氫在α-Al2O3(0001)表面吸附的模擬研究.pdf

1、α-Al2O3是很好的金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)相,廣泛地應(yīng)用于材料領(lǐng)域。由于Al2O3具有低電導(dǎo)率、高硬度、低滲透率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐蝕、工藝可行性等諸多優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前聚變堆阻氚涂層候選材料之一。在金屬基上生長(zhǎng)的α-Al2O3薄膜阻氚作用已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中證實(shí),但其阻氚機(jī)理目前還不清晰,研究其電子態(tài)密度和氫吸附特性,對(duì)進(jìn)一步深入了解其性質(zhì)和阻氚效果具有非常重要的意義。
　　本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法研究了阻氚吸附滲透材料α-Al2O

2、3(0001)表面結(jié)構(gòu),成鍵構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)。此外,我們還分別研究了H原子和H2分子在清潔和缺陷α-Al2O3(0001)表面的吸附,初步探索了H原子和H2分子在α-Al2O3涂層表面的吸附過(guò)程,從理論計(jì)算角度解釋了α-Al2O3具有良好的阻氫吸附滲透性能,揭示了阻氫的微觀機(jī)制,得到的主要結(jié)論有:
　　(1)α-Al2O3(0001)表面有較大弛豫,沒(méi)有重構(gòu)發(fā)生。O頂位為H原子最佳吸附位,吸附能為6.05eV,且再次吸附氫的吸附能比

3、首次的要小,說(shuō)明α-Al2O3具有較好的阻氫性能。吸附的H原子傾向占據(jù)α-Al2O3體結(jié)構(gòu)中原Al原子位置,補(bǔ)償表面懸掛鍵,使表面像體結(jié)構(gòu)那樣周期性排布。H原子在α-Al2O3(0001)表面的吸附,主要是H1s軌道和表面O原子2s、2p軌道發(fā)生耦合、雜化作用的結(jié)果。
　　(2)H原子吸附使α-Al2O3(0001)表面功函數(shù)降低,在低覆蓋度下,H原子更容易吸附在O頂位;在高覆蓋度下,H原子容易在α-Al2O3(0001)表面形成

4、氫原子團(tuán)簇,降低H原子向α-Al2O3體內(nèi)擴(kuò)散,起到了良好的阻氫效果。
　　(3)H2分子以分子態(tài)形式在清潔α-Al2O3涂層表面形成物理吸附,而不是以解離原子形式在表面密集的吸附。這種以H2分子平行吸附占位在表面的傾斜吸附生長(zhǎng)方式能夠阻止更多的H2分子在表面的吸附,這將很好的阻止氫在涂層表面進(jìn)一步的向內(nèi)部擴(kuò)散滲透,達(dá)到了優(yōu)良阻氚效果。
　　(4)表面缺失O原子的α-Al2O3(0001)表面優(yōu)化后的O-Al(short)鍵