The chemisorption of hydrogen on graphene or graphite is studied within a quantum formalism involving a subsystem coupled to a phonon bath. The subsystem includes the hydrogen atom approaching the surface perpendicularly right on top of a carbon atom which puckers out of the surface. The bath includes the acoustic and optical phonon modes vibrating perpendicularly to the surface. Couplings between subsystem and bath are obtained with a periodic density functional theory calculation. Trapping probabilities are obtained as a function of the hydrogen atom kinetic energy. These results are discussed in the light of the experimental hydrogenation studies performed on graphite by Zecho et al. [J. Chem. Phys.117, 8486 (2002)] and on graphene by Haberer et al. [Adv. Mater.23, 4497 (2011)].

1.
J.
Roth
,
E.
Vietzke
, and
A. A.
Haasz
,
Suppl. to Nucl. Fusion
1
,
63
(
1991
).
2.
J.
Roth
,
E.
Tsitrone
, and
A.
Loarte
,
J. Phys.: Conf. Ser.
100
,
062003
(
2008
).
3.
R. J.
Gould
and
E. E.
Salpeter
,
Astrophys. J.
138
,
393
(
1963
).
4.
V.
LePage
,
T. P.
Snow
, and
V. M.
Bierbaum
,
Astrophys. J.
704
,
274
(
2009
).
5.
6.
7.
S.
Ryu
,
M. Y.
Han
,
J.
Maultzsch
,
T. F.
Heinz
,
P.
Kim
,
M. L.
Steigerwald
, and
L. E.
Brus
,
Nano Lett.
8
,
4597
(
2008
).
8.
D. C.
Elias
,
R. R.
Nair
,
T. M. G.
Mohiuddin
,
S. V.
Morozov
,
P.
Blake
,
M. P.
Halsall
,
A. C.
Ferrari
,
D. W.
Boukhvalov
,
M. I.
Katsnelson
,
A. K.
Geim
 et al.,
Science
323
,
610
(
2009
).
9.
J. E.
Johns
and
M. C.
Hersam
,
Acc. Chem. Res.
46
,
77
86
(
2013
).
10.
F.
Karlický
,
K. K. R.
Datta
,
M.
Otyepka
, and
R.
Zbořil
,
ACS Nano
7
,
6434
(
2013
).
11.
B.
Lassagne
and
A.
Bachtold
,
C. R. Phys. (2010)
11
,
355
(
2010
).
12.
E.
Ghio
,
L.
Mattera
,
C.
Salvo
,
F.
Tommasini
, and
U.
Valbusa
,
J. Chem. Phys.
73
,
556
(
1980
).
13.
M.
Bonfanti
,
R.
Martinazzo
,
G. F.
Tantardini
, and
A.
Ponti
,
J. Phys. Chem. C
111
,
5825
(
2007
).
14.
V.
Buch
,
J. Chem. Phys.
91
,
4974
(
1989
).
15.
Z.
Medina
and
B.
Jackson
,
J. Chem. Phys.
125
,
224703
(
2006
).
16.
B.
Lepetit
,
D.
Lemoine
,
Z.
Medina
, and
B.
Jackson
,
J. Chem. Phys.
134
,
114705
(
2011
).
17.
B.
Lepetit
and
B.
Jackson
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
236102
(
2011
).
18.
L.
Jeloaica
and
V.
Sidis
,
Chem. Phys. Lett.
300
,
157
(
1999
).
19.
X.
Sha
and
B.
Jackson
,
Surf. Sci.
496
,
318
(
2002
).
20.
T.
Zecho
,
A.
Güttler
,
X.
Sha
,
B.
Jackson
, and
J.
Küppers
,
J. Chem. Phys.
117
,
8486
(
2002
).
21.
D.
Haberer
,
C. E.
Giusca
,
Y.
Wang
,
H.
Sachdev
,
A. V.
Fedorov
,
M.
Farjam
,
S. A.
Jafari
,
D. V.
Vyalikh
,
D.
Usachov
,
X.
Liu
 et al.,
Adv. Mater.
23
,
4497
(
2011
).
22.
A.
Paris
,
N.
Verbitskiy
,
A.
Nefedov
,
Y.
Wang
,
A.
Fedorov
,
D.
Haberer
,
M.
Oehzelt
,
L.
Petaccia
,
D.
Usachov
,
D.
Vyalikh
 et al.,
Adv. Funct. Mater.
23
,
1628
(
2013
).
23.
X.
Sha
,
B.
Jackson
,
D.
Lemoine
, and
B.
Lepetit
,
J. Chem. Phys.
122
,
014709
(
2005
).
24.
S.
Morisset
and
A.
Allouche
,
J. Chem. Phys.
129
,
024509
(
2008
).
25.
S.
Morisset
,
Y.
Ferro
, and
A.
Allouche
,
Chem. Phys. Lett.
477
,
225
(
2009
).
26.
J.
Kerwin
,
X.
Sha
, and
B.
Jackson
,
J. Phys. Chem. B
110
,
18811
(
2006
).
27.
S.
Morisset
,
Y.
Ferro
, and
A.
Allouche
,
J. Chem. Phys.
133
,
044508
(
2010
).
28.
S.
Garashchuk
,
J.
Jakowski
,
L.
Wang
, and
B. G.
Sumpter
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
5221
(
2013
).
29.
M. D.
Stiles
,
J. W.
Wilkins
, and
M.
Persson
,
Phys. Rev. B
34
,
4490
(
1986
).
30.
B.
Jackson
,
J. Chem. Phys.
97
,
6792
(
1992
).
31.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1396
(
1997
).
32.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
33.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
34.
T.
Aizawa
,
R.
Souda
,
S.
Otani
,
Y.
Ishizawa
, and
C.
Oshima
,
Phys. Rev. B
42
,
11469
(
1990
).
35.
L.
Wirtz
and
A.
Rubio
,
Solid State Commun.
131
,
141
(
2004
).
36.
R.
Peierls
,
Ann. I.H.P.: Phys. Theor.
5
,
177
(
1935
).
37.
J. C.
Meyer
,
A. K.
Geim
,
M. I.
Katsnelson
,
K. S.
Novoselov
,
T. J.
Booth
, and
S.
Roth
,
Nature (London)
446
,
60
(
2007
).
38.
J. H.
Seol
,
I.
Jo
,
A. L.
Moore
,
L.
Lindsay
,
Z. H.
Aitken
,
M. T.
Pettes
,
X.
Li
,
Z.
Yao
,
R.
Huang
,
D.
Broido
 et al.,
Science
328
,
213
(
2010
).
39.
M.
Ishigami
,
J. H.
Chen
,
W. G.
Cullen
,
M. S.
Fuhrer
, and
E. D.
Williams
,
Nano Lett.
7
,
1643
(
2007
).
40.
X.
Sha
,
B.
Jackson
, and
D.
Lemoine
,
J. Chem. Phys.
116
,
7158
(
2002
).
41.
Y.
Ferro
,
F.
Marinelli
, and
A.
Allouche
,
J. Chem. Phys.
116
,
8124
(
2002
).
42.
Y.
Ferro
,
F.
Marinelli
, and
A.
Allouche
,
Chem. Phys. Lett.
368
,
609
(
2003
).
43.
E. J.
Duplock
,
M.
Scheffler
, and
P. J. D.
Lindan
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
225502
(
2004
).
44.
P. O.
Lehtinen
,
A. S.
Foster
,
Y.
Ma
,
A. V.
Krasheninnikov
, and
R. M.
Nieminen
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
187202
(
2004
).
45.
L.
Hornekær
,
E.
Rauls
,
W.
Xu
,
Z.
Sljivancanin
,
R.
Otero
,
I.
Stensgaard
,
E.
Lægsgaard
,
B.
Hammer
, and
F.
Besenbacher
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
186102
(
2006
).
46.
L.
Chen
,
A. C.
Cooper
,
G. P.
Pez
, and
H.
Cheng
,
J. Phys. Chem. C
111
,
18995
(
2007
).
47.
T.
Roman
,
W. A.
Diño
,
H.
Nakanishi
,
H.
Kasai
,
T.
Sugimoto
, and
K.
Tange
,
Carbon
45
,
218
(
2007
).
48.
J.
Kervin
and
B.
Jackson
,
J. Chem. Phys.
128
,
084702
(
2008
).
49.
E.
Rauls
and
L.
Hornekær
,
Astrophys. J.
679
,
531
(
2008
).
50.
S.
Casolo
,
O. M.
Løvvik
,
R.
Martinazzo
, and
G. F.
Tantardini
,
J. Chem. Phys.
130
,
054704
(
2009
).
51.
G. M.
Psofogiannakis
and
G. E.
Froudakis
,
J. Phys. Chem. C
113
,
14908
(
2009
).
52.
D.
Bachellerie
,
M.
Sizun
,
F.
Aguillon
,
D.
Teillet-Billy
,
N.
Rougeau
, and
V.
Sidis
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
2715
(
2009
).
53.
V.
Ivanovskaya
,
A.
Zobelli
,
D.
Teillet-Billy
,
N.
Rougeau
,
V.
Sidis
, and
P.
Briddon
,
Eur. Phys. J. B
76
,
481
(
2010
).
54.
N.
Rougeau
,
D.
Teillet-Billy
, and
V.
Sidis
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
17579
(
2011
).
55.
Y.
Wang
,
H. J.
Qian
,
K.
Morokuma
, and
S.
Irle
,
J. Phys. Chem. A
116
,
7154
(
2012
).
56.
R. K.
Wangness
and
F.
Bloch
,
Phys. Rev.
89
,
728
(
1953
).
57.
A. G.
Redfield
,
IBM J. Res. Dev.
1
,
19
(
1957
).
58.
59.
B.
Jackson
,
Chem. Phys. Lett.
270
,
484
(
1997
).
60.
B.
Jackson
,
J. Chem. Phys.
108
,
1131
(
1998
).
61.
Z.
Medina
and
B.
Jackson
,
J. Chem. Phys.
128
,
114704
(
2008
).
You do not currently have access to this content.