Contents
  1. 1. 1T 和 2H 结构区别
  2. 2. 晶体结构基础:原胞、基元
    1. 2.1. 原胞 Unit Cell
    2. 2.2. 基元
  3. 3. 如何得到 OpenMX 结构 Input 文件

最近在东京大学物性研究所参加第一性原理计算的Summer Workshop,期间要做一个 Project,我选择的 Exercise 6 是

Perform the variable cell optimization of a single layer of MoA2 (A=S,Se,Te) in the 1T- and 2H-structures, and compare their total energies and band structures. Discuss a possible electronic structures at the interface structure.
(ref.: W.S. Paz et al., 2D Mater. 4 015014(2017)).

由于我没啥经验,一上来就不清楚什么是 1T,2H structures。花了点时间搞清楚它的结构,但一直找不到满意的基元结构的 .cif 文件,最后终于搞定了。

1T 和 2H 结构区别

参考文献里说单层二硫化钼常见的两种晶体结构是:稳定的2H半导体态 和 亚稳定的1T金属态。

图1,Kuc, Agnieszka &Thomas Heine.  Chemical Society Reviews 44.9 (2015): 2603-2614.

如 图1 所示,1T 是 a trigonal antiprismatic 结构,trigonal 是三方的意思,但这里的概念有点乱不管了,antiprismatic 表示它不是镜像的。观察同一个Mo原子连接的6个S原子,上下两个”3个S原子组成的三角形”方向相同就是 prismatic(2H),相反就是 antiprismatic(1T)。 图2 是这两种结构在xy平面的投影

图2,图片来自网络

1T的结构 Octahedral(八面体),其实顶点的六个 S 原子与 Mo 的连线互相垂直,就像是直角坐标轴。

图3,from Wikipedia

有个疑问:一直搞不清为什么叫做 1T, 2H, 3R, 这里的1,2,3 表示层数吗?T, H, R 又来自哪里?是 Trigonal, Hexagonal, Rhombohedral ?

Answer: Here, the letters are labeled as trigonal, hexagonal and rhombohedral, respectively, and the numbers indicate the number of layers in the unit cell.
Kuc, Agnieszka &Thomas Heine. Chemical Society Reviews 44.9 (2015): 2603-2614.

晶体结构基础:原胞、基元

最初我以为 图4 是1T, 2H 结构的基元(bulk),也就是一个Mo原子,6个S原子。考虑单层结构,每个S原子和3个Mo原子连接,故每个Mo原子分到1/3个S原子。因此一个基元里1个Mo,2个S,right!但我在各种数据库中总是找不到 图4 这样的CIF文档。

图4

其实,我经常把原胞和基元混在一起,所以就搞不清楚。如果一开始就把它们分开讨论,就会清楚很多。

原胞 Unit Cell

1T, 2H 结构的原胞都一样,它们的晶格结构如 图5 ,是二维简单六角晶格(hexagonal lattice),晶格基矢 a, b

图5,2D Hexagonal Lattice

基元

如果在 图5 中的每个晶格位置,放上 图4 中的基元,会发现Mo和S原子的个数比值不对,那么就变成了1个Mo,3个S。因此 图4 不是晶体的基元,因为1个S原子是3个Mo共享的。那要怎么表述这里面每个小球只表示1/3个的S原子呢。。。

既然一个基元中有1个Mo和2个S,因此他们的基元应该是 图6 这样。两种结构的区别在于这个角的角度不同。1T角度是90°,2H的角度可能更小一点?这取决于你怎么取基元,有不同的选择。
图6

取基元的时候,必须从上下两层取S原子,不能取同一层的。举个例子,从竖直方向看, 图7,图8 的粗线条表示一个个基元:

图7,单层MoS2的2H结构的基元

图8,单层MoS2的1T结构的基元

感觉。。。有时间原胞和基元的概念有点混乱,这和定义有关。但好像也不是很重要,比如说图9 Rhombohedral,图10 HCP 结构,都有夹层的。你说它是原胞吧,它的夹层在晶格基矢所包成的体积里。基元可以认为是一团相同的东西的点模型,而原胞的确是最小重复结构。感觉基元要不要都无所谓,就当是用来简化的吧。。。

图9,Rhombohedral unit cell

图10,Hexagonal close packed

如何得到 OpenMX 结构 Input 文件

所以最后的结构输入文件,网上找到的结构是对的,只需要自己改一改就行。先把COD数据库找到的CIF文件下载下来,然后拖到OpenMX Viewer 网站上,导出 xyz(.dat)格式,然后直接用编辑器打开。根据 OpenMX Viewer 上面的视图,用编辑器把 .dat 文件中不需要的基元中的原子坐标删掉,晶格基矢是对的,还需要修改原子个数等一些基本信息。就得到了正确的结构 Input 文件,最后根据计算的需要修改 .dat 文件的其他参数即可。

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  1. 1. 1T 和 2H 结构区别
  2. 2. 晶体结构基础:原胞、基元
    1. 2.1. 原胞 Unit Cell
    2. 2.2. 基元
  3. 3. 如何得到 OpenMX 结构 Input 文件