氢原子在金属锂表面台阶附近吸附和表面扩散行为的ab initio研究

取Li7H和Li9H两个原子簇模拟氢原子与含台阶的金属锂表面的相互作用, 以小基组用ab initip方法计算了体系的吸附和表面扩散势能面(或势能曲线)。结果表明: (1)对Li7H体系, 台阶面附近沿垂直边棱方向存在三种不同的桥位吸附位, 最稳定的吸附位在上台面接近台阶边棱处, 台阶面显著地改变了表面扩散活化能, 台阶边棱处有一个较高的势垒。于是, 迁移原子将会在台阶边棱处受到反射, 并可被捕获于台阶面上及其附近。由势能面确定了最低能量表面扩散途径。(2)对Li9H体系, 在Li7H原子簇基础上增加次表面层两个锂原子后, 表面扩散活化能略有减小, 氢原子在上台面的桥位吸附更趋稳定, 各吸附位相对稳定性及势垒内何位置几无改变, 这些结果显示了台阶面对氢原子的化学吸附和表面扩散发生扰动, 台阶边棱对表面扩散起着重要作用。     

氢原子在平坦金属锂(100)面上表面扩散行为的ab initio研究

本文用Li7(4,3)-H和Li9(5,4)-H小原子簇模拟氢原子在平坦金属锂(100)面吸附体系, 取小基组作了各吸附位吸附势能曲线及相应分子轨道能级图、吸附和表面扩散势能面的ab initio研究。结果表明, 氢原子优先吸附在配位数较高的吸附位上, 并倾向于由高配位数吸附位向低配位数吸附位迁移, 表面扩散各向异性, 扩散跳跃步长与锂单晶晶格原子间距数量级相同。从吸附和表面扩散势能确定了最低能量表面扩散途径, 分析了原子在平坦金属表面上迁移的微观过程。     

氢在Mg_2Ni(100)面的吸附及扩散

运用第一性原理研究氢在清洁和掺杂Al的Mg2Ni(100)面的吸附及扩散.在清洁Mg2Ni(100)表面,氢原子可稳定地吸附于Mg-Ni桥位和Mg-Mg桥位,吸附能为1.19-1.52eV.在掺杂Al的Mg2Ni(100)表面,氢原子可稳定吸附于Al-Ni、Mg-Ni、Mg-Al桥位,吸附能为0.10-0.29eV.氢在掺杂Al的Mg2Ni(100)表面的吸附能低于其在清洁表面的吸附能,说明掺杂Al后氢原子与表面的相互作用减弱.过渡态计算结果表明,氢原子由清洁的Mg2Ni(100)面及掺杂Al的Mg2Ni(100)面扩散至次表层的势垒分别为0.59及-0.04eV,掺杂Al后氢原子的扩散势垒降低,说明氢原子更易由掺杂Al表面扩散至次表层.Al原子替代Mg2Ni(100)面的Mg原子减弱氢原子与表面的相互作用,降低氢原子由表层扩散至次表层的势垒,这可能是Mg2Ni合金掺杂Al可改善其吸氢动力学性能的主要原因之一.     

氢原子在Ni(111)次表面和Ni(211)、(533)台阶面上的吸附与振动

应用原子与表面簇合物相互作用的五参数Morse势(5-MP)方法对氢原子在Ni(111)表面和次表面以及Ni(211), (533)台阶面进行了系统研究, 得到了氢原子在上述各面的吸附位、吸附几何、结合能和本征振动频率. 计算结果表明, 在Ni(111)面上, 氢原子优先吸附在三重位, 随着覆盖度的增加会吸附在次表面八面体位和四面体位. Ni(211), (533)的最优先吸附位都是四重位, 当氢原子的覆盖度增大时占据(111)平台的三重吸附位. 靠近台阶面的吸附位受台阶和平台高度的影响很大. 此外, 我们计算了氢原子在各表面的不同吸附位的扩散势垒, 获得氢原子在各表面的最低能量扩散通道.     

原子H在Cu(100)(111)(110)上的吸附扩散研究

采用5-MP势方法,对原子氢在金属Cu的3个低指数面上的吸附特性,如吸附几何、吸附能、振动频率等以及吸附扩散势能面结构进行了比较系统的研究,计算结果显示低温低覆盖条件下,氢原子在Cu(110)表面上只存在赝式三重位和长桥位吸附态,没有短桥位吸附态,并且获得了实验和理论的支持.     

氢原子在Ru(0001)和Ru(100)面上吸附扩散势能面的结构

本文构造了H—Ru相互作用的五参数Morse势,用经典的对势方法研究了氢原子在Ru(0001)和RU(1010)面上的吸附和扩散,得到了氢原子在两个表面上的吸附位、吸附几何、结合能及本征振动等数据与实验结果符合得很好;同时研究了两个体系的吸附扩散势能面结构.     

氢原子在镍台阶面上吸附、振动和表面扩散行为的理论研究

本文用对势方法研究了氢原子在Ni(510)台阶面上的吸附和振动, 计算结果与实验符合得很好。并考察了氢原子在Ni(997)台阶面上的吸附和扩散, 结果表明,台阶对下台面上扩散的氢原子开成捕获势阱, 对上台面扩散的氢原子形成反射势,这也很好地支持了实验结果。     

氮原子在Ni平坦和缺陷表面上的吸附和振动

 构造了氮－镍相互作用的5－参数Morse势，研究了氮原子在Ni（\r\n100），Ni（110）和Ni（111）平坦表面的吸附和振动，获得了氮原子\r\n在三个低指数表面的吸附位、吸附构型、结合能和本征振动等数据，计\r\n算结果与实验结果非常吻合．同时，与Ni（100）表面对比，系统研究\r\n了氮原子在Ni（510）台阶面的吸附和扩散．计算结果表明，氮原子在\r\n台阶下部形成最稳定的吸附态，台阶对下台面上扩散的氮原子形成捕获\r\n势，对上台面上扩散的氮原子形成反射势．     

Ni(115)台阶面对氢表面微观动力学行为的影响

用５参数Ｍｏｒｓｅ势模拟氢－镍表面体系相互作用势，考察了氢原子在Ｎｉ（１１５）台面上吸附扩散行为。同时构造了氢分子与Ｎｉ（１００）和Ｎｉ（１１５）台阶面 相互作用推广的ＬＥＰＳ势面面，考察了氢分子解离化学吸附的微观动力学性质。     

氢原子在Ru(0001)和Ru(1010)面上吸附扩散势能面的结构

本文构造了H-Ru相互作用的五参数Morse势,用经典的对势方法研究了氢原子在Ru(0001)和Ru(1010)面上的吸附和扩散,得到了氢原子在两个表面上的吸附位、吸附几何、结合能及本征振动等数据与实验结果符合得很好;同时研究了两个体系的吸附扩散势能面结构。     

氢原子在钯低指数表面上的吸附和扩散

采用氢－钯相互作用的五参数Ｍｏｒｓｅ势，用对势方法研究了氢原子在Ｐｄ（１００）、Ｐｄ（１１１）和Ｐｄ（１１０）低指数平坦表面上的吸附和扩散，得到氢原子在三个表面上的吸附位、吸附几何、结合能和本征振动等数据，计算结果和实验结果符合得很好。在此基础上，系统地研究了三个系统的吸附扩散势能面结构。     

锂(100)面上H_2H+H反应动力学的理论研究

本文在H-Li(100)面吸附扩散的ab initio SCF势能面基础上构造了(H_2H+H)/Li(100)面相互作用的推广LEPS势能面,并用QCT方法研究了该体系的反应动力学行为。分析势能面特征得到:H_2在Li(100)面上的吸附无需活化能,H_2在Li(100)面上的解离吸附与吸附位及吸附模式密切相关,H_2的卧式解离比立式解离要容易得多。分析各种碰撞轨迹得到:低覆盖度下双氢原子的表面复合几率很小,H_2的表面解离几率受到H_2振动量子数的控制。本文构造了一种适合于动力学研究的气体-金属表面相互作用势能面,并且,动力学QCT计算结果能够对H_2表面活化的分子束实验作出合理的解释。     

氢原子在Ni(100), Ni(111)和Ni(110)面上吸附扩散势能面的结构

本文构造了氢-镍相互作用的5参数Morse势, 用经典的对势方法研究氢原子在Ni(100), Ni(111)和Ni(110)面上的吸附和扩散, 得到氢原子在三个表面上的吸附位、吸附几何、结合能及本征振动等数据, 和实验结果符合得很好。同时, 系统地研究了三个体系的吸附扩散势能面结构。     

Li/Li(100)面自扩散体系的理论研究

本文应用对势方法构造了Li/Li(100)表面缺陷体系的吸附扩散相互作用模型势,考察了各种台阶、扭结、空位等表面缺陷对锂原子表面吸附扩散行为的影响。根据缺陷表面体系结合能和表面扩散活化势垒的结果,提出和分析了捕获能力和捕获网链的概念。     

ZrC(111)弛豫表面电子结构及其吸附氢的理论研究

采用第一性原理的方法对ZrC（111）清洁和氢吸附表面的电子结构进行了研究 。构型优化结果表明，从表面深入到体相一定深度，层间距存在交替“收缩”和“ 扩张”的现象，其紧邻E_F以下的DOS峰对应于活性表面态，主要成分为表面Zr原子 4d_(xz)/d_(yz)轨道；与理想表面相比，表面弛豫对该表面态影响不大。对于氢吸 附表面，计算结果表明氢原子倾向于吸附在表面孔洞上方位置（正对着第三层Zr原 子），此时H的1s态从体相的电子态中分离出来。此外，本文中H/ZrC（111）和 H/NbC（111）体系的H 1s诱导态变化进行了解释，并对清洁的吸附表面的芯能级位 移以及功函的变化进行了探讨。     

氢原子在Be(0001)表面吸附的密度泛函理论研究

采用第一性原理的密度泛函理论研究单个氢原子和多个氢原子在Be(0001)表面吸附性质.给出了氢吸附Be(0001)薄膜表面的原子结构、吸附能、饱和度、功函数、偶极修正等特性参数.同时也讨论了相关吸附性质与氢原子覆盖度(0.06-1.33ML)的关系.计算结果表明:氢原子的吸附位置与覆盖度之间有强烈的依赖关系,覆盖度低于0.67ML时,氢原子能量上易于占据fcc或hcp的中空位置;覆盖度为0.78ML时,中空位与桥位为氢原子的最佳吸附位;覆盖度在0.89到1.00ML时,桥位是氢原子吸附能量最有利的位置;以上覆盖度中Be(0001)表面最外层铍原子的结构均没有发生明显变化.当覆盖度为1.11-1.33ML,高覆盖度下Be(0001)表面的最外层铍原子部分发生膨胀,近邻氢原子渗入到铍表面次层,氢原子易于占据在hcp和桥位.吸附结构中的氢原子比氢分子中的原子稳定.当覆盖度大1.33ML时,计算结果没有发现相对于氢分子更稳定的吸氢结构.同时从分析偶极修正和氢原子吸附垂直高度随覆盖度的变化关系判断氢覆盖度为1.33ML时,在Be(0001)表面吸附达到饱和.     

硫原子在镍低指数表面和(311)台阶面的吸附

应用原子和表面簇合物相互作用的5参数Morse势方法(简称5-MP)构造了S-Ni表面簇合物体系的解析势函数.首先对S-Ni低指数表面体系进行了研究,并获得了全部临界点性质.计算结果表明:硫原子在Ni(100)面上的稳定吸附态为四重洞位,在Ni(111)面上,硫原子吸附于三重位,硫原子在Ni(110)面上的吸附位有所变化.第一与第二周期的原子在(110)面上的稳定吸附态大都为赝式三重位和长桥位,而硫原子却吸附在Ni(110)面的四重洞位.理论分析结果和实验推测结果符合得很好.同时,还对S-Ni(311)台阶面吸附体系进行了研究.理论结果表明:S-Ni(311)表面吸附体系只存在四重吸附态和hcp三重吸附态,fcc三重吸附态在和四重吸附态的竞争中完全湮灭.对于S-Ni表面吸附体系,理论结果给出S原子的表面吸附结合能和表面簇合物的粗糙度有关.结合能从小到大的顺序为(111)<(100)<(110)<(311).     

H2O在Cu(100)表面吸附的从头算研究

用量子化学从头计算方法,以原子簇Cu₅为模拟表面,研究了水在Cu(100)面上不同吸附位的吸附情况,结果表明:水分子通过氧原子与表面成键,顶位是其最佳吸附位,吸附能约为70kJ/mol,平衡距离为0.213nm,氢原子远离表面.在氧原子不加极化函数时,水分子的二次轴垂直于表面时能量最低,但倾斜至50°所需能量仅在10kJ/mol以内.当考虑O原子d轨道的影响时,水分子倾斜时能量较低,得到了与实验相符的吸附构型.另外还研究了表面电荷对吸附体系的影响,结果表明:表面带正电荷时,水与表面间的相互作用增强,水上所转移电荷增多,Cu-O间平衡距离减小;表面带负电荷时,情况与之相反,且氢原子靠近表面时,势能曲线有最低点.     

氢原子吸附的Cu(100)表面原子结构和电子态

用密度泛函理论的总能计算研究了金属铜(100)面的表面原子结构以及在不同覆盖度时氢原子的吸附状态. 研究结果表明, 在Cu(100)c(2×2)/H表面体系中, 氢原子吸附的位置是在空洞位置, 距最外层Cu原子层的距离为0.052 nm, 相应的Cu—H键长为0.189 nm, 并通过计算结构参数优化否定了其它的吸附位置模型. 总能计算得出Cu(100)c(2×2)/H表面的功函数为4.47 eV, 氢原子在这一体系的吸附能为2.37 eV(以孤立氢原子为能量参考点). 通过与衬底原子的杂化, 氢原子形成了具有二维特征的氢能带结构, 在费米能级以下约0.8 eV处出现的表面局域态是Cu(S)-H-Cu(S-1)型杂化的结果. 采用Cu(100)表面p(1×1)、p(2×2)和p(3×3)的三种氢吸附结构分别模拟1, 1/4, 1/9的原子单层覆盖度, 计算结果表明, 随着覆盖度的增加, 被吸附的氢原子之间的距离变短, 使得它们之间的静电排斥和静电能增大, 从而导致表面吸附能和吸附H原子与最外层Cu原子间垂直距离(ZH-Cu)逐渐减小. 在较低的覆盖度下, 氢原子对Cu(100)表面的影响主要表现为单个原子吸附作用的形式. 通过总能计算还排除了Cu(100)表面(根号2×2根号2)R45°-2H缺列再构吸附模型的可能性.     

氧原子在银原子簇表面吸附重构的DFT研究

选取三层原子簇模型模拟Ag(110)表面,采用量子化学的电子密度泛函方法(DFT)研究了氧原子吸附在Ag(110)表面而引起银表面的多种重构现象。通过计算体系结合能优化得到吸附后体系的表面几何构型,并给出了相关的电离能、电子跃迁能。计算表明：氧原子吸附在银原子的长桥位上,位于银表面之上约0.4　处,氧原子的吸附引起银原子表面强烈弛豫。第一、二层银原子间距扩张;第二、三层银原子间距收缩。由于氧原子的吸附,第一层银原子出现丢失行现象,第二层银原子出现两两成对现象,而第三层银原子出现弯曲现象。