Acta Mater.：密度泛函理论结合低能离子散射和直接反冲光谱研究钨表面氢气的饱和

【引言】

氢钨相互作用在核聚变领域具有高度的相关性，因为钨是托卡马克装置中可直接面对等离子体的少数材料之一。它将被用于下一个国际热核实验反应堆（ITER），目前组成了JET-ILW和WEST反应堆的偏滤器。近期相继出现了大量的实验研究，目的在于了解氢吸收和金属解吸附的基本过程。

【成果简介】

近日，法国艾克斯马赛大学与国家科学研究中心Y. Ferro等人通过密度泛函理论（DFT）研究氢在钨 (110)和(100)表面的饱和极限，同时用实验测量的手段证实了研究结果。该研究发表于Acta Materialia，题为“Saturation of tungsten surfaces with hydrogen: A density functional theory study complemented by low energy ion scattering and direct recoil spectroscopy data”。他们详细研究了氢气在表面覆盖率低于1.0的情况下可以采用的多种稳定结构，达到甚至超过其实验覆盖率。该项研究提供了所有覆盖范围内存在的许多低能构型以及它们形成的能量布局。他们的发现预测，在每个表面的饱和极限下存在一个吸附的氢原子单层。初级的低能量离子散射（LEIS）和直接反冲谱（DRS）的实验对W(110)表面的研究工作做了补充。并且，这些结果和之前公布的在W(100)表面上获得的测量结果都验证了与DFT理论计算的一致性。

【图文导读】

图1. 表面俯视图图示

（A）W(110)，（B）W(100)，（C）重构的W(100)表面

浅蓝色圆代表表面的钨原子，白色圆代表表面以下一层的子表面的钨原子。

图2. 计算表面能与层数的关系

（A）W(110)，（B）W(100)和（C）重构的W(100)表面的计算表面能（SE）与平板模型中层数的关系。

图3. 表面的最低能与氢覆盖率的关系

A W(110)表面和B W(100)表面的最低能E_ad,ZPE,Hn和E_ad,n+1与氢覆盖率（Θ）的曲线关系图。

图4. 方位角扫描

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

插图：W(110)基底的方向，提示可能的H化学吸附位点的位置，（a）长桥（LB），（b）短桥（SB），（c）三倍的（TF）和（d）顶位（T）位点。

图5. 反冲强度与方位角的关系

方位扫描显示1 keV Ne⁺→W(100)+H(ads) 下，氢反冲强度作为方位角的函数，其变化曲线。插图显示了入射角（α）和晶体方位角（φ）的定义。上述是在入射光束为固定的α= 81°和散射角为45°时测量得到的。

【小结】

研究人员对W(110)和W(100)表面的H吸附进行了研究，在达到实验饱和点以上时，表面覆盖率仍低于实验观察到的饱和极限。随着构型变化，该研究还提供了能量信息，这将有助于更好地解释在此覆盖区域内的实验结果。此项工作将进一步研究基于相关构型建立一个钨表面的热力学模型，同时可以考虑到温度的影响。并且提出，在DFT和LEIS技术的互补的作用下，该模型将会得到验证。

文献链接： 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)

本文由材料人计算材料组Annay供稿，材料牛整理编辑。

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