Detailed density functional theory calculations have been performed to investigate the adsorption and diffusion of the Rh and Au adatom on the graphene moiré superstructure on Ru(0001). The adsorption energies of each adatom in all of the non-equivalent C-top and C6 ring center sites on the graphene moiré have been calculated. The resulting potential energy surfaces encompass the entire graphene moiré unit cell and shows that the adsorption of both Rh1 and Au1 is most stable in the fcc region on the graphene moiré. The minimum-energy diffusion path between adjacent moiré cells is identified to run mostly directly between the fcc and hcp regions for Au1, but deviates toward the mound region for Rh1. The global diffusion barrier is estimated to be 0.53 eV for Rh1 and 0.71 eV for Au1, corresponding to a hopping rate between adjacent moiré cells of ∼103 s−1 and ∼1 s−1 at 298 K, respectively. The consequences of different hopping rates to cluster nucleation have been explored by performing Monte Carlo-based statistical analysis, which suggests that diffusing species other than adatoms need to be taken into account to develop an accurate description of cluster nucleation and growth on this surface.
REFERENCES
1.
J. D.
Aiken
and R. G.
Finke
, J. Mol. Catal. A: Chem.
145
, 1
(1999
).2.
J. P.
Wilcoxon
and B. L.
Abrams
, Chem. Soc. Rev.
35
, 1162
(2006
).3.
C.
Becker
and K.
Wandelt
, Top. Curr. Chem.
287
, 45
(2009
).4.
A.
Buchsbaum
, M.
De Santis
, H. C. N.
Tolentino
, M.
Schmid
, and P.
Varga
, Phys. Rev. B
81
, 115420
(2010
).5.
A.
Uhl
, Y.
Lei
, H.
Khosravian
, C.
Becker
, K.
Wandelt
, R. D.
Adams
, M.
Trenary
, and R. J.
Meyer
, J. Phys. Chem. C
114
, 17062
(2010
).6.
N.
Nilius
, E. D. L.
Rienks
, H. P.
Rust
, and H. J.
Freund
, Phys. Rev. Lett.
95
, 066101
(2005
).7.
I.
Brihuega
, C. H.
Michaelis
, J.
Zhang
, S.
Bose
, V.
Sessi
, J.
Honolka
, M. A.
Schneider
, A.
Enders
, and K.
Kern
, Surf. Sci.
602
, L95
(2008
).8.
J.-L.
Li
, J.-F.
Jia
, X.-J.
Liang
, X.
Liu
, J.-Z.
Wang
, Q.-K.
Xue
, Z.-Q.
Li
, J. S.
Tse
, Z.
Zhang
, and S. B.
Zhang
, Phys. Rev. Lett.
88
, 066101
(2002
).9.
M.
Fonin
, Y. S.
Dedkov
, U.
Rudiger
, and G.
Guntherodt
, Surf. Sci.
529
, L275
(2003
).10.
J. V.
Lauritsen
, J.
Kibsgaard
, S.
Helveg
, H.
Topsoe
, B. S.
Clausen
, E.
Laegsgaard
, and F.
Besenbacher
, Nat. Nanotechnol.
2
, 53
(2007
).11.
A. T.
N’Diaye
, S.
Bleikamp
, P. J.
Feibelman
, and T.
Michely
, Phys. Rev. Lett.
97
, 215501
(2006
).12.
A. T.
N’Diaye
, T.
Gerber
, C.
Busse
, J.
Myslivecek
, J.
Coraux
, and T.
Michely
, New J. Phys.
11
, 103045
(2009
).13.
A. K.
Engstfeld
, S.
Beckord
, C. D.
Lorenz
, and R. J.
Behm
, ChemPhysChem
13
, 3313
(2012
).14.
B. F.
Habenicht
, Y.
Xu
, and L.
Liu
, in Graphene Chemistry: Theoretical Perspectives
, edited by Z.
Chen
and D.
Jiang
(Wiley
, 2013
).15.
J.
Wintterlin
and M. L.
Bocquet
, Surf. Sci.
603
, 1841
(2009
).16.
D.
Eom
, D.
Prezzi
, K. T.
Rim
, H.
Zhou
, M.
Lefenfeld
, S.
Xiao
, C.
Nuckolls
, M. S.
Hybertsen
, T. F.
Heinz
, and G. W.
Flynn
, Nano Lett.
9
, 2844
(2009
).17.
M.
Weser
, Y.
Rehder
, K.
Horn
, M.
Sicot
, M.
Fonin
, A. B.
Preobrajenski
, E. N.
Voloshina
, E.
Goering
, and Y. S.
Dedkov
, Appl. Phys. Lett.
96
, 012504
(2010
).18.
X.
Chen
, S.
Liu
, L.
Liu
, X.
Liu
, X.
Liu
, and L.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
100
, 163106
(2012
).19.
W.
Kim
, K.
Yoo
, E. K.
Seo
, S. J.
Kim
, and C.
Hwang
, J. Korean Phys. Soc.
59
, 71
(2011
).20.
M.-C.
Wu
, Q.
Xu
, and D. W.
Goodman
, J. Phys. Chem.
98
, 5104
(1994
).21.
Y.
Pan
, H. G.
Zhang
, D. X.
Shi
, J. T.
Sun
, S. X.
Du
, F.
Liu
, and H. J.
Gao
, Adv. Mater.
21
, 2777
(2009
).22.
W.
Moritz
, B.
Wang
, M. L.
Bocquet
, T.
Brugger
, T.
Greber
, J.
Wintterlin
, and S.
Gunther
, Phys. Rev. Lett.
104
, 136102
(2010
).23.
Z.
Zhou
, F.
Gao
, and D. W.
Goodman
, Surf. Sci.
604
, L31
(2010
).24.
M.
Sicot
, S.
Bouvron
, O.
Zander
, U.
Rudiger
, Y. S.
Dedkov
, and M.
Fonin
, Appl. Phys. Lett.
96
, 093115
(2010
).25.
J.
Coraux
, A. T.
N’Diaye
, C.
Busse
, and T.
Michely
, Nano Lett.
8
, 565
(2008
).26.
J.
Coraux
, A. T.
N’Diaye
, M.
Engler
, C.
Busse
, D.
Wall
, N.
Buckanie
, F.
Heringdorf
, R.
van Gastei
, B.
Poelsema
, and T.
Michely
, New J. Phys.
11
, 023006
(2009
).27.
A. T.
N’Diaye
, J.
Coraux
, T. N.
Plasa
, C.
Busse
, and T.
Michely
, New J. Phys.
10
, 043033
(2008
).28.
J.-H.
Gao
, N.
Ishida
, I.
Scott
, and D.
Fujita
, Carbon
50
, 1674
(2012
).29.
S.-Y.
Kwon
, C. V.
Ciobanu
, V.
Petrova
, V. B.
Shenoy
, J.
Bareño
, V.
Gambin
, I.
Petrov
, and S.
Kodambaka
, Nano Lett.
9
, 3985
(2009
).30.
T. A.
Land
, T.
Michely
, R. J.
Behm
, J. C.
Hemminger
, and G.
Comsa
, Surf. Sci.
264
, 261
(1992
).31.
D. E.
Starr
, E. M.
Pazhetnov
, A. I.
Stadnichenko
, A. I.
Boronin
, and S. K.
Shaikhutdinov
, Surf. Sci.
600
, 2688
(2006
).32.
Z.
Liang
, H.
Khosravian
, A.
Uhl
, R. J.
Meyer
, and M.
Trenary
, Surf. Sci.
606
, 1643
(2012
).33.
L.
Huang
, Y.
Pan
, L.
Pan
, M.
Gao
, W.
Xu
, Y.
Que
, H.
Zhou
, Y.
Wang
, S.
Du
, and H. J.
Gao
, Appl. Phys. Lett.
99
, 163107
(2011
).34.
Z.
Zhou
, B. F.
Habenicht
, Q.
Guo
, Z.
Yan
, Y.
Xu
, L.
Liu
, and D. W.
Goodman
, Surf. Sci.
611
, 67
(2013
).35.
S.
Marchini
, S.
Gunther
, and J.
Wintterlin
, Phys. Rev. B
76
, 075429
(2007
).36.
D.
Martoccia
, P. R.
Willmott
, T.
Brugger
, M.
Bjorck
, S.
Gunther
, C. M.
Schleputz
, A.
Cervellino
, S. A.
Pauli
, B. D.
Patterson
, S.
Marchini
, J.
Wintterlin
, W.
Moritz
, and T.
Greber
, Phys. Rev. Lett.
101
, 126102
(2008
).37.
D.
Martoccia
, M.
Bjorck
, C. M.
Schleputz
, T.
Brugger
, S. A.
Pauli
, B. D.
Patterson
, T.
Greber
, and P. R.
Willmott
, New J. Phys.
12
, 043028
(2010
).38.
H.
Zhang
, Q.
Fu
, Y.
Cui
, D. L.
Tan
, and X. H.
Bao
, J. Phys. Chem. C
113
, 8296
(2009
).39.
B.
Borca
, F.
Calleja
, J. J.
Hinarejos
, A. L. V.
de Parga
, and R.
Miranda
, J. Phys.: Condens. Matter
21
, 134002
(2009
).40.
Y.
Pan
, M.
Gao
, L.
Huang
, F.
Liu
, and H. J.
Gao
, Appl. Phys. Lett.
95
, 093106
(2009
).41.
K.
Donner
and P.
Jakob
, J. Chem. Phys.
131
, 164701
(2009
).42.
E.
Sutter
, P.
Albrecht
, B.
Wang
, M. L.
Bocquet
, L. J.
Wu
, Y. M.
Zhu
, and P.
Sutter
, Surf. Sci.
605
, 1676
(2011
).43.
L.
Liu
, Z.
Zhou
, Q.
Guo
, Z.
Yan
, Y.
Yao
, and D. W.
Goodman
, Surf. Sci.
605
, L47
(2011
).44.
Y.
Xu
, L.
Semidey-Flecha
, L.
Liu
, Z.
Zhou
, and D. W.
Goodman
, Faraday Discuss.
152
, 267
(2011
).45.
M.
Gyamfi
, T.
Eelbo
, M.
Wasniowska
, and R.
Wiesendanger
, Phys. Rev. B
84
, 113403
(2011
).46.
A. F.
Voter
, Phys. Rev. B
34
, 6819
(1986
).47.
D. S.
Sholl
and R. T.
Skodje
, Phys. Rev. Lett.
75
, 3158
(1995
).48.
B.
Wang
, S.
Gunther
, J.
Wintterlin
, and M. L.
Bocquet
, New J. Phys.
12
, 043041
(2010
).49.
O. V.
Yazyev
and A.
Pasquarello
, Phys. Rev. B
82
, 045407
(2010
).50.
G.
Kresse
and J.
Hafner
, Phys. Rev. B
49
, 14251
(1994
).51.
G.
Kresse
and J.
Furthmuller
, Comput. Mater. Sci.
6
, 15
(1996
).52.
G.
Kresse
and J.
Furthmuller
, Phys. Rev. B
54
, 11169
(1996
).53.
J. J.
Perdew
, K.
Burke
, and M.
Ernzerhof
, Phys. Rev. Lett.
77
, 3865
(1996
).54.
P. E.
Blochl
, Phys. Rev. B
50
, 17953
(1994
).55.
G.
Kresse
and J.
Joubert
, Phys. Rev. B
59
, 1758
(1999
).56.
M.
Methfessel
and A. T.
Paxton
, Phys. Rev. B
40
, 3616
(1989
).57.
B.
Wang
, M. L.
Bocquet
, S.
Marchini
, S.
Gunther
, and J.
Wintterlin
, Phys. Chem. Chem. Phys.
10
, 3530
(2008
).58.
D. E.
Jiang
, M. H.
Du
, and S.
Dai
, J. Chem. Phys.
130
, 074705
(2009
).59.
K. T.
Chan
, J. B.
Neaton
, and M. L.
Cohen
, Phys. Rev. B
77
, 235430
(2008
).60.
L. B.
Hu
, X. R.
Hu
, X. B.
Wu
, C. L.
Du
, Y. C.
Dai
, and J. B.
Deng
, Physica B
405
, 3337
(2010
).61.
A. L.
Vázquez de Parga
, F.
Calleja
, B.
Borca
, M. C. G.
Passeggi
, J. J.
Hinarejos
, F.
Guinea
, and R.
Miranda
, Phys. Rev. Lett.
100
, 056807
(2008
).62.
B.
Borca
, S.
Barja
, M.
Garnica
, M.
Minniti
, A.
Politano
, J. M.
Rodriguez-Garcia
, J. J.
Hinarejos
, D.
Farias
, A. L. V.
de Parga
, and R.
Miranda
, New J. Phys.
12
, 093018
(2010
).63.
Y.
Pan
, D. X.
Shi
, and H. J.
Gao
, Chin. Phys.
16
, 3151
(2007
).64.
J.
Neugebauer
and M.
Scheffler
, Phys. Rev. B
46
, 16067
(1992
).65.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4803893 for the results of the convergence tests and the adsorption energies (ΔE) of Rh1 and Au1 in all the C-top and C6 ring center sites in the symmetry-irreducible zone of the graphene moiré unit cell on Ru(0001).
66.
G.
Henkelman
, B. P.
Uberuaga
, and H.
Jónsson
, J. Chem. Phys.
113
, 9901
(2000
).67.
R. F. W.
Bader
, Atoms in Molecules: A Quantum Theory
(Oxford University Press
, Oxford
, 1990
).68.
T. A.
Manz
and D. S.
Sholl
, J. Chem. Theory Comput.
6
, 2455
(2010
).69.
T. A.
Manz
and D. S.
Sholl
, J. Chem. Theory Comput.
8
, 2844
(2012
).70.
G.
Henkelman
, A.
Arnaldsson
, and H.
Jónsson
, Comput. Mater. Sci.
36
, 354
(2006
).71.
W.
Tang
, E.
Sanville
, and G.
Henkelman
, J. Phys.: Condens. Matter
21
, 084204
(2009
).72.
D.
Stradi
, S.
Barja
, C.
Díaz
, M.
Garnica
, B.
Borca
, J. J.
Hinarejos
, D.
Sánchez-Portal
, M.
Alcamí
, A.
Arnau
, A. L.
Vázquez de Parga
, R.
Miranda
, and F.
Martín
, Phys. Rev. Lett.
106
, 186102
(2011
).73.
J.
Klimeš
, D. R.
Bowler
, and A.
Michaelides
, Phys. Rev. B
83
, 195131
(2011
).74.
B.
Wang
, B.
Yoon
, M.
König
, Y.
Fukamori
, F.
Esch
, U.
Heiz
, and U.
Landman
, Nano Lett.
12
, 5907
(2012
).75.
E. N.
Voloshina
, Y. S.
Dedkov
, S.
Torbrugge
, A.
Thissen
, and M.
Fonin
, Appl. Phys. Lett.
100
, 241606
(2012
).76.
E. N.
Voloshina
, E.
Fertitta
, A.
Garhofer
, F.
Mittendorfer
, M.
Fonin
, A.
Thissen
, and Y. S.
Dedkov
, Sci. Rep.
3
, 1072
(2013
).77.
T.
Brugger
, S.
Gunther
, B.
Wang
, J. H.
Dil
, M. L.
Bocquet
, J.
Osterwalder
, J.
Wintterlin
, and T.
Greber
, Phys. Rev. B
79
, 045407
(2009
).78.
P. J.
Feibelman
, Phys. Rev. B
80
, 085412
(2009
).79.
D.
Teng
and D. S.
Sholl
“Adsorption and diffusion of Rh and Au dimers and trimers on graphene/Ru(0001)
,” Surf. Sci. (submitted).80.
J. V.
Barth
, Surf. Sci. Rep.
40
, 75
(2000
).81.
A. U.
Nilekar
, J.
Greeley
, and M.
Mavrikakis
, Angew. Chem., Int. Ed.
45
, 7046
(2006
).82.
L.
Xu
, G.
Henkelman
, C. T.
Campbell
, and H.
Jonsson
, Phys. Rev. Lett.
95
, 146103
(2005
).83.
L.
Xu
, G.
Henkelman
, C. T.
Campbell
, and H.
Jonsson
, Surf. Sci.
600
, 1351
(2006
).84.
L.
Xu
and G.
Henkelman
, Phys. Rev. B
82
, 115407
(2010
).85.
L.
Xu
and G.
Henkelman
, Phys. Rev. B
77
, 205404
(2008
).86.
A. W.
Signor
and J. H.
Weaver
, Phys. Rev. B
84
, 165441
(2011
).© 2013 AIP Publishing LLC.
2013
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
