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纳米管上的 Stone-Wales 缺陷

类别：Quantum ATK
先决条件：Tube Wrapper 插件
下载：↓ PDF version ↓ stone_wales_cnt.py

在本教程中，您将学习如何在（9,0）纳米管中创建 Stones-Wales 缺陷，并计算缺陷对透射谱的影响。核心技巧是首先在石墨烯中创建缺陷薄片，可以很容易地明确缺陷适当的键合旋转，然后将结构卷成纳米管。

Stone-Wales 缺陷以两个 π 键中点为中心旋转 90° 以改变它们的连接性，如下图所示：

它是一种会发生在如纳米管和石墨烯中的晶体缺陷，会对电子、化学和机械性能产生很大影响。以剑桥大学 Anthony Stone 和 David Wales 的名字命名，1986 年他们在关于富勒烯 [SW86] 的论文中对此进行了描述，但 Peter Thrower 在一篇关于石墨缺陷的论文中更早地描述过类似的缺陷 [Thr69]。

注意

您将在石墨烯中构造 Stone-Wales 缺陷，然后将其包裹在管中。因此，您需要用到 Tube Wrapper 插件，可通过 AddOn Manager （Help AddOnManager）下载。如果尚未安装插件，则应先安装，然后重新启动 QuantumATK 激活插件。

创建缺陷并包裹管

创建缺陷并包裹管

第 1 步：点击 Add Add From Plugin Nanosheet plugin 创建一个石墨烯薄片。对 chiral indices 设置 n = 9， m = 0，点击 Build。

第 2 步：我们的目的是研究一个孤立的缺陷，因此有必要构建一个可以旋转单个 C-C 键的大型结构。点击 Bulk Tools Repeat 工具将构型沿 C 方向重复 10 次，然后按下 Ctrl + R 键重置视图。

第 3 步：接下来，构造缺陷：选中结构中间的两个原子，打开 Coordinate Tools Rotate 工具。选择旋转轴为 X（也是默认选项），输入旋转角度为 90。重要的是要勾选 Rotate around selection center 的选项框，然后点击 Apply。

第 4 步：您现在可以把石墨烯薄片卷成管状了，薄片沿 B 和 C 方向周期性排列。管轴应该沿 C 向，因此石墨烯薄片沿 B 卷。采用 Coordinate Tools Tube Wrapper 工具实现此操作，设置角度为360°，点击 Apply。

优化结构

缺陷是由两个碳原子简单旋转产生的，很可能不是它的平衡形态。因此，您应该对缺陷做几何优化。含有 Brenner 势的 ATK-ForceField 引擎将会提供一个很好的起点（可以方便地在 Coordinate Tools Quick Optimizer 中找到），但是对于一个真正正确的结构，您应该运行完整的 DFT 优化。在这两种情况下，管的末端应该受到约束以保持完全周期性，便于稍后器件计算。

无论如何，作为第一近似，选择缺陷原子（下图白色和粉红色标注的原子）和其周围的原子，可以局部优化缺陷几何。使用具有 Brenner 势的 Quick Optimizer（您需要将步数增加到 100）。

然后利用 Device Tools Device From Bulk（只需要点击 Create，默认设置就可以了）将结构转换为器件。

将器件保存在项目目录中名为 Device_stone.hdf5 的文件中，用于其他将要进行的计算。

透射谱

让我们提取出最后一个器件结构的透射谱。这是一个相当大的器件 – 中心区域包含 360 个原子 – 但是使用 ATK-SE 引擎，您可以仅在几分钟内就计算出电子透射谱。

使用脚本生成器创建一个 Python 脚本，其中包含带有 Hancock.C ppPi 基组和一个 TransmissionSpectrum 分析模块的 Slater-Koster 计算器。然后使用 Job Manager 运行计算，并利用 2D 绘图插件将计算的透射光谱可视化。

可在此处下载透射谱的结果：↓ Device_stone.hdf5。

透射谱如上图所示。它由参考文献 [HSU+08] 中的 Hancock 单频带紧束缚模型计算，最多考虑到第三近邻间的相互作用。一个完美 （9,0） 管的透射谱将在费米能级周围呈现阶梯状，但缺陷会引入强烈的散射并显著改变电子透射。这肯定也会对 I-V 曲线产生明显影响。

注意

您可以轻松地计算相应的 I-V 曲线：只需启动一个新的 Script Generator 会话并使用 Analysis from File 和 IVCurve 分析模块创建脚本。然后利用 IV-Plot 插件绘制结果。

您还可以计算无缺陷的 （9,0） 纳米管的透射谱和 I-V 曲线，并与上面的结果进行比较。

参考