适用于扭曲几何的密度泛函理论方法及其在 IV 族纳米管扭转变形中的应用
材料科学
2022-04-20 v4 计算物理
量子物理
摘要
我们提出一种适用于扭曲几何的 Kohn-Sham 密度泛函理论(real-space 表述与实现),并将其应用于 X(X = C、Si、Ge、Sn)纳米管扭转变形的研究。我们的表述基于螺旋坐标中的高阶有限差分离散化,使用 ab initio 赝势,并自然地纳入了旋转(循环)与螺旋操作(即螺旋)对称性。我们讨论了计算方法的若干方面,包括控制方程的形式、数值实现的细节,以及其收敛性、精度与效率特性。此处提出的技术特别适合于准一维结构及其变形的第一性原理模拟,许多感兴趣的系统可使用仅含少数原子的小型模拟元胞来研究。我们将该方法应用于系统研究单壁锯齿形与扶手椅形 IV 族纳米管在扭转过程中的性质。在所考虑的变形范围内,管的力学行为被发现与各向同性线性弹性大体一致,其扭转刚度随纳米管半径的立方变化。此外,对于给定的管半径,该量在碳纳米管中最高,在锡纳米管中最低,而硅与锗纳米管具有彼此接近的中间值。我们还描述了纳米管在扭转时电子性质变化的不同方面。特别地,我们发现类似于众所周知的扶手椅形碳纳米管行为,硅、锗和锡的扶手椅形纳米管也表现出随施加扭转率周期性变化的带隙,且变化的周期性以与管半径平方成反比的方式标度。
引用
@article{arxiv.2103.00049,
title = {Density functional theory method for twisted geometries with application to torsional deformations in group-IV nanotubes},
author = {Hsuan Ming Yu and Amartya S. Banerjee},
journal= {arXiv preprint arXiv:2103.00049},
year = {2022}
}