单分子反应的电场诱导选择性催化(Sci. Adv. 2019)

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引言 随着单分子电学检测技术的迅速发展,分子电子学的研究已不再局限于分子电子学器件的构筑及其电学性质的测量,而是扩展到单分子尺度化学反应过程的探索。单分子裂结技术能够直接观察单个分子的始态、终态和中间态,采用此技术并通过施加定向外部电场,有望实现对单个分子乃至单个化学反应的操纵和调控,从而在纳米尺度的反应器中实现对单个分子化学反应速率的选择性调控,为未来基于清洁能源的绿色化学合成提供了新思路。近日,厦门大学洪文晶教授、程俊教授和兰州大学张浩力教授在电场选择性调控特定化学键的反应速率研究方面取得重要突破。相关研究成果以“Electric-field-induced selective catalysis of single-molecule reaction”为题发表于Science Advances。 成果简介 针对这一挑战,该研究团队自主研发了高强度定向电场下研究化学反应速率的精密科学仪器技术,将单个有机分子定向地连接在两个原子级尺寸的电极之间,从而解决了化学反应中分子取向控制的问题。通过电极对单个分子施加了高达108-9 V/m的定向电场和对反应的分子计数,精确测量了两步连续反应中每步的反应速率。在纳米尺度反应器内中发现:若施加电场与反应轴垂直,电场对化学反应没有影响;如果电场在反应轴方向有分量,电场可以使反应速率提升超过一个数量级。通过单分子器件电输运模拟证实了化学反应路径的中间态;过渡态计算结果表明定向电场可以有效地稳定化学反应的过渡态,从而降低反应能垒。 这一跨学科合作,在国际上首创了利用定向外部电场选择性调控化学反应速率的仪器和技术,实现外加电场对化学反应的有效调控,提出了将外加电场作为智能催化剂创新思路,对基于清洁能源的绿色化学合成和化工清洁生产的发展具有重要意义。 参考文献 X. Huang, C. Tang, J. Li, L. C. Chen, J. Zheng, P. Zhang, J. Le, R. Li, X. Li, J. Liu, Y. Yang, J. Shi, Z. Chen, M. Bai, H. L. Zhang, H. Xia, J. Cheng, Z. Q. Tian and W. Hong. […]

QuantumATK独有的新功能:非平衡态格林函数方法研究半无限表面模型

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概述 QuantumATK从最新版本开始引入了一个全新的、独一无二的半无限表面模型。与非平衡态格林函数方法配合,半无限表面模型可以比表面slab模型更完善的模拟表面体系。描述此方法的文章已经在Phys. Rev. B 96,195309 上发表(预印文章参见:https://arxiv.org/abs/1707.02141)。 模型 片层(Slab)模型 与其他的周期性模型程序类似,QuantumATK也可以用传统的Slab模型来描述表面体系,但Slab模型有很大的缺陷和局限: Slab最大的不足是无法模拟实际表面下方通常是无限大的块体材料; 由于厚度有限,Slab中的电子容易体现出量子限制的效应; 两个表面之间可能相互影响; 很难正确的在表面方向模拟外加电场; 经常需要表面钝化、偶极校正等额外补救措施。 单电极表面(One-probe surface)模型(或半无限表面模型) 为此,QuantumATK 基于 DFT 和格林函数方法方法开发了真正可以模拟半无限表面体系的模型,即将一个表面 Slab 模型耦合于半无限的块体结构上(见下图)。 这种模型有以下几个独特的优势: 算法复杂度降低,特别适合大体系计算; 表面性质对表面层数的依赖显著降低; 只需很少的层数就可以再现块体的电子态; 可以正确的施加垂直表面方向的电场,模拟电场对表面体系的影响。 应用 文章报道了半无限表面模型的原理和应用,这些应用实例展示了半无限表面模型和格林函数方法的精确性,也证实了这个模型在表面体系研究中比传统模型具有明显的优势。 计算过渡金属的功函数 计算贵金属和拓扑绝缘体的表面态 Ge(001)|Si薄膜半导体异质结构的能带对齐 电场对碘在Pt(111)上吸附的影响   NanoLab高级图形用户界面:专注于研究,更快获得结果 NanoLab 图形用户界面丰富易用的功能可以让用户专注于研究项目的科学问题,专心思考科学问题,更快的发现新材料、创建新结构,避免在数据的导入、导出、处理、作图等琐碎的问题上浪费时间。NanoLab 可以: 最强大的材料表面结构建模工具 直观的选择表面方向和表面超胞 最合理的表面结构优化方法 快速构建各种结构模型 内嵌晶体结构数据库 搜索在线晶体结构数据 应用领域 与QuantumATK中的结构优化、能量计算、CI-NEB过渡态搜索等功能结合,这种模型还在表面化学、催化等领域有广泛的潜在应用。 表面功函数 表面态 表面反应过渡态与催化 拓扑绝缘体 相关的实例教程 表面结构与吸附 表面分子吸附体系建模:中文教程、英文教程 硅表面重构研究:中文教程、英文教程 CO在Pd(100)表面的吸附:英文教程 […]

QuantumATK应用文章:III-V族半导体量子阱的能带计算方法的系统研究与实验验证

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由 Synopsys QuantumWise, ETH Zürich, Università degli studi di Udine, Università degli studi di Bologna 以及IBM Zürich Research Laboratory 共同发表在 Solid-State Electronics 杂志上的文章(http://dx.doi.org/10.1016/j.sse.2015.09.005)报道了最新的关于III-V族半导体量子井的研究,评估了III-V族半导体的能带计算方法以及用于器件模拟的能带校正参数。 文章摘要 我们详细的比较了用非抛物线有效质量模型结合密度泛函理论、紧束缚方法、k·p 方法等进行能带结构计算的结果。在提取了InAs、GaAs、InGaAs等体系的用于非抛物线型Γ、L、X谷和谷间带隙参数组合之后,考察了厚度从 3 nm 到 10 nm 的量子阱以及带隙对薄膜厚度的依赖性,并与实验中In_{0.53}Ga_{0.47}As 的量子阱进行了比较。能带结构对MOSFET的源漏电流的影响则由弹道输运模型模拟。得到的结果为评估III-V族半导体能带结构计算方法和为器件计算进行能带校正参数提供了严格的依据。    Simulated and experimental energy gap for unstrained In_{0.53}Ga_{0.47}As quantum well on Al2O3. 更多关于 III-V-MOS 计划的信息: http://quantumwise.com/about-us/projects