下面將為大家展示目前唯理計(jì)算的客戶案例展示，本期案例為結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

研究方向：第一性原理

概念解釋：能帶，能帶結(jié)構(gòu)可以解釋固體中導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體三大類區(qū)別的由來。一般常見的金屬材料，因?yàn)槠鋫鲗?dǎo)帶與價(jià)帶之間的“能隙”非常小，在室溫下 電子很容易獲得能量而跳躍至傳導(dǎo)帶而導(dǎo)電，而絕緣材料則因?yàn)槟芟逗艽螅娮雍茈y跳躍至傳導(dǎo)帶，所以無法導(dǎo)電。一般半導(dǎo)體材料的能隙介于導(dǎo)體和絕緣體之間。因此只要給予適當(dāng)條件的能量激發(fā)，或是改變其能隙之間距，此材料就能導(dǎo)電。

在通常的能帶結(jié)構(gòu)中，會(huì)涉及到以下幾個(gè)概念：費(fèi)米能級(jí)以下的稱為價(jià)帶（valence band，VB），價(jià)帶能量最高的地方稱為價(jià)帶頂（VBM，valance band maximum）;費(fèi)米能級(jí)以上的稱為導(dǎo)帶（conduction band，CB），導(dǎo)帶能量最低的地方稱為導(dǎo)帶底（CBM，conduction band minimum）；CBM和VBM之間的寬度稱為帶隙，一般用Eg表示；如果CBM和VBM在同一波矢方向，則該材料是直接帶隙半導(dǎo)體；如果不在同一波矢方向，則是間接帶隙半導(dǎo)體。

目的：為了找到矩形格子下價(jià)帶頂或?qū)У椎奈恢谩?/p>

二、案例展示

光吸收能力、分離和復(fù)合效率以及光生電子和空穴在催化劑上的轉(zhuǎn)移被廣泛認(rèn)為是影響其光催化性能的重要因素。上文采用DFT計(jì)算研究可以不同氮空位類型對g-C3N4電子帶隙結(jié)構(gòu)的影響，N（v1）拉寬了帶隙，N（v2）明顯縮小了帶隙。文獻(xiàn)也證明，減窄帶隙有利于提高光催化劑產(chǎn)過氧化氫的性能。

來源：https://doi.org/10.1002/sus2.83

三、計(jì)算方案要求

樣品要求：最好提供晶體結(jié)構(gòu)文件，即cif文件；或可提供與XRD實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配的PDF卡片信息；如是表面結(jié)構(gòu)，還需提供晶面信息；如結(jié)構(gòu)有改性（空位、摻雜、位錯(cuò)等），還需要說明細(xì)節(jié)。

可能存在的風(fēng)險(xiǎn)：PBE泛函被普遍認(rèn)為會(huì)存在帶隙低估的可能性，有可能不符合預(yù)期。

四、常見問題

問題一

1.為什么能帶計(jì)算值一般低于實(shí)驗(yàn)值？

這是PBE本身的問題，PBE是一種GGA泛函，有較強(qiáng)的自相互作用問題，導(dǎo)致電子偏向離域、帶隙低估等一系列問題。一般計(jì)算得到的帶隙比實(shí)驗(yàn)低30%~50%。這種低估并不是說方法就不可以用，我們還是可以把這個(gè)方法拿來做定性分析。解決辦法方法有DFT+U、mBJ+U、雜化泛函

*帶隙低估相關(guān)文獻(xiàn)見文末

問題二

2.為什么有些體系要加U？

對于含有d、f軌道電了的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系(Hubbard模型)，電子間存在強(qiáng)烈的在位庫侖相互作用，而交換相關(guān)泛函中的局域密度近似(LDA)或廣義梯度近似(GGA)對電子之間的強(qiáng)在位庫侖相互作用描述不準(zhǔn)，此時(shí)可將研究體系的交換相關(guān)泛函分成兩部分計(jì)算，也就是用DFT+U的方法進(jìn)行求解，公式如下:

其中一部分電子用DFT算法(如LDA，GGA)等可以比較準(zhǔn)確地描述;另外的d，f軌道電子通過引入Hubbard項(xiàng)得到正確的描述(U值就是考慮了同一個(gè)原子白旋相反的局域電子之間的庫侖排斥)。

示例：

DFT計(jì)算MnO的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)該體系是金3l，而實(shí)驗(yàn)觀察到其是絕緣體[4]，主要原因在于

MnO中Mn的d軌道電子存在強(qiáng)烈的庫侖相互作用，而一般的DFT交換相關(guān)泛函不足以描述以上庫侖相互作用，導(dǎo)致軌道與軌道相互按近甚至重罍， 加U考慮了同一個(gè)原子上自旋相反的局域電子之間的庫侖排斥，導(dǎo)致能級(jí)分裂，從而便得理論計(jì)算的帶隙值更加接近于實(shí)驗(yàn)值。

部分客戶文章

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*本期案例來源出自唯理計(jì)算-小陽老師

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