金 華
(宜春學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院,宜春 336000)
三氧化鎢(WO3)是一種重要的n型多功能半導(dǎo)體材料,因具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)而受到科研工作者們的關(guān)注,并廣泛應(yīng)用于電致/光致變色[1,2]、氣體傳感[3,4]、化學(xué)催化[5,6]等領(lǐng)域.尤其在傳感器方面,大部分反應(yīng)在材料的表面或界面進(jìn)行,氣體吸附質(zhì)分子在WO3表面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)往往是傳感器表面電信號(hào)變化的主導(dǎo)因素,而表面活性位點(diǎn)種類及其數(shù)量對(duì)于該氧化還原過(guò)程又起到關(guān)鍵的作用,并且會(huì)影響表面的傳感性能.探究WO3表面可能存在的活性氧物種,將有助于加深對(duì)其氣體傳感和氧化性能及反應(yīng)機(jī)理的理解,為研發(fā)和制備性能更加優(yōu)越的三氧化鎢基半導(dǎo)體材料有重要的理論指導(dǎo)意義.
目前對(duì)于WO3傳感材料的應(yīng)用研究不論在實(shí)驗(yàn)還是理論方面都有較多報(bào)道,Hübner等[7]人對(duì)不同氧分壓條件下CO在WO3表面的傳感機(jī)理進(jìn)行了探究,指出CO與WO3表面氧原子直接作用,發(fā)生氧化還原反應(yīng)形成表面缺陷是造成表面電導(dǎo)率增大的最可能原因;并且發(fā)現(xiàn)隨著表面氧分壓增大,缺陷表面又會(huì)被重新氧化導(dǎo)致表面電導(dǎo)率減小,且傳感器電導(dǎo)率與表面氧缺陷的存在與否有較大關(guān)聯(lián).隨后Ahsan[8]研究小組采用熱蒸發(fā)法制備了Fe摻雜的WO3薄膜傳感器,他們的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步證實(shí)了Hübner等人的結(jié)論,即CO被WO3納米表面氧化為CO2造成表面電導(dǎo)率的變化,并指出催化CO氧化的表面活性物種為O2-.近期,Zappa課題組[9]合成了一種新型的三氧化鎢納米線進(jìn)行CO探測(cè),他們將傳感器電阻信號(hào)的變化歸結(jié)于表面吸附的活性氧物種(O2-、O-或者O2-)的得失平衡.理論方面,Oison等[10]和Tian等人[11]分別采用第一性原理計(jì)算對(duì)WO3表面?zhèn)鞲袡C(jī)理進(jìn)行了探究,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致,表面缺陷態(tài)的形成以及表面氧物種類型的變化是表面電導(dǎo)率變化的主導(dǎo)因素.
綜上可知,作為一種表面控制型半導(dǎo)體材料,WO3表面存在多種活性位點(diǎn),吸附在表面的氧物種很可能成為催化氧化反應(yīng)的活性位,表面缺陷的存在對(duì)于表面活性位點(diǎn)數(shù)量及種類又有著顯著影響.但是表面可能存在的活性氧物種有哪些,不同的氧物種在WO3表面催化氧化過(guò)程中是如何起作用的,以及表面缺陷對(duì)WO3表面活性位以及其催化氧化性能又有什么影響,這些重要問(wèn)題目前尚未見(jiàn)報(bào)道,仍需要進(jìn)一步研究.鑒于此,本文采用基于密度泛函理論的第一性原理結(jié)合周期性平板模型的方法,對(duì)WO3(001)表面可能存在的氧物種進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,通過(guò)計(jì)算O2分子在WO3(001)完整和缺陷表面吸附構(gòu)型和電子性質(zhì)的分析,確定可能存在的氧空位和氧物種,以期為深入認(rèn)識(shí)WO3表面?zhèn)鞲屑按呋趸阅?,尋求化學(xué)反應(yīng)規(guī)律提供有益的理論支持.
以室溫下最穩(wěn)定單斜相γ-WO3作為基本的構(gòu)造單元,創(chuàng)建了如圖1所示的c(2×2)的WO3(001)完整表面,并采用周期性重復(fù)平板模型進(jìn)行表面模擬.圖中 W6f和W5f分別表示表層六配位和五配位的W原子,Ot表示表層單配位的O原子.經(jīng)過(guò)能量收斂測(cè)試,選取平板厚度為5層,每層包含三個(gè)O-WO2-O原子層.構(gòu)型優(yōu)化和性質(zhì)計(jì)算過(guò)程中,固定底部?jī)蓪釉用枋鲶w相的性質(zhì),放開上面三層的原子描述表面反應(yīng)特點(diǎn).
圖1 WO3(001)完整表面結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of perfect WO3(001) surface
所有計(jì)算均采用基于密度泛函理論的VASP(Vienna ab initio simulation package)程序包[12-15]進(jìn)行.電子-離子之間的相互作用采用超軟贗勢(shì)(US)[16,17]描述,電子交換關(guān)聯(lián)勢(shì)采用廣義梯度近似法(GGA)的PW1[18]來(lái)描述.Kohn-Sham采用平面波基組展開,截止能設(shè)置為400eV.自洽場(chǎng)能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-4eV,原子凈余力小于0.03 eV/?.布里淵區(qū)采用Monkhorst-Pack[19]方法對(duì)k點(diǎn)進(jìn)行取樣,k網(wǎng)格的大小設(shè)置為5×5×1.真空層厚度設(shè)置為10 ?,以消除平板間的相互作用.
對(duì)于吸附質(zhì)O2在WO3(001)表面的吸附能(Eads)定義如下:
Eads=Eslab+EO2-Etotal
(1)
其中Etotal表示吸附后體系的總能量,Eslab和EO2分別表示O2吸附前WO3(001)清潔表面的能量和自由O2分子的能量.對(duì)于O2分子,基態(tài)為三重態(tài).Eads越正表示吸附體系越穩(wěn)定.
對(duì)于缺陷形成能(Evac)定義如下:
(2)
其中,Eperf和Edef分別表示完整和缺陷WO3(001)表面的能量,EO2為自由O2分子的能量,n代表表面缺失氧原子的數(shù)目,缺陷形成能Evac的值越負(fù)表示失去表面氧原子的體系越穩(wěn)定.
為了更好的探究WO3(001)表面可能存在的活性氧物種,首先對(duì)表面可能存在表面缺陷類型進(jìn)行探討,隨后對(duì)O2分子在WO3(001)完整和缺陷表面的吸附行為展開討論.
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在WO3晶體形成的過(guò)程中經(jīng)常伴隨著各種缺陷的存在,而且隨著氧缺陷濃度的增加,半導(dǎo)體的WO3呈現(xiàn)金屬性.由于反應(yīng)一般在表面進(jìn)行,本文僅考慮了表層端氧原子(Ot)缺失的缺陷型表面,包括兩種缺陷類型,M1和M2,表面氧缺陷位置用Wv表示(見(jiàn)圖2).其中M1表示表層半數(shù)端氧原子缺失的WO3(001)缺陷表面,M2表示表層所有端氧原子缺失的WO3(001)缺陷表面,即形成以WO2為終端的極性表面.圖2為兩種缺陷體系的構(gòu)型圖,僅給出了表面三個(gè)原子層的鍵長(zhǎng)參數(shù).為了更直觀的比較氧缺陷前后表面幾何結(jié)構(gòu)變化情況,完整表面的相關(guān)數(shù)據(jù)在表中也一并標(biāo)出.
圖2 WO3(001)缺陷表面(左)俯視和(右)側(cè)視圖Fig. 2 Top (left) and side view (right) of (a) M1- and (b) M2-type WO3(001) defective surfaces
按式(2)得到了兩種缺陷體系(M1和M2)的缺陷形成能分別為1.94 eV和2.34 eV.缺陷形成能為正值,表明表面缺陷態(tài)的形成為熱力學(xué)非自發(fā)過(guò)程,尤其對(duì)于M2模型,表面失去全部Ot原子更加困難.本文在后續(xù)討論O2分子在缺陷表面吸附行為的過(guò)程中,僅考慮M1構(gòu)型.
表面端氧原子(Ot)的缺失對(duì)表面電子態(tài)也會(huì)造成較大的影響,圖3為WO3(001)完整表面和M1缺陷表面的能帶結(jié)構(gòu)圖.由圖3 a可以看出,完整WO3表面的帶隙雖然較小,但是仍然保留了體相的半導(dǎo)體性質(zhì).但當(dāng)表面失去了部分Ot原子之后,費(fèi)米能級(jí)處有能帶占據(jù),出現(xiàn)了新的電子態(tài)(即缺陷態(tài)),導(dǎo)致缺陷后體系呈現(xiàn)金屬性.由此可以推論,當(dāng)吸附質(zhì)分子與完整表面的端氧原子(Ot)相互作用發(fā)生氧化還原反應(yīng)之后,表面形成缺陷態(tài),進(jìn)而表面電導(dǎo)率增大,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和其他理論結(jié)論一致.
圖3 完整和M1型缺陷WO3(001)表面的能帶結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Band structures of (a) perfect WO3(001) surface and (b) M1-type defective WO3(001) surface
圖4 O2在WO3(001)完整表面的吸附構(gòu)型Fig. 4 Adsorption structure of O2 on the perfect WO3(001) surface
圖4給出了優(yōu)化后O2分子在WO3(001)完整表面吸附的最穩(wěn)定構(gòu)型,即O2分子與表層五配位的W原子(W5f)作用成鍵.相應(yīng)的鍵長(zhǎng)信息已在圖中標(biāo)出,括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為完整表面的鍵長(zhǎng)大小.由圖中鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)可知,距表面較近的氧氣分子中的一個(gè)氧原子(Om)與表面的W5f原子之間鍵長(zhǎng)為2.569 ?,較正常的W-O鍵(約為1.9 ~ 2.0 ?)要長(zhǎng),與此同時(shí),吸附后氧氣分子中的O-O鍵鍵長(zhǎng)為1.240 ?,接近于O2自由分子的鍵長(zhǎng)(1.237 ?).另外,O2吸附后表面上各個(gè)W-O鍵較未吸附的完整表面來(lái)說(shuō),鍵長(zhǎng)變化較小(< 0.01 ?),說(shuō)明O2在WO3(001)完整表面為一種弱的物理吸附作用.進(jìn)一步計(jì)算顯示該體系的吸附能僅為-0.419 eV,表明O2在WO3(001)完整表面的吸附為熱力學(xué)非自發(fā)過(guò)程.上述結(jié)果說(shuō)明WO3完整表面上吸附態(tài)的O2分子不易成為表面活性氧物種,則對(duì)于WO3(001)完整表面來(lái)說(shuō),表面活性氧物種僅有一種,即表面晶格氧(Ot),吸附質(zhì)分子在表面形成物理吸附后,優(yōu)先與表面Ot原子結(jié)合,進(jìn)而完整表面轉(zhuǎn)變?yōu)槿毕荼砻?M1),表面由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體,體系電導(dǎo)率增大.
對(duì)于O2在WO3(001)缺陷表面的吸附行為考察了五種可能構(gòu)型,圖5和表1分別給出了相應(yīng)的優(yōu)化構(gòu)型、鍵長(zhǎng)參數(shù)和吸附能數(shù)據(jù).從各優(yōu)化構(gòu)型的吸附能可知,type1的吸附能最大,為1.11 eV,O2水平吸附在缺失了端氧的W原子(Wv)處.從圖5 a中可以觀察到來(lái)自O(shè)2分子中的兩個(gè)O原子(Om)都與表面Wv原子成鍵,形成的W-O鍵長(zhǎng)分別為1.923 ?和1.926 ?,接近體相W-O鍵水平.正是因?yàn)檫@兩個(gè)原子的強(qiáng)相互作用,使得氧氣分子中兩個(gè)氧原子之間的成鍵(Om-Om)被削弱,吸附前后的O=O鍵長(zhǎng)增加0.215 ?,由基態(tài)的1.237 ?變?yōu)槲胶蟮?.452 ?.Bader電荷布居分析結(jié)果顯示,約有0.7e電子從表面轉(zhuǎn)移到吸附的O2分子上,吸附在WO3(001)缺陷表面的O2分子被活化,形成了類似O2-的物種,該活性氧物種對(duì)于表面的催化氧化反應(yīng)起到了非常重要的作用.另外,O2與Wv的作用也引起吸附位附近其他原子的電子轉(zhuǎn)移以及W-O鍵長(zhǎng)的較大變化,詳見(jiàn)圖5 a.
圖5 O2分子在M1型WO3(001)缺陷表面的吸附構(gòu)型Fig. 5 Various adsorption structures of O2 on the M1-type WO3(001) defective surface
對(duì)于type 2構(gòu)型來(lái)說(shuō),即O2豎直吸附在缺失端氧的W原子處(圖5 b),該構(gòu)型與type 1的吸附位相同,只是吸附方式不同.而此吸附構(gòu)型中的O=O較自由分子僅有0.04 ?的變化,其吸附能為0.45 eV,比type 2構(gòu)型高出0.66 eV.由此可見(jiàn),O2更傾向于缺失了端氧的鎢原子成鍵,O2的兩個(gè)原子都與缺失端氧的W作用得到的吸附構(gòu)型更穩(wěn)定. 當(dāng)選取表層沒(méi)有缺失端氧的W5f作為吸附位時(shí),得到的吸附構(gòu)型type 3和type 4均不穩(wěn)定,吸附能為負(fù)值.對(duì)應(yīng)的優(yōu)化構(gòu)型中形成的W-O鍵長(zhǎng)也都大于2.0 ?(見(jiàn)圖5 c和圖5 d).
此外還考察了將O2放在兩個(gè)相鄰的五配位W原子之間的吸附情況,優(yōu)化得到的吸附能為0.378 eV.由圖5 e給出的鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)可以看出,未缺失端氧的W5f處W-O鍵長(zhǎng)為2.202 ?,而缺失端氧的Wv處W-O鍵長(zhǎng)為1.914 ?;且該原子下方對(duì)應(yīng)的W-O鍵長(zhǎng)變化較大,均大于0.15 ?,而W5f處的W-O鍵長(zhǎng)變化都小于0.05 ?.這表明O2更傾向于吸附在缺陷位置Wv.
綜合上述分析可知,暴露在空氣中的WO3(001)缺陷表面容易被空氣中的O2氧化,導(dǎo)致表面電導(dǎo)率的降低.此時(shí)體系的活性氧物種除了表面晶格氧(Ot)以外,還有新氧物種O2-的生成,而且這種活化的O2-可能在WO3表面催化氧化過(guò)程中比晶格氧(Ot)表現(xiàn)出更加優(yōu)越的氧化性能.
表1 O2在M1型WO3(001)缺陷表面吸附構(gòu)型的吸附能
Table 1 Adsorption energy of O2on the M1-type WO3(001) defective surface
吸附類型type1type2type3type4type5吸附能(eV)1.110.45-0.63-0.600.38
通過(guò)第一性原理計(jì)算結(jié)合周期性重復(fù)平板模型的方法對(duì)WO3(001)完整和缺陷表面的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)以及氧氣分子在這兩類表面上的吸附行為進(jìn)行了詳細(xì)研究.計(jì)算結(jié)果如下:
(1)考察了半數(shù)表面端氧原子(M1)和全部端氧原子(M2)缺失的WO3(001)缺陷表面,缺陷形成能的計(jì)算結(jié)果表明M1構(gòu)型較M2構(gòu)型更為穩(wěn)定.
(2)O2在WO3(001)完整表面的吸附為弱物理吸附,且吸附態(tài)的O2不易成為表面催化氧化反應(yīng)的活性物種.當(dāng)吸附質(zhì)在WO3完整表面上發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí),優(yōu)先與表面晶格氧Ot作用,費(fèi)米能級(jí)處出現(xiàn)缺陷態(tài),體系呈現(xiàn)金屬性,電導(dǎo)率增大.
(3)O2在WO3(001)缺陷表面的吸附傾向于與表面缺陷位的Wv成鍵,氧氣分子中的兩個(gè)O原子均與Wv作用,形成O2-活性氧物種,吸附表面被氧化,電導(dǎo)率降低.