The role of the support in tuning the properties of transition metal (TM) atoms is studied by means of density functional theory calculations. We have considered the adsorption of Cu, Ag, Au, Ni, Pd, and Pt atoms on crystalline silica bilayers, either free-standing or supported on Ru(0001) and Pt(111) metal surfaces. These systems have been compared with an hydroxylated SiO2/Si(100) film simulating the native oxide formed on a silicon wafer. The properties of the TM atoms change significantly on the various supports. While the unsupported silica bilayer weakly binds some of the TM atoms studied, the SiO2/Ru(0001) or SiO2/Pt(111) supports exhibit enhanced reactivity, sometimes resulting in a net electron transfer with the formation of charged species. Differences in the behavior of SiO2/Ru(0001) and SiO2/Pt(111) are rationalized in terms of different work functions and metal/oxide interfacial distances. No electron transfer is observed on the SiO2/Si(100) films. Here, the presence of hydroxyl groups on the surface provides relatively strong binding sites for the TM atoms that can be stabilized by the interaction with one or two OH groups. The final aspect that has been investigated is the porosity of the silica bilayer, at variance with the dense SiO2/Si(100) film. Depending on the atomic size, some TM atoms can penetrate spontaneously through the six-membered silica rings and become stabilized in the pores of the bilayer or at the SiO2/metal interface. This study shows how very different chemical properties can be obtained by depositing the same TM atom on different silica supports.

1.
Y.
Watanabe
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
15
,
063501
(
2014
).
2.
S.
Schauermann
,
N.
Nilius
,
S.
Shaikhutdinov
, and
H.-J.
Freund
,
Acc. Chem. Res.
46
,
1673
(
2013
).
3.
E. C.
Tyo
and
S.
Vajda
,
Nat. Nanotech.
10
,
577
(
2015
).
4.
H.-J.
Freund
,
N.
Nilius
,
T.
Risse
, and
S.
Schauermann
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
8148
(
2014
).
5.
E.
Fernández
and
M.
Boronat
,
J. Phys.: Condens. Matter
31
,
013002
(
2019
).
6.
L.
Liu
and
A.
Corma
,
Trends Chem.
2
,
383
(
2020
).
7.
A.
Wang
,
J.
Li
, and
T.
Zhang
,
Nat. Rev. Chem.
2
,
65
(
2018
).
8.
H.
Zhang
,
G.
Liu
,
L.
Shi
, and
J.
Ye
,
Adv. Energy Mater.
8
,
1701343
(
2018
).
9.
G.
Pacchioni
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
1737
(
2013
).
10.
K.
Liu
,
X.
Zhao
,
G.
Ren
,
T.
Yang
,
Y.
Ren
,
A. F.
Lee
,
Y.
Su
,
X.
Pan
,
J.
Zhang
,
Z.
Chen
,
J.
Yang
,
X.
Liu
,
T.
Zhou
,
W.
Xi
,
J.
Luo
,
C.
Zeng
,
H.
Matsumoto
,
W.
Liu
,
Q.
Jiang
,
K.
Wilson
,
A.
Wang
,
B.
Qiao
,
W.
Li
, and
T.
Zhang
,
Nat. Commun.
11
,
1263
(
2020
).
11.
J.
Li
,
Q.
Guan
,
H.
Wu
,
W.
Liu
,
Y.
Lin
,
Z.
Sun
,
X.
Ye
,
X.
Zheng
,
H.
Pan
,
J.
Zhu
,
S.
Chen
,
W.
Zhang
,
S.
Wei
, and
J.
Lu
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
14515
(
2019
).
12.
L.
DeRita
,
J.
Resasco
,
S.
Dai
,
A.
Boubnov
,
H. V.
Thang
,
A. S.
Hoffman
,
I.
Ro
,
G. W.
Graham
,
S. R.
Bare
,
G.
Pacchioni
,
X.
Pan
, and
P.
Christopher
,
Nat. Mater.
18
,
746
(
2019
).
13.
A.
Sápi
,
D. G.
Dobó
,
D.
Sebők
,
G.
Halasi
,
K. L.
Juhász
,
Á.
Szamosvölgyi
,
P.
Pusztai
,
E.
Varga
,
I.
Kálomista
,
G.
Galbács
,
Á.
Kukovecz
, and
Z.
Kónya
,
J. Phys. Chem. C
121
,
5130
(
2017
).
14.
G.
Pacchioni
and
H.-J.
Freund
,
Chem. Soc. Rev.
47
,
8474
(
2018
).
15.
H.-J.
Freund
and
G.
Pacchioni
,
Chem. Soc. Rev.
37
,
2224
(
2008
).
16.
G.
Pacchioni
and
H.
Freund
,
Chem. Rev.
113
,
4035
4072
(
2013
).
17.
G.
Pacchioni
,
L.
Giordano
, and
M.
Baistrocchi
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
226104
(
2005
).
18.
L.
Giordano
and
G.
Pacchioni
,
Acc. Chem. Res.
44
,
1244
(
2011
).
19.
M.
Hollerer
,
D.
Lüftner
,
P.
Hurdax
,
T.
Ules
,
S.
Soubatch
,
F. S.
Tautz
,
G.
Koller
,
P.
Puschnig
,
M.
Sterrer
, and
M. G.
Ramsey
,
ACS Nano
11
,
6252
(
2017
).
20.
H. V.
Thang
,
S.
Tosoni
, and
G.
Pacchioni
,
ACS Catal.
8
,
4110
(
2018
).
21.
S.
Shaikhutdinov
and
H.-J.
Freund
,
J. Phys.: Condens. Matter
27
,
443001
(
2015
).
22.
J.
Weissenrieder
,
S.
Kaya
,
J. L.
Lu
,
H. J.
Gao
,
S.
Shaikhutdinov
,
H.-J.
Freund
,
M.
Sierka
,
T. K.
Todorova
, and
J.
Sauer
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
076103
(
2005
).
23.
A. L.
Lewandowski
,
S.
Tosoni
,
L.
Gura
,
Z.
Yang
,
A.
Fuhrich
,
M. J.
Prieto
,
T.
Schmidt
,
D.
Usvyat
,
W. D.
Schneider
,
M.
Heyde
,
G.
Pacchioni
, and
H. J.
Freund
,
Chem. A - Eur. J.
27
,
1870
(
2020
).
24.
J. A.
Boscoboinik
,
X.
Yu
,
B.
Yang
,
F. D.
Fischer
,
R.
Włodarczyk
,
M.
Sierka
,
S.
Shaikhutdinov
,
J.
Sauer
, and
H.-J.
Freund
,
Angew. Chem., Int. Ed.
51
,
6005
(
2012
).
25.
M.
Morita
,
T.
Ohmi
,
E.
Hasegawa
,
M.
Kawakami
, and
M.
Ohwada
,
J. Appl. Phys.
68
,
1272
(
1990
).
26.
B. K.
Min
,
A. K.
Santra
, and
D. W.
Goodman
,
Catal. Today
85
,
113
(
2003
).
27.
R.
Włodarczyk
,
M.
Sierka
,
J.
Sauer
,
D.
Löffler
,
J. J.
Uhlrich
,
X.
Yu
,
B.
Yang
,
I. M. N.
Groot
,
S.
Shaikhutdinov
, and
H.-J.
Freund
,
Phys. Rev. B
85
,
085403
(
2012
).
28.
X.
Yu
,
B.
Yang
,
J.
Anibal Boscoboinik
,
S.
Shaikhutdinov
, and
H.-J.
Freund
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
151608
(
2012
).
29.
A. S.
Crampton
,
C. J.
Ridge
,
M. D.
Rötzer
,
G.
Zwaschka
,
T.
Braun
,
V. D.
Elia
,
J. M.
Braun
,
F. F.
Schweinberger
,
S.
Gunther
, and
U.
Heiz
,
J. Phys. Chem. C
119
(
24
),
13665
13669
(
2015
).
30.
H.
Fukuda
,
M.
Yasuda
, and
T.
Iwabuchi
,
Appl. Phys. Lett.
61
,
693
(
1992
).
31.
E.
Gross
,
E.
Sorek
,
A.
Murugadoss
, and
M.
Asscher
,
Langmuir
29
,
6025
(
2013
).
32.
E.
Sorek
,
J.
Ankri
,
G.
Arbiv
,
R.
Mol
,
I.
Popov
,
H.-J.
Freund
,
S.
Shaikhutdinov
, and
M.
Asscher
,
J. Phys. Chem. C
123
,
17425
(
2019
).
33.
E.
Sorek
,
G.
Arbiv
, and
M.
Asscher
,
Langmuir
36
,
8066
(
2020
).
34.
C.
Büchner
,
L.
Lichtenstein
,
S.
Stuckenholz
,
M.
Heyde
,
F.
Ringleb
,
M.
Sterrer
,
W. E.
Kaden
,
L.
Giordano
,
G.
Pacchioni
, and
H.-J.
Freund
,
Phys. Chem. C
118
,
20959
(
2014
).
35.
S.
Tosoni
and
J.
Sauer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
14330
(
2010
).
36.
L.
Savio
,
M.
Smerieri
,
L.
Vattuone
,
S.
Tosoni
,
G.
Pacchioni
, and
M.
Rocca
,
J. Phys. Chem. C
124
,
8834
(
2020
).
37.
R. F. W.
Bader
,
Chem. Rev.
91
,
893
(
1991
).
38.
G.
Henkelman
,
A.
Arnaldsson
, and
H.
Jónsson
,
Comput. Mater. Sci.
36
,
354
(
2006
).
39.
K. M.
Burson
,
C.
Büchner
,
M.
Heyde
, and
H.-J.
Freund
,
J. Phys.: Condens. Matter
29
,
035002
(
2016
).
40.
C.
Büchner
and
M.
Heyde
,
Prog. Surf. Sci.
92
,
341
(
2017
).
41.
C.
Büchner
,
Z. J.
Wang
,
K. M.
Burson
,
M. G.
Willinger
,
M.
Heyde
,
R.
Schlögl
, and
H.-J.
Freund
,
ACS Nano
10
,
7982
(
2016
).
42.
J. P.
Roth
and
G.
Pacchioni
,
J. Phys. Chem. C
124
,
19126
(
2020
).
43.
S.
Prada
,
U.
Martinez
, and
G.
Pacchioni
,
Phys. Rev. B
78
,
235423
(
2008
).
44.
M.
Wilson
,
A.
Kumar
,
D.
Sherrington
, and
M. F.
Thorpe
,
Phys. Rev. B
87
,
214108
(
2013
).
45.
G.
Kovačević
and
B.
Pivac
,
Phys. Status Solidi A
210
,
717
(
2013
).
46.
G.
Kovačević
and
B.
Pivac
,
J. Appl. Phys.
115
,
043531
(
2014
).
47.
R.
Buczko
,
S. J.
Pennycook
, and
S. T.
Pantelides
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
943
(
2000
).
48.
J.-M.
Wagner
,
K.
Seino
,
F.
Bechstedt
,
A.
Dymiati
,
J.
Mayer
,
R.
Rölver
,
M.
Först
,
B.
Berghoff
,
B.
Spangenberg
, and
H.
Kurz
,
J. Vac. Sci. Technol., A
25
,
1500
(
2007
).
49.
F.
Musso
,
M.
Sodupe
,
M.
Corno
, and
P.
Ugliengo
,
J. Phys. Chem. C
113
,
17876
(
2009
).
50.
Q.
Fu
and
X.
Bao
,
Chem. Soc. Rev.
46
,
1842
(
2017
).
51.
J. A.
Boscoboinik
,
J. Phys.: Condens. Matter
31
,
063001
(
2019
).
52.
H. V.
Thang
and
G.
Pacchioni
,
J. Phys. Chem. C
123
,
7271
(
2019
).
53.
H. V.
Thang
,
G.
Pacchioni
,
L.
DeRita
, and
P.
Christopher
,
J. Catal.
367
,
104
(
2018
).
54.
S.
Tosoni
and
G.
Pacchioni
,
J. Phys. Chem. C
124
,
20960
(
2020
).
55.
I.
Yudanov
,
G.
Pacchioni
,
K.
Neyman
, and
N.
Rösch
,
J. Phys. Chem. B
101
,
2786
(
1997
).
56.
H. V.
Thang
,
S.
Tosoni
,
L.
Fang
,
P.
Bruijnincx
, and
G.
Pacchioni
,
ChemCatChem
10
,
2634
(
2018
).
57.
P.
Schlexer
and
G.
Pacchioni
,
Top. Catal.
60
,
459
(
2017
).
58.
J.-F.
Jerratsch
,
N.
Nilius
,
D.
Topwal
,
U.
Martinez
,
L.
Giordano
,
G.
Pacchioni
, and
H.-J.
Freund
,
ACS Nano
4
,
863
(
2010
).
59.
U.
Martinez
,
J.-F.
Jerratsch
,
N.
Nilius
,
L.
Giordano
,
G.
Pacchioni
, and
H.-J.
Freund
,
Phys. Rev. B
103
,
056801
(
2009
).
60.
M.
Baron
,
D.
Stacchiola
,
S.
Ulrich
,
N.
Nilius
,
S.
Shaikhutdinov
,
H.-J.
Freund
,
U.
Martinez
,
L.
Giordano
, and
G.
Pacchioni
,
J. Phys. Chem. C
112
,
3405
(
2008
).
61.
H.
Tissot
,
X.
Weng
,
P.
Schlexer
,
G.
Pacchioni
,
S.
Shaikhutdinov
, and
H.-J.
Freund
,
Surf. Sci.
678
,
118
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.