贵金属单原子和纳米团簇在单层WTe2表面上动力学特性的第一性原理计算研究
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，以一种层状过渡金属硫族化合物（TMDs）WTe2为研究对象，对其电子结构性质进行了理论计算。然后，对WTe2进行n型和p型掺杂，计算研究掺杂后其电子结构性质的变化。接着，我们研究了单个贵金属Pt原子在WTe2单层表面上的吸附和扩散现象，以及n型和p型掺杂对扩散势垒的影响。另外，我们研究了贵金属Au原子在WTe2单层表面上的吸附和生长规律及吸附氧分子之后的变化问题。主要研究内容和结论如下： （1）尽管WTe2已被研究数十年，但是它的晶体结构和电子性质近期才被准确地解释和描述。WTe2有三种类型，我们这里研究的是具有最稳定结构的一种，即Td-WTe2。Td-WTe2是由三层共价键结合的Te-W-Te原子层沿着c轴方向通过范德瓦尔斯力作用堆垛而成，其电子结构具有很强的各向异性。因此，基于密度泛函理论的第一性原理方法，在这里我们研究了单个贵金属Pt原子在纯WTe2单层及n型和p型掺杂的WTe2单层表面上的扩散动力学性质，扩散包括三类，即无掺杂扩散、Ta（p型）掺杂后的扩散及Re（n型）掺杂后的扩散。通过采用CI-NEB方法计算最小能扩散路径，我们发现单个Pt原子在单层WTe2表面上的扩散具有很强的各向异性。Pt原子在沿W-W锯齿链方向上的扩散势垒最低，因此Pt原子更倾向于沿此方向扩散，其中在无掺杂时此方向的扩散势垒为0.551eV，掺杂Ta后扩散势垒为0.463eV，掺杂Re后扩散势垒为0.508eV。我们的研究结果表明，n型和p型掺杂都会对Pt原子在WTe2衬底上最佳扩散路径即沿W-W锯齿链方向的扩散势垒产生影响。这些发现对制造和调控过渡金属纳米材料在纳米催化剂、纳米传感器及相关领域中达到预期的应用效果具有很大的价值和指导意义。 （2）针对Td-WTe2电子结构很强的各向异性，我们还研究了贵金属Au原子在其单层表面上的吸附与生长规律，并研究了在生长Au原子链后的WTe2单层表面吸附氧分子后的变化。通过计算模拟，我们找到了单个Au原子在WTe2单层表面的最稳定吸附位置是沿着较低的Te原子链方向。接着，我们开始在WTe2单层表面吸附生长Au原子。通过在各种位置吸附生长的尝试，我们发现Au原子在WTe2表面的生长总是沿着较低的Te原子链方向，并且总是长成很新奇的双层Au原子链结构。通过计算比较Au原子分散吸附和以链状形式吸附在WTe2表面，我们发现Au原子长成链状吸附在WTe2表面时的结构更稳定。然后，我们分别在Au原子分散吸附和以链状形式吸附的WTe2表面吸附氧分子，并比较两种结构吸附氧分子后的变化，计算结果表明，Au原子以链状形式吸附的WTe2表面吸附氧分子后，能量较低，结构更稳定。上述研究结果为实现 Au原子在纳米材料催化领域成为具有卓越性能的催化剂提供了有意义的指导作用。
纳米材料;贵金属单原子;动力学特性;第一性原理;过渡金属硫族化合物
郑州大学
硕士
理论物理
李顺方
2017
中文
TB383
66
2017-11-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）