Density functional theory study on surface potential inhomogeneity of gold surfaces and its relationship with patch potentials

金属表面的晶面取向、晶界终止、吸附物和结构缺陷可引起局域功函数差异. 当这些异质区域在实际表面共存并具有有限空间尺度时, 可能形成Patch电势以及非均匀杂散电场. 本研究采用密度泛函理论(density functional theory, DFT), 分别考察Au(100), Au(110)和Au(111)低指数表面, 以及表面处晶界、H、O、O2和OH·吸附物与表面空位对Au局域静电势和功函数的影响. 结果表明, 洁净Au(111)表面因其较高的原子面密度而具有3种低指数表面中最小的功函数变化; 相对于Au(111), Au(110)具有较低的表面原子面密度和较明显的结构弛豫, 其表面电势对局域结构更为敏感. 晶界附近与晶粒内部区域之间存在明显的静电势差. 吸附诱导的功函数变化不能由Bader净电荷转移量单独解释, 还受到吸附偶极和表面结构弛豫的共同影响. 表面空位也会改变缺陷及其邻近区域的电子密度和局域电势. 本文计算的是理想化局域结构的原子尺度电势响应, 结果可用于识别Au表面Patch电势的潜在微观来源; 实际Patch电势的空间谱及其静电力仍需结合斑块尺寸、空间分布、电极间距和真实表面状态开展多尺度研究.