个CrO42-/tBuC≡C-共配的Ag48纳米团簇(SD/Ag48,SD=SunDi),并用单晶X射线衍射(SCXRD)对其结构进行了表征。 SD/Ag48的伪五重对称金属骨架呈核壳结构,由外部Ag25壳包围Ag23圆筒组成。在SD/Ag48表面,前所未见地出现了无机(CrO42-)和有机(TBUC≡C-)配体共存的现象。无机CrO42-阴离子在银纳米团簇的构建中起着重要的作用:(1)钝化Ag23内核;(2)连接核与壳;(3)保护Ag25壳层。该纳米团簇属于14电子超原子体系,从可见区到紫外区呈现连续的类分子吸收带。本工作不仅为银纳米团簇的合成提供了一种新的配体策略,而且也为研究CrO42-对纳米银团簇形状的控制提供了新的思路。 本文使用ADF计算了该结构的电子结构,以及紫外可见吸收光谱。使用ZORA方法中的标量相对论方法考虑相对论效应的影响。

[Au32(Ph3P)8(dpa)6]2+

ADF Highlight:金属配体相互作用形成稳定“金富勒烯”(Angew.Chem. Int. Ed., 2019)

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文献资料:Shang-Fu Yuan Cong-Qiao Xu Jun Li Quan-Ming Wang, Ligand‐Protected “Golden Fullerene”: the Dipyridylamido Au32 8+ Nanocluster, Angew.Chem. Int. Ed., 10.1002/anie.201901478 通过吡啶胺和三苯基膦作为保护剂,合成了“金富勒烯”Au32团簇。单晶X射线结构分析表明,该金纳米团簇[Au32(Ph3P)8(dpa)6](SbF 6)2(Hdpa=2,2′-二吡啶胺),具有S6群对称性,内核为Au328+。量子化学研究阐明了该簇结构的特殊稳定性源于金属-配体相互作用。 量子化学计算使用Amsterdam Modeling Suite(简称AMS)中的ADF模块完成。使用PBE泛函,为了节省计算量,Au元素使用TZP基组、所有其他元素都使用DZ基组,Au元素4f,P元素2P,C、N元素1s及其以内的电子冻结。一般而言,Au元素的相对论效应几乎是所有元素中最强烈的,相对论效应使用ZORA方法中的标量相对论(Scalar选项)。为了简化分子模型,计算使用PH3替代Ph3P。由于ADF中不包含S6群,因此使用其子群Ci群,优化之后得到的结构非常接近S6群。 本文也计算了原子电荷,包括Mulliken电荷布居、Hirshfeld、Voronoi以及多极导出电荷(MDC)。紫外-可见吸收谱使用LB94泛函计算得到,相对其他泛函,LB94具有较好的描述空轨道的能力。