Diagramma di fase della superficie Si(100) in un D2 fase gassosa con metodo REGC compresi i limiti di fase (linea bianca) e punti tripli nonché punti critici. Credito:FHI / Y. Zhou
I ricercatori del Laboratorio NOMAD del Fritz Haber Institute sono stati impegnati nella descrizione di come le superfici cambiano a contatto con le fasi del gas reattivo in diverse condizioni di temperatura e pressione. A tal fine, hanno sviluppato il cosiddetto metodo del gran canonico di scambio di repliche (REGC). I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters il 17 giugno.
"Scambio di repliche" significa che ci sono molte repliche preparate per la superficie del silicio a contatto con diverse atmosfere di idrogeno. Queste repliche si scambiano tra loro durante la simulazione. "Grand-canonico" significa che la superficie del silicio in ciascuna replica scambia atomi o molecole di deuterio con il serbatoio di gas di deuterio che tocca, raggiungendo infine l'equilibrio con il serbatoio di gas di deuterio.
La conoscenza della morfologia e dell'evoluzione strutturale delle superfici dei materiali in una data atmosfera reattiva è un prerequisito per comprendere il meccanismo delle reazioni eterogenee di catalisi ed elettrocatalisi dovute al rapporto struttura-proprietà-potenza. In generale, il tracciamento affidabile degli equilibri di fase è di importanza tecnologica per la progettazione ragionevole delle proprietà della superficie. Le transizioni di fase sono indicate dalle singolarità di una funzione di reazione (ad esempio la capacità termica). I ricercatori FHI hanno affrontato questa sfida sviluppando il metodo Replica Exchange Grand Canonical (REGC) insieme alla dinamica molecolare. L'approccio non solo cattura la ristrutturazione della superficie studiata in diverse condizioni reattive, ma identifica anche le linee di transizione di fase superficiale nonché i punti tripli e critici.
L'adsorbimento dissociativo dell'idrogeno molecolare sulla superficie del silicio è diventato un criterio cruciale nello studio dei sistemi di adsorbimento e ha importanti applicazioni come la passivazione superficiale. L'approccio REGC è dimostrato utilizzando una superficie di silicio a contatto con un'atmosfera di deuterio. Nell'intervallo da 300 a 1.000 Kelvin, l'approccio REGC identifica 25 diverse fasi superficiali termodinamicamente stabili. La maggior parte delle fasi identificate, comprese alcune transizioni di fase tra ordine e disordine, non sono state osservate sperimentalmente prima. È inoltre dimostrato che la formazione dinamica o la rottura dei legami Si-Si è la forza trainante dietro la transizione di fase tra i modelli di adsorbimento confermati sperimentalmente.
Il metodo REGC consente di combinare concetti tradizionali di meccanica statistica della materia condensata con calcoli di struttura elettronica all'avanguardia per prevedere i diagrammi di fase di stabilità di sistemi reali. Inoltre, l'approccio ha un impatto significativo sui calcoli di ristrutturazione delle superfici nel campo della scienza delle superfici ed è potenzialmente rilevante per una varietà di applicazioni importanti come la catalisi eterogenea, l'elettrocatalisi e la segregazione superficiale. + Esplora ulteriormente
