Acta Mater.：密度泛函理論結合低能離子散射和直接反沖光譜研究鎢表面氫氣的飽和

【引言】

氫鎢相互作用在核聚變領域具有高度的相關性，因為鎢是托卡馬克裝置中可直接面對等離子體的少數材料之一。它將被用于下一個國際熱核實驗反應堆（ITER），目前組成了JET-ILW和WEST反應堆的偏濾器。近期相繼出現了大量的實驗研究，目的在于了解氫吸收和金屬解吸附的基本過程。

【成果簡介】

近日，法國艾克斯馬賽大學與國家科學研究中心Y. Ferro等人通過密度泛函理論（DFT）研究氫在鎢 (110)和(100)表面的飽和極限，同時用實驗測量的手段證實了研究結果。該研究發表于Acta Materialia，題為“Saturation of tungsten surfaces with hydrogen: A density functional theory study complemented by low energy ion scattering and direct recoil spectroscopy data”。他們詳細研究了氫氣在表面覆蓋率低于1.0的情況下可以采用的多種穩定結構，達到甚至超過其實驗覆蓋率。該項研究提供了所有覆蓋范圍內存在的許多低能構型以及它們形成的能量布局。他們的發現預測，在每個表面的飽和極限下存在一個吸附的氫原子單層。初級的低能量離子散射（LEIS）和直接反沖譜（DRS）的實驗對W(110)表面的研究工作做了補充。并且，這些結果和之前公布的在W(100)表面上獲得的測量結果都驗證了與DFT理論計算的一致性。

【圖文導讀】

圖1. 表面俯視圖圖示

（A）W(110)，（B）W(100)，（C）重構的W(100)表面

淺藍色圓代表表面的鎢原子，白色圓代表表面以下一層的子表面的鎢原子。

圖2. 計算表面能與層數的關系

（A）W(110)，（B）W(100)和（C）重構的W(100)表面的計算表面能（SE）與平板模型中層數的關系。

圖3. 表面的最低能與氫覆蓋率的關系

A W(110)表面和B W(100)表面的最低能E_ad,ZPE,Hn和E_ad,n+1與氫覆蓋率（Θ）的曲線關系圖。

圖4. 方位角掃描

在固定入射角（α= 81°）和相對于入射光束（1 keV Ne⁺→W(100)+ H(ads)）的45°散射角方向的方位角掃描。

插圖：W(110)基底的方向，提示可能的H化學吸附位點的位置，（a）長橋（LB），（b）短橋（SB），（c）三倍的（TF）和（d）頂位（T）位點。

圖5. 反沖強度與方位角的關系

方位掃描顯示1 keV Ne⁺→W(100)+H(ads) 下，氫反沖強度作為方位角的函數，其變化曲線。插圖顯示了入射角（α）和晶體方位角（φ）的定義。上述是在入射光束為固定的α= 81°和散射角為45°時測量得到的。

【小結】

研究人員對W(110)和W(100)表面的H吸附進行了研究，在達到實驗飽和點以上時，表面覆蓋率仍低于實驗觀察到的飽和極限。隨著構型變化，該研究還提供了能量信息，這將有助于更好地解釋在此覆蓋區域內的實驗結果。此項工作將進一步研究基于相關構型建立一個鎢表面的熱力學模型，同時可以考慮到溫度的影響。并且提出，在DFT和LEIS技術的互補的作用下，該模型將會得到驗證。

文獻鏈接： Saturation of tungsten surfaces with hydrogen: A density functional theory study complemented by low energy ion scattering and direct recoil spectroscopy data (Acta Materialia, 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.12.029)

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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