氢在α-Al_2O_3（0001）表面吸附的模拟研究

【摘要】：α-Al_2O_3是很好的金属基复合材料的增强相，广泛地应用于材料领域。由于Al_2O_3具有低电导率、高硬度、低渗透率、结构稳定、耐蚀、工艺可行性等诸多优点，是当前聚变堆阻氚涂层候选材料之一。在金属基上生长的α-Al_2O_3薄膜阻氚作用已经在实验中证实，但其阻氚机理目前还不清晰，研究其电子态密度和氢吸附特性，对进一步深入了解其性质和阻氚效果具有非常重要的意义。 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了阻氚吸附渗透材料α-Al_2O_3(0001)表面结构，成键构型和电子结构。此外，我们还分别研究了H原子和H2分子在清洁和缺陷α-Al_2O_3(0001)表面的吸附，初步探索了H原子和H2分子在α-Al_2O_3涂层表面的吸附过程，从理论计算角度解释了α-Al_2O_3具有良好的阻氢吸附渗透性能，揭示了阻氢的微观机制，得到的主要结论有： (1) α-Al_2O_3(0001)表面有较大弛豫，没有重构发生。O顶位为H原子最佳吸附位，吸附能为6.05eV，且再次吸附氢的吸附能比首次的要小，说明α-Al_2O_3具有较好的阻氢性能。吸附的H原子倾向占据α-Al_2O_3体结构中原Al原子位置，补偿表面悬挂键，使表面像体结构那样周期性排布。H原子在α-Al_2O_3(0001)表面的吸附，主要是H1s轨道和表面O原子2s、2p轨道发生耦合、杂化作用的结果。 (2) H原子吸附使α-Al_2O_3(0001)表面功函数降低，在低覆盖度下，H原子更容易吸附在O顶位；在高覆盖度下，H原子容易在α-Al_2O_3(0001)表面形成氢原子团簇，降低H原子向α-Al_2O_3体内扩散，起到了良好的阻氢效果。 (3) H2分子以分子态形式在清洁α-Al_2O_3涂层表面形成物理吸附，而不是以解离原子形式在表面密集的吸附。这种以H2分子平行吸附占位在表面的倾斜吸附生长方式能够阻止更多的H2分子在表面的吸附，这将很好的阻止氢在涂层表面进一步的向内部扩散渗透，达到了优良阻氚效果。 (4)表面缺失O原子的α-Al_2O_3(0001)表面优化后的O-Al(short）键和O-A（llong）键均变短，表面O原子向下压缩，和近邻Al原子相互作用变强。且表面对H2分子具有排斥作用，不利于H2分子在缺陷表面上吸附和扩散。