基于神经网络势能面对H2O和CO在金属表面能量耗散动力学的理论研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chenzhong1983
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气相-表面体系中的能量交换涉及许多工业应用的核心。在这种能量交换的过程中会有一部分能量耗散到表面导致表面被热化,由此造成不必要的能量损失。研究能量交换过程中的能量耗散对于调控气相-表面动力学来说具有重要意义。考虑到气相-表面体系的复杂性,目前量子动力学计算无法考虑表面自由度因而不能描述气相-表面体系的能量耗散过程,而准经典轨线方法作为探究量子分辨动力学的有效工具已经被广泛应用于各种气相-表面相互作用体系之中。基于第一性原理的从头算分子动力学方法能够实现对直接动力学过程(如直接的散射和解离等)的精确模拟。然而,考虑到计算成本,该方法不能针对相互作用时间较长(如吸附,捕获等)的间接过程或罕见事件(如态到态的散射等)进行有效模拟。基于第一性原理数据拟合得到的嵌入原子神经网络势能面提供了很好的解决方案:其能够在保证计算精度的前提下进行大量长时间的理论模拟。本文借助嵌入原子神经网络势能面和准经典轨线方法,对H2O+Pt(110)-(1 × 2)和CO+Au(111)两个体系进行动力学模拟,并系统研究了其中的能量耗散过程。H2O在金属表面的界面性质具有较大的技术重要性。实验上观察到H2O在Pt(110)-(1 × 2)表面的初始黏附概率S0随入射能的变化呈现出活化吸附特征。本文以解释实验现象为目的,计算了不同入射能条件下H2O在Pt(110)-(1 × 2)表面上的S0并将其与实验结果对比,发现非绝热能量耗散和初始H2O的转动取向不是造成实验结果的主要原因。理论计算的结果为理解H2O在Pt(110)-(1 × 2)表面的能量耗散过程提供了直接的微观见解,为后期进一步的研究提供了有价值的参考信息。CO在Au(111)表面具有较长的停留寿命而被广泛关注,尤其是近期实验和理论揭示了 CO在Au(111)表面上的弱物理吸附和化学吸附之间的复杂相互作用关系。然而,理论模拟中往往忽略了晶胞尺寸对动力学结果的影响。本文借助嵌入原子神经网络势能面本身良好的可扩展性,探究了 CO(vi=2)在不同晶胞尺寸条件的Au(111)表面上的绝热能量耗散动力学。结果表明,晶胞尺寸对散射的CO没有明显影响,增加晶胞尺寸会缓解表面被非物理加热的现象并增加CO被捕获的概率。这些结果进一步加深了对CO+Au(111)体系的绝热能量耗散动力学过程的认知,并对后期借助嵌入原子神经网络势能面实现对大尺度晶胞的精确而高效的动力学理论研究奠定了基础。高振动激发的CO在Au(111)表面上的振动弛豫是该体系的另一个被广泛研究的课题。CO(vi=17)在Au(111)表面较弱的振动弛豫与NO(vi=16)在Au(111)表面的多量子振动弛豫形成了鲜明对比,探究其中的振动传能过程对理解气相分子在表面的振动弛豫规律具有重要意义。本文计算了 CO(vi=17)在Au(111)表面的振动弛豫,并将其与NO+Au(111)体系作了对比。结果表明,在电子绝热动力学框架下,理论计算重现出CO比NO振动弛豫更弱的客观规律,展示出比实验更强的振动非弹性,说明仅凭实验无法确认非绝热效应是CO在Au(111)表面振动弛豫的主要机制。此外,本文发现绝热势能面在过渡态区域的形貌对分子的振动弛豫过程十分重要。本文的计算结果认定了 CO在Au(111)表面振动弛豫的机理,有关气相分子在表面振动弛豫的认知也因此被推到了新的高度。
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