從EuSin到Eu@Sin：幾何結(jié)構(gòu)和電磁特性的研究.pdf

1、團(tuán)簇是一種介于原子、分子和固態(tài)之間的新的凝聚形態(tài)，它具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和新穎的特性，一直受到人們廣泛的關(guān)注。硅作為微電子工業(yè)中重要的半導(dǎo)體元素的代表，被廣泛的應(yīng)用于材料科學(xué)、微電子學(xué)、固態(tài)科學(xué)、生物學(xué)和納米技術(shù)等領(lǐng)域，然而人們發(fā)現(xiàn)它并不像碳富勒烯那樣具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鄙傧裉寄菢拥膕p2雜化軌道，為了解決這個(gè)問題，人們將過渡金屬摻雜到了硅團(tuán)簇中，獲得了許多穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，如Ti、Fe、Co、Ni、Ag等過渡金屬。稀土元素與過渡金屬有著相似的

2、物理化學(xué)性質(zhì)，然而，稀土元素也有著自己獨(dú)特的性質(zhì)，例如未滿的4f支殼層中，不同電子的磁效應(yīng)并不會(huì)像滿殼層那樣會(huì)彼此抵消。因而稀土元素?fù)诫s在硅團(tuán)簇中非常適合于磁特性的研究，因此稀土金屬摻雜在硅團(tuán)簇的研究引起了人們廣泛的興趣。
　　本文基于密度泛函理論，采用廣義梯度近似下的PW91交換關(guān)聯(lián)函數(shù)和雙數(shù)值極化基組設(shè)置，研究了EuSi二元團(tuán)簇的性質(zhì)隨團(tuán)簇尺寸的演變。考慮到Eu是重金屬元素，對(duì)EuSin(n=1-21)團(tuán)簇體系進(jìn)行了全電子相對(duì)

3、性的計(jì)算，在純硅團(tuán)簇各種低能態(tài)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)Eu原子摻雜的硅團(tuán)簇的可能的低能態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的搜索，得到了EuSin(n=1-21)團(tuán)簇的最低能態(tài)結(jié)構(gòu)，分析了團(tuán)簇的電子結(jié)構(gòu)和磁特性。論文得到的結(jié)論如下:
　　(1)從n=19開始，Eu原子完全包子Si籠狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，形成內(nèi)包Eu原子Si籠狀結(jié)構(gòu)，也就是說Eu@Si19是最小的完全內(nèi)包Eu原子的硅籠結(jié)構(gòu)。
　　(2)隨著尺寸的增加，EuSin(n=1-21)團(tuán)簇的平均每原子結(jié)

4、合能逐漸降低，表明在團(tuán)簇生長過程中不斷釋放能量;在n=6、18和20處EuSin團(tuán)簇平均每原子結(jié)合能曲線達(dá)到極小值。類Ag、Au摻雜硅團(tuán)簇，稀土原子Eu與宿主Si原子間的相互作用較弱，Eu摻雜也并未明顯增強(qiáng)宿主團(tuán)簇的穩(wěn)定性，但是Eu原子的內(nèi)嵌使得外圍硅原子的相互作用得以增強(qiáng)，從而有利于硅籠的形成與穩(wěn)定。EuSin團(tuán)簇的二階能量差分分析表明EuSi2、EuSi5、EuSi8、EuSi10、 EuSi13、EuSi16、 EuSi18、Eu

5、Si20這些團(tuán)簇為幻數(shù)團(tuán)簇。
　　(3)由于Eu原子的摻雜使HOMO-LUMO能隙總體上EuSin團(tuán)簇的能隙值要比Sin團(tuán)簇的能隙值小，這一結(jié)果表明EuSin所有最低能態(tài)結(jié)構(gòu)都有較高的化學(xué)活性，其中EuSi10團(tuán)簇在化學(xué)反應(yīng)中相對(duì)穩(wěn)定。
　　(4)分析了EuSin團(tuán)簇的最低能態(tài)結(jié)構(gòu)的Mülliken電荷布局分析得到，當(dāng)n=1-18時(shí)，電荷一直從Eu原子向Si原子轉(zhuǎn)移，然而當(dāng)n=19-21時(shí)，電荷開始從Si原子向Eu原子轉(zhuǎn)移，