An experimentally validated neural-network potential energy surface for H atoms on free-standing graphene in full dimensionality

We present a first principles-quality potential energy surface (PES) describing the inter-atomic forces for hydrogen atoms interacting with free-standing graphene. The PES is a high-dimensional neural network potential that has been parameterized to 75945 data points computed with density-functional theory employing the PBE-D2 functional. Improving over a previously published PES (Jiang et al., Science, 2019, 364, 379), this neural network exhibits a realistic physisorption well and achieves a 10-fold reduction in the RMS fitting error, which is 0.6 meV/atom. We used this PES to calculate about 1.5 million classical trajectories with carefully selected initial conditions to allow for direct comparison to results of H- and D-atom scattering experiments performed at incidence translational energy of 1.9 eV and a surface temperature of 300 K. The theoretically predicted scattering angular and energy loss distributions are in good agreement with experiment, despite the fact that the experiments employed graphene grown on Pt(111). The remaining discrepancies between experiment and theory are likely due to the influence of the Pt substrate only present in the experiment.Comment: submitted to PCCP, 8 figures, reference arXiv:2007.03372 adde

Imaging covalent bond formation by H atom scattering from graphene

Viewing the atomic-scale motion and energy dissipation pathways involved in forming a covalent bond is a longstanding challenge for chemistry. We performed scattering experiments of H atoms from graphene and observed a bimodal translational energy loss distribution. Using accurate first-principles dynamics simulations, we show that the quasi-elastic channel involves scattering through the physisorption well where collision sites are near the centers of the six-membered C-rings. The second channel results from transient C–H bond formation, where H atoms lose 1 to 2 electron volts of energy within a 10-femtosecond interaction time. This remarkably rapid form of intramolecular vibrational relaxation results from the C atom’s rehybridization during bond formation and is responsible for an unexpectedly high sticking probability of H on graphene

Hydrogen atom collisions with a semiconductor efficiently promote electrons to the conduction band

The Born-Oppenheimer approximation is the keystone of modern computational chemistry and there is wide interest in understanding under what conditions it remains valid. Hydrogen atom scattering from insulator, semi-metal and metal surfaces has helped provide such information. The approximation is adequate for insulators and for metals it fails, but not severely. Here we present hydrogen atom scattering from a semiconductor surface: Ge(111)c(2 × 8). Experiments show bimodal energy-loss distributions revealing two channels. Molecular dynamics trajectories within the Born-Oppenheimer approximation reproduce one channel quantitatively. The second channel transfers much more energy and is absent in simulations. It grows with hydrogen atom incidence energy and exhibits an energy-loss onset equal to the Ge surface bandgap. This leads us to conclude that hydrogen atom collisions at the surface of a semiconductor are capable of promoting electrons from the valence to the conduction band with high efficiency. Our current understanding fails to explain these observations. [Abstract copyright: © 2022. The Author(s).

Aufbau einer Düsenstrahlquelle zur Erzeugung von 3He- und großen 4He-Tröpfchen

Bünermann O. Aufbau einer Düsenstrahlquelle zur Erzeugung von 3He- und großen 4He-Tröpfchen. Bielefeld (Germany): Bielefeld University; 2003.Im Rahmen der vorgestellten Diplomarbeit wurde eine Düsenstrahlquelle zur Erzeugung von Helium-3-Tröpfchen konstruiert und getestet. Sie ermöglicht es, Temperaturen bis zu 8K zu erreichen. Somit können sowohl Helium-3-Tröpfchen, die eine Düsentemperatur von 11 - 13K benötigen, als auch sehr große Helium-4-Tröpfchen (N > 10^6) erzeugt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Einfluss der suprafluiden Helium-4-Tröpfchen auf angelagerte Fremdteilchen im Gegensatz zu dem der normalfluiden Helium-3-Tröpfchen zu untersuchen. Der erste Teil der Arbeit besteht in der Charakterisierung der neuen Quelle. Im Verhalten des Heliumflusses durch die Düse zeigt sich eine Abweichung von der Theorie bei sehr tiefen Düsentemperaturen, er nimmt nicht mehr proportional zu 1/T^(1/2) zu. Die Ursache dieser Abweichungen ist nicht verstanden. Als nächster Schritt wurde das bekannte Spektrum von mit Natrium dotierten Helium-4-Tröpfchen vermessen und die Tröpfchengrößenabhängigkeit diskutiert. Dabei wurde die Methode der Laserinduzierten Fluoreszenz verwendet. Des weiteren wurde gezeigt, dass mit der aufgebauten Clusterquelle Helium-3-Tröpfchen erzeugt werden können. Ein Spektrum von mit Na dotierten Helium-3-Tröpfchen wurde aufgenommen und mit dem entsprechenden Helium-4-Spektrum verglichen. Sie zeigen starke Ähnlichkeiten, wie es im Wesentlichen durch die Rechnungen von M. Pi et al. vorhergesagt wurde [Physical Review Letters, Surface location of sodium atoms attached to ^3He nanodroplets, eingereicht]. Daraus folgt, dass Helium-3-Tröpfchen mit einer ähnlichen Effizienz wie die Helium-4-Tröpfchen mit Alkaliatomen dotiert werden können, und dass sich die Alkaliatome auf Helium-3-Tröpfchen ähnlich wie auf Helium-4-Tröpfchen verhalten. Sie sind auf der Oberfläche gebunden und es bilden sich Exziplexe bei elektronischer Anregung. Das Maximum der Absorption ist im Fall von Helium-3 leicht zu höheren Energien verschoben. Die niederenergetische Stufe, die sich im Spektrum des Natrium-dotierten Helium-4-Tröpfchens findet, ist im Spektrum von mit Natrium dotierten Helium-3-Tröpfchen nicht vorhanden. Dies verstärkt die Vermutung, dass sie im Fall von Helium-4 aus einem Zustand resultiert, der mit der suprafluiden Eigenschaft der Helium-4-Tröpfchen zusammenhängt. Abschließend werden am Max-Born-Institut in Berlin durchgeführte Messungen vorgestellt, die zeigen, dass es möglich ist, Femtosekunden-Pump-Probe-Messungen von Alkali-dotierten 3He-Tröpfchen durchzuführen. Obwohl die Helium-3-Tröpfchen im Gegensatz zu den Helium-4-Tröpfchen normalfluid sind, zeigen sich bei der Untersuchung der Oberflächendynamik sowie in der Bildung von Exziplexen nur geringe Unterschiede