甲烷在多孔硅表面物理吸附特征研究(英文)

在密度泛函理论耦合超软贋势第一性原理的平台上,研究了甲烷在Si(111)表面的物理吸附特性.通过建立硅晶胞的不同吸附位置(top、bridge、fcc)模型,对比分析了甲烷在相应位置吸附界面变化的键结构、吸附能和态密度,获得了相应吸附点的吸附特征.对比分析的结果表明,甲烷只有在fcc位置物理吸附状态较为理想.分析态密度、键长及键角等数据揭示fcc位甲烷吸附对体系硅晶胞有很大的影响,其体系的键能最低,即此时体系结构最稳定.本文所得研究成果可用于Si表面对甲烷气体的敏感性分析及气体传感器领域.     

多孔硅量子点中的电子局域态

经过激光辐照和高温退火加工能够生成多孔硅样品,在650—780 nm处检测到很强的光致荧光（PL）峰,并且有明显的钉扎和增强效应.实验表明,这种PL发光的强度与样品受辐照和退火的时间短密切相关.通过第一性原理模拟计算发现,样品表面用SiO 双键和Si—O—Si桥键钝化,能隙中会出现电子局域态.激光辐照和高温退火的时间长短决定了样品表面SiO双键和Si—O—Si桥键的密度,而该密度正是影响多孔硅量子点中电子局域态生成的关键. 关键词： 多孔硅量子点 硅氧钝化键 电子局域态     

Au钝化Si(100)表面的电子特性

用TB-LMTO方法研究单层的Au原子在理想的Si(100)表面的化学吸附.计算了Au原子在不同位置的吸附能,吸附体系与清洁Si(100)表面的层投影态密度, 以及电子转移情况.结果表明, Au原子在吸附面上方的A位(顶位)吸附最稳定, Au钝化Si(100)表面可以取得明显的钝化效果, 这一结论与实验事实相符合.     

HCN气体在金属Cu、Zn表面吸附的密度泛函研究

基于密度泛函理论方法研究了HCN气体在Cu(100)、Cu(110)、Cu(111)、Zn(100)、Zn(110)、Zn(111)表面上不同吸附位点的吸附性质,计算并分析了吸附能、电荷转移、电子态密度的特征。研究表明：HCN在Cu不同表面的吸附能分布在-0.42~-0.29 eV区间内,为物理吸附。HCN在Zn不同表面的吸附能相差较大,Zn(111)表面Hollow吸附位点的吸附能为-1.57 eV,为化学吸附。吸附能较大时对应的HCN的键长键角变化率较大。HCN在Zn表面的吸附要强于在Cu表面的吸附。HCN吸附在金属表面后,电子从吸附剂表面转移到HCN上,同一吸附剂表面不同吸附位点的吸附能越大,电子转移数量越多。吸附后HCN态密度曲线整体向低能级移动,峰值降低,其结构变得更加稳定。     

S在Pt皮肤Pt3Ni(111)面吸附的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算并分析了S原子在 Pt皮肤Pt3Ni(111)面不同位置的吸附特性.结果表明：S原子在Pt皮肤Pt3Ni的fcc位吸附最强,吸附能为5. 49 eV;与S原子在纯净Pt(111)表面的吸附相比,S原子在Pt皮肤Pt3Ni表面相应吸附位置的吸附能变小、与近邻的Pt原子形成的S-Pt键变长,表明掺杂的Ni会减小相应位点S原子的吸附能,降低体系对S原子的吸附能力,进而减弱S吸附对体系催化能力的影响;态密度分析发现, S原子的吸附使得Pt基催化剂的催化活性降低,主要是S的2p电子引起的;这些结果将为后续研究Pt基合金电极抗S中毒效果以及探究S原子吸附后Pt3Ni的活性位提供依据.     

Si掺杂锐钛矿TiO2的第一性原理研究

为了研究Si掺杂对锐钛矿TiO2的电子蛄构和光催化性能的影响,利用基于第一性原理的密度泛函理论计算了纯TiO2及Si掺杂TiO2的杂质形成能、能带结构及态密度.研究蛄果表明,Si的掺杂位置与制备条件有关,富钛和富氧条件下,Si最容易代替TiO2中Ti的位置.几何优化后Si掺杂TiO2超晶胞的晶格参数和晶胞体积都发生一定...     

Pt基电极材料硫中毒机理的计算机模拟研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法和超原胞模型,计算并分析了Pt及Cu掺杂的Pt基合金的表面态密度,以及S在Pt及Pt基合金表面的吸附能和态密度情况.考虑了多种掺杂体系及吸附构型,结果表明：Cu掺杂会降低Pt基体系表面费米能级附近态密度,Pt皮肤的存在可以有效地减小Cu掺杂对体系表面态密度的影响;与S在纯Pt表面吸附相比较,S在掺杂体系表面的吸附能较小,且S的吸附对掺杂体系费米能级附近表面态密度影响较小. 以上研究结果有助于为改善Pt基电极材料的催化性能,尤其是其抗S中毒性能提供理论依据.     

第一性原理计算Ni原子吸附在Al(111)表面原子结构和电子态

利用密度泛函理论和广义梯度近似研究镍吸附在Al(111)表面。在覆盖率为0.25ML下,分析了Ni吸附在Al(111)表面的面心立方洞位、六角密排洞位、顶位和桥位四个高对称位的原子结构和吸附能。比较不同高对称位的吸附能发现,六角密排洞位的吸附能最大,是5.76 eV,是最稳定的吸附位置。详细讨论了两个最低能量结构-三重洞位的电子结构、功函数、表面偶极距和Ni-Al键的特性。在费米能级附近,Ni-3d和Al-3s,3p轨道产生杂化,形成金属间化合键。由于吸附导致双金属体系表面偶极距和功函数的变化。我们发现：Ni原子与Al(111)表面原子间成建主要是共价键,没有表现出明显的静电荷跃迁,相应的产生非常小的表面偶极距。与面心立方洞位相比,六角密排洞位在费米能级附近产生较低的态密度,在键态附近产生较大的杂化。     

第一性原理计算Ni原子吸附在Al(111)表面原子结构和电子态(英文)

利用密度泛函理论和广义梯度近似研究镍吸附在Al(111)表面.在覆盖率为0.25ML下,分析了Ni吸附在Al(111)表面的面心立方洞位、六角密排洞位、顶位和桥位四个高对称位的原子结构和吸附能.比较不同高对称位的吸附能发现,六角密排洞位的吸附能最大,是5.76eV,是最稳定的吸附位置.详细讨论了两个最低能量结构-三重洞位的电子结构、功函数、表面偶极距和Ni-Al键的特性.在费米能级附近,Ni-3d和Al-3s,3p轨道产生杂化,形成金属间化合键.由于吸附导致双金属体系表面偶极距和功函数的变化.我们发现:Ni原子与Al(111)表面原子间成建主要是共价键,没有表现出明显的静电荷跃迁,相应的产生非常小的表面偶极距.与面心立方洞位相比,六角密排洞位在费米能级附近产生较低的态密度,在键态附近产生较大的杂化.     

甲基和羟基在Ir(111)表面吸附的密度泛函理论研究

在超原胞近似和slab模型基础上,采用周期性密度泛函理论,在0.11覆盖度（ML）下,对甲基与羟基在Ir(111)表面的吸附进行了研究,得到了甲基和羟基在Ir(111)表面不同吸附位置的吸附能和吸附构型,计算了它们的振动频率,同时分析了甲基和羟基共吸附于Ir(111)表面的情况。结果表明,甲基和羟基在Ir(111)表面的最稳定吸附位置都是top位,甲基是碳端向下吸附,羟基是通过氧端向下倾斜吸附。通过频率分析发现吸附后CH3中C-H键的对称伸缩振动、反对称伸缩振动以及剪切振动频率均发生了红移,而羟基中的O-H键的振动频率发生蓝移现象。通过计算对比发现甲醇分解为甲基和羟基过程是一个放热反应,从热力学角度来说该反应是可行的。     

第一性原理研究H_2O分子在CaCO_3(104)表面吸附

基于密度泛函理论的第一性原理方法模拟研究H_2O在CaCO_3(104)表面的吸附特征.首先,研究H_2O分子在CaCO_3(104)表面的顶位、桥位(短桥位、长桥位)和穴位上垂直和平行表面两种类型下的8种高对称吸附结构模型,结合吸附能和稳定吸附构象确定最优吸附位.而后,基于H_2O/CaCO_3(104)最优吸附结构模型,研究吸附前后H_2O和CaCO_3(104)表面的物理结构、电子结构(Mulliken电荷布居数、态密度、电子局域函数)的特征,分析H_2O/CaCO_3(104)表面之间的相互作用以及成键机理.研究结果:吸附能和体系稳定构象显示H_2O分子/CaCO_3(104)表面的最稳定吸附结构为穴位-平行.在穴位-平行位吸附后,H_2O分子的O-H键长和H-O-H键角均发生改变; CaCO_3晶体平行和垂直(104)表面方向上原子位置均发生改变,表面层变化最大;即吸附作用对H_2O分子和CaCO_3晶体的物理结构均产生较大影响; H_2O/CaCO3(104)最优吸附体系的Mulliken电荷布居数、电子态密度、电子局域函数的研究均说明H_2O分子与CaCO3(104)之间存在电子的转移形成化学键.其中,Ca-O(H_2O)形成离子键,H(H_2O)-O(CaCO_3)之间存在氢键作用.本文研究揭示了方解石表面水湿性的原因,同时为方解石润湿性的深入研究奠定基础.     

NH_x(x=1～3)在金属Ir表面吸附与解离的第一性原理研究

采用密度泛函理论,在slab模型下,研究了NH_x(x=1~3)在Ir(100)、Ir(111)和Ir(110)表面上的最稳定吸附位置、几何构型以及逐步脱氢分解过程,计算了相应的吸附能和活化能.计算结果表明,在Ir(100)、Ir(111)面上,NH_3是以C_3轴垂直吸附在顶位,在Ir(110)上,NH_3是以N-Ir键与表面成68.6°吸附在顶位,且吸附能依赖于表面的结构而不同,相比而言,NH_3更容易吸附在开放表面Ir(100)、Ir(110)面上,说明NH_3在这些表面的吸附具有结构敏感性.NH_(x(x=1~3))的分解,在Ir(100),NH_3的吸附与分解存在竞争,在Ir(110)面NH_3最容易分解,在Ir(111)面NH_3是分子性吸附,不能分解.NH_2、NH在三个表面均能够分解,在Ir(110)面活化能均较高.     

BTA在铜表面吸附的密度泛函理论研究

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理研究了苯并三氮唑(BTA)分子吸附于铜表面的反应活性特征及其吸附在三种不同取向晶面时的电荷转移以及成键情况,结果表明：BTA分子的亲电和亲核活性中心为N(1)、N(2)和C(5),在铜表面垂直吸附时为化学吸附,Cu原子的最外层价电子转移到N(2)原子上,两者形成配位键;BTA分子在三种不同取向的铜表面吸附时的吸附能大小为：Cu(110)_x>Cu(100)_x>Cu(111)_x(x=T、B、H),T表示顶位,B表示桥位,H表示空位;BTA吸附在Cu(111)面的转移电荷量：T(顶位)>B(桥位)>H(空位).     

Hydrogen adsorption and surface structures of silicon

The adsorption of atomic hydrogen on silicon (111)2 × 1 cleaved, (111) 7 × 7, and (100) 2 × 1 surfaces has been studied by using electron energy loss spectrscopy (ELS) and Photoemission spectroscopy (UPS). On all surfaces the hydrogen removes the “dangling bond” surface state and a new peak in the density of states at lower energies corresponding to the SiH bond is found. The LEED pattern of the equilibrium surfaces (111) 7 × 7 and (100) 2 × 1 is not altered by hydrogen adsorption, while on the cleaved (111) 2 × 1 surface the fractional order spots are extinguished. The Haneman surface-buckling model therefore provides an explanation for the surface reconstruction of the cleaved (111) 2 × 1 surfaces. For the equilibrium surfaces, (111) 7 × 7 and the (100) 2 × 1, the data are consistent with the Lander-Phillips model.     

Valence surface electronic states on Ge(001)

The optical, electrical, and chemical properties of semiconductor surfaces are largely determined by their electronic states close to the Fermi level (E{F}). We use scanning tunneling microscopy and density functional theory to clarify the fundamental nature of the ground state Ge(001) electronic structure near E{F}, and resolve previously contradictory photoemission and tunneling spectroscopy data. The highest energy occupied surface states were found to be exclusively back bond states, in contrast to the Si(001) surface, where dangling bond states also lie at the top of the valence band.     

LCAO studies of hydrogen chemisorption on nickel: I. Tight-binding calculations for adsorption on periodic surfaces

The model we have used to study hydrogen chemisorption on nickel surfaces is a tightbinding Extended Hückel method applied to finite (periodic) crystals up to about 250 atoms, the non-orthogonal basis set comprising five 3d orbitals, one 4s orbital and three 4p orbitals per atom. After calculating the band structure of fcc nickel, we have examined, by this model, the effect of the (100), (110) and (111) surfaces on the local density of states and the charge distribution. The results agree closely with moment calculations of the density of states in semi-infinite crystals and with experimental (XPS, UPS and INS) spectra. Extensive studies have been made of the influence of adsorption on the (partial) densities of states in order to illuminate the nature of the chemisorption bond. Particularly, we have concluded that both the 3d electrons and the conduction electrons take part in this bond. Equilibrium positions for adsorption on various sites have been determined and the adsorption energy has been computed and compared with experimental data. We find that the stability of adsorption decreases in the order (110) > (100) > (111) and Atop > Bridge > Centred.     

金刚石延(111)面生长的第一性原理研究

利用密度泛函理论(DFT)对碳原子在镍(111)表面吸附结构进行了计算，得到了吸附能以及态密度 (density of state, DOS)分布，分析了吸附在镍(111)面的碳原子和金刚石(111)面的碳原子的分波态密度(PDOS)，结果表明吸附在镍表面的碳原子具有与金刚石表面碳原子相类似的电子结构特点，即两者都存在孤对的和成键的sp³杂化电子,进而发现吸附在镍表面的碳原子极易与金刚石表面相互作用形成稳定的类金刚石几何结构. 关键词： 密度泛函理论 化学吸附 电子结构 金刚石生长     

Ar adsorptions on Al (111) and Ir (111) surfaces: a first-principles study

We investigate the adsorptions of Ar on Al (111) and Ir (111) surfaces at the four high symmetry sites, i.e., top, bridge, fcc- and hcp-hollow sites at the coverage of 0.25 monolayer (ML) using the density functional theory within the generalized gradient approximation of Perdew, Burke and Ernzerhof functions. The geometric structures, the binding energies, the electronic properties of argon atoms adsorbed on Al (111) and Ir (111) surfaces, the difference in electron density between on the Al (111) surface and on the Ir (111) surface and the total density of states are calculated. Our studies indicate that the most stable adsorption site of Ar on the Al (111) surface is found to be the fcc-hollow site for the (2 × 2) structure. The corresponding binding energy of an argon atom at this site is 0.538 eV/Ar atom at a coverage of 0.25 ML. For the Ar adsorption on Ir (111) surface at the same coverage, the most favourable site is the hcp-hollow site, with a corresponding binding energy of 0.493 eV. The total density of states (TDOS) is analysed for Ar adsorption on Al (111) surface and it is concluded that the adsorption behaviour is dominated by the interaction between 3s, 3p orbits of Ar atom and the 3p orbit of the base Al metal and the formation of sp hybrid orbital. For Ar adsorption on Ir (111) surface, the conclusion is that the main interaction in the process of Ar adsorption on Ir (111) surface comes from the 3s and 3p orbits of argon atom and 5d orbit of Ir atom.