[论文解读] Reversible switching of surface texture by hydrogen intercalation

Thomas Brugger, Huifang Ma+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2009

Graphene research and applications被引用 55

一句话总结

本研究通过氢原子插层实现了六方氮化硼（h-BN）在Rh(111)表面的可逆表面纹理切换：原子氢插入h-BN与Rh基底之间，使原本波纹状的表面纹理变得平坦，经退火后可完全恢复。该过程通过扫描隧道显微镜（STM）、程序升温脱附（TDS）和密度泛函理论（DFT）计算得到证实，显示表面波纹度降低五倍，且表面偶极场几乎完全被抑制。

ABSTRACT

The interaction of atomic hydrogen with a single layer of hexagonal boron nitride on rhodium leads to a removal of the h-BN surface corrugation. The process is reversible as the hydrogen may be expelled by annealing to about 500 K whereupon the texture on the nanometer scale is restored. This effect is traced back to hydrogen intercalation. It is expected to have implications for applications, like the storage of hydrogen, the peeling of sp2-hybridized layers from solid substrates or the control of the wetting angle, to name a few.

研究动机与目标

• 研究通过原子氢暴露对单层h-BN在Rh(111)表面的可逆表面纹理修饰。
• 确定氢原子插层如何改变h-BN/Rh(111)体系的波纹度与电子结构。
• 通过热退火验证该过程的可逆性，并确认原子氢（而非分子H₂）在切换过程中的作用。
• 将实验观测与第一性原理DFT计算相关联，以验证结构与电子结构的变化。
• 探讨该过程在调控二维范德华异质结构表面功能（如分子捕获与润湿行为）方面的潜在应用。

提出的方法

• 采用扫描隧道显微镜（STM）观测表面形貌，并监测氢暴露后h-BN/Rh(111)从波纹状向平坦结构的转变。
• 利用氘（D）进行程序升温脱附（TDS）以定量测定插层氢含量，并排除同位素效应，从而排除分子氢的参与。
• 采用X射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）分别分析核心能级结合能变化与价带结构演变。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算对完整的h-BN/Rh(111)体系（含567个Rh原子、169对BN）进行建模，通过逐步增加氢插层量来预测几何与电子结构变化。
• DFT模拟包括结构弛豫、电子态密度（DOS）分析及静电势映射，以量化波纹度降低与偶极场抑制程度。
• 采用13×13个BN单元的超胞与12×12个Rh(111)晶胞（含1单层（ML）插层氢原子）来模拟完全插层状态，氢原子占据fcc空位。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子氢插层是否可逆地改变h-BN在Rh(111)表面的纳米尺度表面纹理？
• RQ2 氢插层通过何种机制降低h-BN/Rh(111)体系的表面波纹度？
• RQ3 氢插层如何影响电子结构，特别是σ能带分裂与偶极环形成？
• RQ4 热退火后表面纹理切换的可逆程度如何？插层氢的脱附温度是多少？
• RQ5 第一性原理DFT计算能否定量再现实验观测到的结构与电子结构变化？

主要发现

• 氢插层使h-BN与Rh(111)之间的表面波纹度从1.1 Å降低至0.2 Å，降幅达五倍，该结果经STM与DFT共同证实。
• 经约500 K退火后，波纹状纳米网格纹理完全恢复，证实该切换过程具有可逆性。
• 程序升温脱附（TDS）显示氘在约500 K脱附，表明插层氢在该温度以下稳定存在。
• DFT计算证实，1单层氢插层（1 ML H）使静电势波纹度降低90%，从480 meV降至180 meV。
• XPS中N 1s核心能级分裂与UPS中σ能带分裂在插层后消失，表明导致分子捕获的平面内偶极场被消除。
• DFT优化结构显示，氢原子位于Rh(111)表面以上1.0 Å处的fcc空位，h-BN层平均高度从2.9 Å提升至3.4 Å。