Pt原子在γ-Al_2O_3(001)表面的吸附及迁移

采用密度泛函理论(DFT)中广义梯度近似(GGA)方法,对Pt原子与γ-Al2O3(001)面的相互作用及迁移性能进行了研究.分析了各种可能吸附位及吸附构型的松弛和变形现象,吸附能和迁移能垒的计算结果表明:Pt团簇能够稳定吸附在该表面.Pt原子在表面O位的吸附能明显较高,这主要是由Pt向基底O原子转移了电子所致.电荷布居分析表明,Pt原子显电正性,Pt和Al原子之间存在排斥作用,导致与Al原子产生较弱相互作用.计算的平均吸附能大小依赖于Pt团簇的大小和形状,总体趋势是随着Pt原子数增多,吸附能降低.Pt原子在γ-Al2O3(001)表面迁移过程所需克服的迁移能垒最高值为0.51eV.随着吸附的Pt原子数增多,更倾向于形成Pt团簇.因此,Pt原子在γ-Al2O3(001)表面的吸附演变不可能形成光滑、均匀平铺的吸附构型,而在一定条件下容易出现团聚.

CO在α-U(001)表面的吸附

采用密度泛函理论中的广义梯度近似,计算了CO在α-U(001)表面的吸附、解离和扩散.结果表明:CO分子以CU3OU2构型化学吸附在α-U(001)表面,吸附能为1.78-1.99eV;吸附后表层U原子向上迁移,伴随着褶皱的产生;CO分子与表面U原子的相互作用主要是U原子的电子向CO分子最低空轨道2π*转移,以及CO2π*/5σ/1π-U6d轨道间杂化而生成新的化学键;CO解离吸附较分子吸附在能量上更为有利,h1(C)+h2(O)和h1(C)+h1(O)(h:空位)解离态吸附能分别为2.71和3.08eV;近邻三重穴位之间C、O原子的扩散能垒分别为0.57和0.14eV,预示O原子较C原子更易在U(001)表面扩散迁移.

不同覆盖度下Li原子在Si(001)表面上的吸附构型和电子结构

采用基于赝势平面波基组的密度泛函理论,对不同Li原子覆盖度下Li/Si(001)体系的吸附构型、电子结构以及吸附Li原子对表面性质的影响进行了系统研究.计算结果表明,在所考察的覆盖度范围内,Li原子倾向于吸附在相邻两个Si-Si二聚体之间各种对称性较高的空穴位,其中覆盖度为0.75ML(monolayer)时具有最小的平均吸附能.由能带结构分析结果可知,随着覆盖度的增大,Si(001)表面存在由半导体→导体→半导体的变化过程.在覆盖度为1.00ML时,由于表层二聚体均受到显著破坏,使得体系带隙明显增大.吸附后,有较多电子从Li原子转移到底物,导致Si(001)表面功函显著下降,并随着覆盖度的增加表面功函呈现振荡变化.此外,从热力学稳定性角度上看,覆盖度为0.75ML的Li/Si(001)表面较难形成.

乙炔在Ge(001)表面吸附的反应路径(英文)

采用第一性原理方法研究了乙炔分子在Ge(001)表面的吸附反应.通过系统考察0.5和1.0ML覆盖度时形成di-σ和end-bridge构型的反应路径,研究在表面形成di-σ和paired-end-bridge构型的反应几率.除了表面反应以外,本文还涉及了亚表层Ge原子参与的吸附反应,乙炔在亚表层原子上吸附形成的亚稳态结构sub-di-σ,是形成end-bridge结构的第二条途径,此反应机理对于表面吸附结构的形成起重要的作用.与乙炔分子不同的是,表面以下原子参与时乙烯分子的吸附反应为吸热反应.综合热力学和动力学的分析表明,paired-end-bridge构型是乙炔分子吸附的主要构型,此结论解释了乙炔分子在Ge(001)表面吸附构型的实验结果.对于乙烯和乙炔两分子在Ge(001)表面吸附的分析比较揭示了导致两者之间差异的原因.

覆盖度对S原子在Ir(001)表面吸附性质的影响

采用第一性原理方法模拟了覆盖度对S原子在Ir(001)表面吸附能和电子结构的影响.结果表明:在覆盖度0.50ML以下,S原子吸附在Hollow空位最稳定,且吸附能几乎不随覆盖度变化;在覆盖度0.66ML以上吸附能随覆盖度增加而减小.吸附体系金属表面d带电子结构随覆盖度变化与O/Pt(111)吸附体系相似.这些结果与Hammer-Nφrskov模型吻合.

CO_2在α-U(001)表面的吸附和解离

采用广义梯度密度泛函理论研究了0.25ML覆盖度下CO_2在α-U(001)表面上的吸附和解离,得到了CO_2的稳定吸附构型和吸附能,确定了CO_2的解离过渡态和解离能垒,探讨了CO_2与表面U原子的相互作用本质.结果表明CO_2趋向以C(O)-U多键结合方式在α-U(001)面发生强化学吸附,吸附能为1.24-1.67 eV;C-O键的活化程度依赖于表面电子向CO_2发生转移的程度.CO_2与表面U原子的相互作用主要来自于U原子电子向CO_2最低空轨道(LUMO)2π_u转移,以及CO_2π_u/1π_g/3σ_u-U 6d轨道间杂化而生成新的化学键.以形成3个C-U键和6个O-U键模式在穴位1和穴位2上发生吸附的CO_2(H1-C_3O_6和H2-C_3O_6)的解离吸附能分别为3.15和3.13 eV,解离能垒分别为0.26和0.36 eV,预示着吸附CO_2分于易于解离形成CO分子和O原子.

吸附在Si(001)表面二聚体相互作用的分子动力学模拟

采用Stillinger-Weber原子间相互作用势,对吸附在Si(001)表面上的二聚体之间的相互作用进行了分子动力学模拟.通过对它们之间相互作用的分子动力学模拟,发现不同的二聚体之间相互作用会形成不同类型的四聚体结构.本文给出两种通过二聚体之间的相互作用形成四聚体结构的途径.模拟还发现这样的四聚体结构在一定温度下是相当稳定的,而且它们的结合位形类似于B型台阶,有利于吸附新的原子形成外延层.

N_2在Co掺杂Ru(001)表面吸附的DFT研究

采用密度泛函理论与周期性平板模型相结合的方法,对N_2在Ru(001)表面top、fcc、hcp、bridge四个吸附位和Ru-Co(001)表面Ru-top、Co-top、Ru(Ru)Ru-bridge、Co(Co)Co-bridge、Ru(Co)Co-bridge、Ru(Ru)Co-bridge、Ru_2Co-hcp、RuCo_2-hcp、Ru_2Co-fcc、RuCo_2-fcc十个吸附位的14种吸附模型进行了构型优化、能量计算,得到了N_2较有利的吸附位;并对清洁表面进行能带分析,对最佳吸附位进行总态密度分析.结果表明:掺杂Co后,Ru催化剂的能带变宽,催化活性增强;N_2在Ru(001)表面的最稳定吸附位top的吸附能是-88.94 kJ·mol^(-1),在Ru-Co(001)表面的最稳定吸附位Ru-top的吸附能是-95.71 kJ·mol^(-1),而且N_2与金属表面成键,属于化学吸附.

Si原子在Si(001)表面及其台阶附近扩散的分子动力学模拟

采用Stillinger-Weber势,利用分子动力学方法模拟了Si原子在Si(001)表面和该表面单层台阶附近扩散的动力学过程。(1)给出单个Si原子在Si(001)表面垂直于二聚体排方向扩散的扩散路径和扩散机制。Si原子在Si(001)表面垂直于二聚体排方向扩散能够减弱Si原子在Si(001)表面扩散的各向异性。(2)模拟不仅给出与以往文献中原子从SA台阶下台面扩散到上台面相同的扩散路径而且还给出原子从成键的SB台阶上台面扩散到下台面的一种新的扩散机制:增原子通过与表面原子之间的交换。从而解释实验上观察到的Si(001)表面双层原子台阶形成的机制。无论是单个Si原子在Si(001)表面垂直于二聚体排方向扩散还是在Si(001)表面的单层台阶附近扩散,增原子和表面原子之间的交换机制都起着重要的作用。

单粒子在TaN(001)表面迁移行为的第一性原理计算

通过第一性原理计算对Ta、Si、N单粒子在TaN(001)表面的迁移行为进行了研究,计算了单粒子在TaN(001)表面的吸附能及其沿迁移路径的能量差,由此得到单粒子的迁移激活能。Ta、Si、N单粒子在TaN(001)表面的迁移激活能分别为0.561、1.386、0.940eV,其迁移路径与Ti、Si、N单粒子在TiN(001)表面的迁移路径相似,但迁移要困难一些。

Se和SeO2在O2/CaO（001）表面吸附反应的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理和平板模型构造了最稳定的O2/CaO(001)表面,通过优化Se和SeO2在此表面可能的初始吸附结构得到最佳吸附构型,分析了Se原子在O2/CaO(001)表面向SeO2的转化。结果表明,Se原子在O2/CaO(001)表面的稳定吸附构型主要有两种,即O-Se-O和O-O-Se基团,其中,O-O-Se基团的Se终端具有一定化学活性;Se在O2/CaO(001)表面向SeO2转化所需反应能垒小于均相条件下生成SeO2所需反应能垒,表明CaO不仅作为吸附剂,也能促进Se向SeO2的转化;SeO2分子在O2/CaO(001)表面发生化学吸附时,吸附基底的部分价电子转移至SeO2分子轨道中。

MgO(001)表面负载CrW_2O_9团簇构型和电子结构的理论研究

采用基于第一性原理的分子动力学与量子力学相结合的方法,对CrW_2O_9团簇在MgO(001)完整表面的吸附构型、稳定性以及电子结构进行了系统的研究.研究结果表明,CrW_2O_9团簇通过Cr、W以及O原子与MgO(001)表面作用,并可能以六元环、帽状或双环结构沉积在MgO(001)表面,其中热力学最稳定的吸附构型为CrW_2O_9团簇以六元环的结构吸附在MgO(001)完整表面.吸附后,有较多的电子从表面转移到团簇,与W3O9/MgO(001)体系相比,CrW_2O_9团簇的电子态出现在MgO(001)表面的带隙中,且主要为Cr 3d轨道的贡献,这将对体系的催化性能产生显著影响.

低能单个Cu原子与Cu_(13)团簇沉积到Fe(001)表面的比较研究

本文利用分子动力学模拟方法对相同初始沉积条件下的单个Cu原子和Cu_(13)团簇与Fe(001)表面的相互作用分别进行了模拟研究,并将两者的模拟结果进行了比较分析.单个Cu原子和Cu_(13)团簇的初始入射能量范围均为1 e V/atom、3 e V/atom、5 e V/atom和10 e V/atom,初始入射角度均为0°、10°、30°和45°,衬底温度分别为100 K、300 K和800 K.对单个Cu原子和Cu_(13)团簇的原子动能、质心高度、迁移距离和最终沉积形貌进行了分析,对比研究了相同初始沉积条件下单个Cu原子和Cu_(13)团簇在沉积过程中和沉积效果上的具体差异.模拟结果表明:单个Cu原子和Cu_(13)团簇与Fe(001)表面的相互作用机制存在差异,Cu_(13)团簇表现出显著的集体效应.在特定沉积条件下,由于Cu_(13)团簇的集体效应,导致Cu_(13)团簇与Fe(001)表面的结合能力和在Fe(001)表面上的扩散能力均强于单个Cu原子.

Mn在Si(001)表面吸附的第一性原理研究

采用基于密度泛函的第一性原理对Mn原子在Si(001)(4×4)表面的化学吸附进行系统研究。计算表明,Si(001)表面将出现p(2×2)重构,形成稳定结构;通过Mn在不同吸附位置的结合能的计算,Mn原子吸附时将下降到Si(001)的次表面层,并和Si原子形成结合,从而形成稳定结构;在稳定结构中,Mn原子将形成2.15UB的局域磁矩。

CH_3OH在Ga-rich GaAs(001)-(4×2)表面上的吸附与解离:团簇模型的密度泛函计算

采用简单团簇模型结合密度泛函理论研究了CH3OH在Ga-rich Ga As(001)-(4×2)表面上的吸附与解离过程.计算结果表明,CH3OH在Ga-rich Ga As(001)-(4×2)表面上首先会形成两种化学吸附状态,然后CH3OH经解离生成CH3O自由基和H原子吸附在表面不同位置上.通过比较各个吸附解离路径,发现解离后的H原子相对更容易吸附在位于表面第二层紧邻的As原子上.

应变对Mo_(2)C(001)表面电子结构及光学性质的影响

采用第一性原理方法研究应变对Mo_(2)C(001)表面电子结构及光学性质的影响。研究表明,在应变作用下Mo_(2)C(001)表面均为间接带隙半导体,带隙随着压应变和拉应变的增加而减小。当应变为-20%时,Mo_(2)C(001)表面由间接带隙半导体转变为金属性质。当应变为-20%、-15%、-10%、-5%、0%、5%、10%、15%、20%时,其带隙分别为0 eV、0.162 eV、0.376 eV、0.574 eV、0.696 eV、0.708 eV、0.604 eV、0.437 eV、0.309 eV。带隙变化的原因主要是Mo 4p、4d、5s态电子和C 3p态电子对应变敏感,在应变作用下受激发,活性增强导致价带顶在布里渊区G、A、L、M点之间变化,导带底在K、H点之间变化;当应变由-15%逐渐变化到20%时,吸收谱的第一峰逐渐减弱,并且第一峰对应的光电子能量减小,吸收带边向低能方向移动,表明光吸收随着压应变增大而增加,吸收带边随着拉应变增加向低能方向移动。其他光学性质表现出类似的变化规律,光学性质计算结果表明应变能够有效调节光吸收特性,增强光学利用率,研究结果为Mo_(2)C(001)作为新型光电子材料的应用提供理论支撑。

六方Fe_(2)Ge合金块体及其(001)表面电子结构和磁性的第一性原理

采用基于密度泛函理论第一性原理的赝势平面波方法,计算了块体Fe_(2)Ge及其(001)表面的电子结构和磁性。考虑了两种类型的终端(001)表面:Ge(Ⅰ)-(001)表面和Ge(Ⅱ)-(001)表面。电子结构方面,不同类型的Fe_(2)Ge(001)表面都表现出金属特性,这与块体的金属性保持一致。通过计算它们的自旋极化率,得出Ge(Ⅰ)-(001)表面的自旋极化程度最高。磁性方面,在块体和Ge(Ⅱ)-(001)表面的Ge原子是铁磁自旋有序的,而在Ge(Ⅰ)-(001)表面第一层的Ge原子是亚铁磁自旋有序的。此外,Ge(Ⅱ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩优于块体中和Ge(Ⅰ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩。这些结果与Fe的d态和Ge的p态电子的杂化有关,本文中通过分析它们的态密度进行了讨论。

磷灰石晶体及表面基因的第一性原理计算

基于第一性原理的MS软件CASTEP模块,首先对磷灰石矿物晶胞进行了几何优化,计算得到了其能带结构、态密度、Mulliken布居,然后建立并优化了3种不同(001)表面,分别计算其表面能,并计算了磷灰石(001)低能面的差分电荷密度。结果表明:磷灰石晶体的禁带宽度为5.657 eV,属于绝缘体,其能带主要分布在-38.5^-15.1 eV之间。O3-Ca1键布居值最小,是断裂概率较高的键,且O3的2p轨道在费米能级附近电子密度贡献最大,易作为活性位点参加矿浆里的物理化学反应。相对于PO4终端面和Ca1-Ca1终端面,Ca1终端面具有最低的表面能,性质最稳定,是自然界存在概率较高的表面。(001)表面的差分电荷密度分析表明,与O3-Ca1键相比,O3-Ca2键共价性更强,键较难断裂,这与Mulliken键布居分析结果相符。磷灰石晶体和表面的第一性原理计算结果可以为完善基因矿物加工数据库的建设和磷矿浮选药剂作用原理分析提供参考和指导。

O_2在α-U(001)面吸附的密度泛函理论研究

采用广义梯度密度泛函理论结合周期性平板模型,计算了O2在α-U(001)表面吸附的几何和电子结构,并对H2、O2的吸附特性进行了对比分析。结果表明:O2分子在α-U(001)面上呈强解离化学吸附,吸附能为9.54～10.22eV,O-O距离较大的D+D-II构型最为稳定;吸附后表层U原子向上迁移,同时伴随着褶皱的产生;解离O原子与表面U原子的相互作用主要是离子键合,伴随着较弱的源于U5f/6d-O2p轨道杂化的共价键合;O原子的扩散能垒小于0.3eV,易于在U表面扩散迁移;O2分子在U表面的吸附强度较H2分子要大得多,对U表面结构的影响也更加显著。

H2O对SO2在CaO表面上吸附的影响理论研究

采用密度泛函理论研究了H2O对SO2在CaO(001)表面上吸附的影响。结果表明,以四种形式(-H2O、-H、-OH和-H&-OH)存在的H2O使SO2在CaO表面上的吸附构型发生改变。SO2在不同形式H2O基团邻位吸附时,-H使S原子的p轨道态密度峰明显左移且吸附能比洁净表面大90kJ/mol,其余基团表面吸附能无明显变化;SO2吸附于-OH和-H&-OH生成HSO3基团,吸附能相比于洁净表面较小,可能作为暂态结构;SO2吸附于-H2O生成SO3基团,H2O断键生成的H基团起主要吸附作用,CaO表面上生成类似Ca(OH)2的局部结构且吸附能比洁净表面大45kJ/mol。