論文の概要: Density functional theory method for twisted geometries with application to torsional deformations in group-IV nanotubes

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2103.00049v4
• Date: Mon, 18 Apr 2022 22:16:21 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-04-09 20:23:32.937677
• Title: Density functional theory method for twisted geometries with application to torsional deformations in group-IV nanotubes
• Title（参考訳）: ツイストジオメトリーの密度汎関数理論法とIV族ナノチューブのねじり変形への応用
• Authors: Hsuan Ming Yu and Amartya S. Banerjee
• Abstract要約: ツイスト測地に適したコーン・シャム密度汎関数論の実空間定式化と実装について述べる。 X(X = C, Si, Ge, Sn)ナノチューブのねじり変形の研究に応用する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We present a real-space formulation and implementation of Kohn-Sham Density Functional Theory suited to twisted geometries, and apply it to the study of torsional deformations of X (X = C, Si, Ge, Sn) nanotubes. Our formulation is based on higher order finite difference discretization in helical coordinates, uses ab intio pseudopotentials, and naturally incorporates rotational (cyclic) and screw operation (i.e., helical) symmetries. We discuss several aspects of the computational method, including the form of the governing equations, details of the numerical implementation, as well as its convergence, accuracy and efficiency properties. The technique presented here is particularly well suited to the first principles simulation of quasi-one-dimensional structures and their deformations, and many systems of interest can be investigated using small simulation cells containing just a few atoms. We apply the method to systematically study the properties of single-wall zigzag and armchair group-IV nanotubes, as they undergo twisting. For the range of deformations considered, the mechanical behavior of the tubes is found to be largely consistent with isotropic linear elasticity, with the torsional stiffness varying as the cube of the nanotube radius. Furthermore, for a given tube radius, this quantity is seen to be highest for carbon nanotubes and the lowest for those of tin, while nanotubes of silicon and germanium have intermediate values close to each other. We also describe different aspects of the variation in electronic properties of the nanotubes as they are twisted. In particular, we find that akin to the well known behavior of armchair carbon nanotubes, armchair nanotubes of silicon, germanium and tin also exhibit bandgaps that vary periodically with imposed rate of twist, and that the periodicity of the variation scales in an inverse quadratic manner with the tube radius.
• Abstract（参考訳）: 本稿では, ツイスト測地に適したコーン・シャム密度汎関数論の実空間定式化と実装を行い, X (X = C, Si, Ge, Sn) ナノチューブのねじり変形の研究に応用する。 本定式化は, ヘリカル座標における高次有限差分離散化を基礎とし, ab intio擬ポテンシャルを用い, 回転(環状)およびねじ操作(ヘリカル)を自然に取り入れる。 制御方程式の形式,数値化の詳細,収束性,正確性,効率性など,計算法のいくつかの側面について考察する。 この手法は, 準1次元構造とその変形の第一原理シミュレーションに特に適しており, 少数の原子を含む小さなシミュレーションセルを用いて多くの興味ある系を調査することができる。 本手法は,単層ジグザグおよびアームチェア群-ivナノチューブのねじれを受ける特性を体系的に研究するために応用する。 考察した変形範囲について, チューブの力学的挙動は等方的線形弾性と大きく一致し, ねじり剛性がナノチューブ半径の立方体として変化することがわかった。 さらに、与えられたチューブ半径に対して、この量はカーボンナノチューブでは最高であり、スズでは最低であり、シリコンとゲルマニウムのナノチューブは互いに近い中間値を持つ。 また、ナノチューブの電子特性の変化の異なる側面について述べる。 特に, アームチェアカーボンナノチューブ, シリコン, ゲルマニウム, スズなどのアームチェアナノチューブの挙動は, ねじれ速度と周期的に異なるバンドギャップを示し, チューブ半径と逆2次的に変動の周期性はスケールすることがわかった。

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