過(guò)渡金屬摻雜Sn和Pb團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理論研究.pdf

1、團(tuán)簇物理的一個(gè)主要目的就是尋找穩(wěn)定的原子團(tuán)簇，用這些團(tuán)簇作為基石構(gòu)建新的材料。另一方面，量子力學(xué)和化學(xué)的相結(jié)合以及相關(guān)理論和數(shù)值算法的飛速發(fā)展，使得密度泛函理論(density functional theory，DFT)成為凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)和材料科學(xué)的重要研究方法。本論文主要應(yīng)用密度泛函理論來(lái)研究3d過(guò)渡金屬摻雜Sn和Pb團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和磁性等。
　　 第一章簡(jiǎn)要介紹了碳族原子形成的納米材料，包括富勒烯

2、、碳納米管、硅鍺團(tuán)簇、硅鍺納米管以及錫和鉛團(tuán)簇的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景。
　　 第二章簡(jiǎn)要介紹了量子計(jì)算化學(xué)的發(fā)展過(guò)程和密度泛函理論的基本框架及其近年來(lái)的發(fā)展。密度泛函理論的介紹以基本理論思想的建立到尋找適當(dāng)?shù)慕粨Q和關(guān)聯(lián)能量泛函為主線。最后簡(jiǎn)單介紹了一些常用的密度泛函模擬計(jì)算軟件包。
　　 第三章討論了3d過(guò)渡金屬摻雜錫團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和磁性。首先，我們對(duì)過(guò)渡金屬內(nèi)摻的M@Sn12(M=Ti，V，Cr，Mn

3、，F(xiàn)e，Co，Ni)團(tuán)簇進(jìn)行了研究。計(jì)算結(jié)果表明：M@Sn12團(tuán)簇基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)是近似Ih對(duì)稱性的二十面體結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)摻雜不同的3d過(guò)渡金屬，M@Sn12團(tuán)簇的磁性可以在2μB到5μB之間變化。因此M@Sn12團(tuán)簇的磁性可以通過(guò)摻雜不同的過(guò)渡金屬得到有效的調(diào)節(jié)，這在新型納米材料中具有潛在的應(yīng)用。然后，在對(duì)Ni2Sn17，Mn2Sn17，[Ni2Sn17]4-和[Mn2Sn17]2-團(tuán)簇的研究中發(fā)現(xiàn)，由兩個(gè)C2v結(jié)構(gòu)的M@Sn9籠子共用一

4、個(gè)頂點(diǎn)形成的具有D2d對(duì)稱性的M2Sn17及其陰離子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。最后，在對(duì)MnxSny(x=2，3，4；y=18，24，30)團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)：MnxSn6x+6(x=2，3，4)團(tuán)簇傾向于形成Mn原子內(nèi)摻的單籠結(jié)構(gòu)，即Mn2@Sn18、Mn3@Sn24和Mn4@Sn30團(tuán)簇；而MnxSn6x+12(x=2，3)團(tuán)簇則傾向于兩個(gè)小籠狀團(tuán)簇直接連接成的雙籠結(jié)構(gòu)，即Mn@Sn12-Mn@Sn12和Mn@Sn12-Mn2@Sn18

5、團(tuán)簇。因此，MnxSny有望構(gòu)成一維納米線，并且通過(guò)控制Mn原子的摻雜個(gè)數(shù)可以組裝成不同結(jié)構(gòu)的納米線。
　　 第四章主要研究了3d過(guò)渡金屬摻雜鉛團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和磁性。首先是對(duì)MPb10(M=Fe，Co，Ni)團(tuán)簇及其二聚物的幾何結(jié)構(gòu)和磁性的研究。幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果表明M內(nèi)摻到雙頂四方反棱柱結(jié)構(gòu)的Pb10籠子里最為穩(wěn)定；二聚體[MPb10]2則以兩個(gè)MPb10團(tuán)簇通過(guò)各自的三角形面反方向連接在一起的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。其中，NiP

6、b10團(tuán)簇具有最大的摻雜能，并且兩個(gè)NiPb10之間的相互作用最小，所以NiPb10最適合作為基石用于團(tuán)簇的組裝。磁性研究表明對(duì)于Fe原子摻雜的團(tuán)簇，二聚作用對(duì)Fe原子的自旋磁矩和Fe原子與Pb原子之間的磁相互作用都沒(méi)有實(shí)質(zhì)上的改變，而對(duì)Co和Ni原子的摻雜，二聚作用會(huì)使M原子的自旋磁矩增加，并且M原子與Pb原子之間的磁相會(huì)作用也發(fā)生改變。最后，研究了3d過(guò)渡金屬內(nèi)摻的M@Pb12(M=Sc，Ti，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni)團(tuán)簇