大型纳米管及薄片弯曲变形的对称性适应实空间密度泛函理论

亲爱的同事们,

这是我们最近发表的关于大型纳米管和薄片弯曲变形的对称性适应实空间密度泛函理论的文章

标题:圆柱几何的对称适应实空间密度泛函理论:在大群iv纳米管上的应用

作者:Swarnava Ghosh, Amartya S. Banerjee, Phanish Suryanarayana*

简洁的总结

本文提出了Kohn-Sham密度泛函理论(DFT)的对称实空间表述。利用该公式和实现方法模拟了IV族纳米管和纳米片的能带结构和弯曲性能。报道了带隙与纳米管半径和薄片弯曲模量的关系。我们还证明了所提出的方法的效率，并表明即使是微米级的纳米管也可以通过适度的计算来模拟。总的来说，这项工作为一维大半径纳米结构和一维/二维均匀弯曲纳米结构的从头算模拟提供了一个有效的框架，并为挠曲电效应的从头算研究开辟了一条途径。

文件链接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.100.125143

摘要

我们提出了一种适用于圆柱几何的对称实空间的Kohn-Sham密度泛函理论，并将其应用于大型X (X=C, Si, Ge, Sn)纳米管的研究。具体地说，我们从所有空间上的Kohn-Sham方程出发，通过分别在圆柱体的角方向和轴方向上结合循环和周期对称性，将问题减少到基本域。我们开发了该公式的高阶有限差分并行实现，并根据已建立的平面波和实空间代码验证了其准确性。利用这种实现，我们分别研究了X纳米管和Xene片的能带结构和弯曲性能。具体来说，我们首先表明半径在1到5nm范围内的锯齿形和扶手形X型纳米管是半导体的，除了扶手形和锯齿形III型碳变体，我们发现其带隙很小，表明金属行为。特别是，我们发现除扶手椅和之字形III型碳变体外，所有纳米管的带隙相对于半径呈逆线性依赖关系，我们发现它们呈逆二次依赖关系。接下来，我们利用循环对称和均匀弯曲变形之间的联系来计算Xene片材在之字形和扶手椅方向上的弯曲模量，同时考虑曲率半径高达5 nm。我们发现所有薄片都具有Kirchhoff-Love型弯曲行为，其中石墨烯和石墨烯分别具有最大和最小的模量。此外，除石墨烯外，薄片表现出显著的各向异性，沿扶手椅方向具有较大的弯曲模量。最后，我们证明了所提出的方法具有非常好的并行缩放性和高效率，可以对具有高度循环对称性的系统进行前所未有的从头计算模拟。 In particular, we show that even micron-sized nanotubes can be simulated with modest computational effort. Overall, the current work opens an avenue for the efficient ab-initio study of 1D nanostructures with large radii as well as 1D/2D nanostructures under uniform bending.