Surface phase diagram prediction from a minimal number of DFT calculations: redox-active adsorbates on zinc oxide

文献情報

出版日 2017-10-10
DOI 10.1039/C7CP05182D
インパクトファクター 3.676
著者

Matti Hellström, Jörg Behler


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要旨

Density functional theory (DFT) is routinely used to calculate the adsorption energies of molecules on solid surfaces, which can be employed to derive surface phase diagrams. Such calculations become computationally expensive if the number of substrate atoms is large, which happens whenever the adsorbate coverage is small. Here, we propose an efficient method for calculating surface phase diagrams for redox-active adsorbates on semiconductors, that we apply to the important example of proton (H+) and hydride (H−) adsorbates on a ZnO surface. We identify the leading cause for the coverage dependence of the adsorption energies to be the filling and depletion of the disperse substrate conduction band. From only four DFT calculations, coupled with an analysis of the substrate electronic band structure and changes in the electrostatic potential within the substrate upon adsorption, we derive a phenomenological model that well describes the coverage-dependent adsorption energies. Moreover, our model allows us to extrapolate to the “infinite” supercell limit, where additional H adsorption leads to an arbitrarily small increase of the surface coverage. With this tool we are able to derive a surface phase diagram containing structures with extremely small H coverages (<0.002 ML), that have so far been unattainable. We expect that such models can be applied to a wide range of semiconductor substrates and redox-active adsorbates.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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