【摘要】：二元過渡金屬合金團簇由于改變化學組成和尺寸大小可以調(diào)控其化學物理性質(zhì),而成為具有潛在特殊功能的異質(zhì)納米材料。因此對其電子結(jié)構(gòu)與磁性質(zhì)的研究成為團簇物理學領(lǐng)域的熱門課題。然而,如何選擇摻雜元素種類、組成、原子排列方式及團簇尺寸大小,進而獲得新的電磁性質(zhì),成為二元過渡金屬合金團簇應(yīng)用研究的一個關(guān)鍵問題。并且,通過豐富過渡金屬合金團簇的物理化學性質(zhì)可以使其在高密度磁記錄、催化、光學和生物醫(yī)療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Co基過渡金屬團簇由于其獨特的磁學性質(zhì)備受科研工作者關(guān)注。而Sn團簇特有的扁長型幾何結(jié)構(gòu)同樣引起科研工作者關(guān)注。理論上,3d過渡金屬元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni摻雜Sn13團簇的幾何結(jié)構(gòu)、電子組態(tài)及磁學性質(zhì)已被深入研究。結(jié)果表明,隨著摻雜原子的不同MSn12團簇的磁性將在2μB、5μB之間發(fā)生改變,這表明MSn12團簇是潛在的新型可調(diào)納米磁性材料。此外,Deshpande研究指出非磁性Sn原子摻雜鐵磁性Ni團簇后將導(dǎo)致主團簇結(jié)合能增加,磁性降低。目前,未曾見Co-Sn合金團簇的相關(guān)研究被報道。因此,基于第一性原理,本論文選取Sn原子作為異質(zhì)原子對Co團簇進行摻雜,探究Sn摻雜如何影響Co團簇的結(jié)構(gòu)和磁性,分析團簇幾何結(jié)構(gòu)、電子組態(tài)與磁性之間的相互關(guān)聯(lián),并解釋其磁性變化的物理起源。CoAl合金團簇的Stern-Gerlach磁偏轉(zhuǎn)分子束實驗研究表明,在CoNAl M(N≤60,M≤N/3)團簇這個尺寸比例范圍內(nèi),每摻雜一個Al原子磁性降低3.9μB,摻雜Al磁性降低不依賴于團簇的成分和大小。然而,Stern-Gerlach磁偏轉(zhuǎn)實驗對團簇其它性質(zhì)如幾何和電子結(jié)構(gòu)提供了很弱的信息。在我們的知識體系下,較大比例摻雜Co Al合金團簇的磁性理論研究尚未見報,為了進一步全面理解CoAl團簇的結(jié)構(gòu)和磁性,我們選擇對較大尺寸、全比例摻雜的Co13-nAln(n=0-13)過渡金屬合金團簇進行結(jié)構(gòu)演化和磁學性質(zhì)的研究,通過獲得Co13-nAln合金團簇的結(jié)構(gòu)特征和磁性變化規(guī)律,來更好地闡釋實驗現(xiàn)象、理解磁性變化的物理機制。研究獲得的相關(guān)內(nèi)容及結(jié)論獲取歸結(jié)如下:(1)基于密度泛函理論并考慮Sn原子的相對論效應(yīng),我們對ConSn(n=1-12)團簇的幾何、電子結(jié)構(gòu)和磁學性質(zhì)進行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明,ConSn(n=1 5,7,9,10)團簇的穩(wěn)定構(gòu)型與相應(yīng)純鈷團簇的最穩(wěn)態(tài)相同,而Co6Sn、Co8Sn、Co11Sn和Co12Sn團簇的穩(wěn)定構(gòu)型發(fā)生重構(gòu)。在整個體系中,Sn原子占據(jù)外圍。ConSn團簇的二階分裂能顯示出奇偶交替規(guī)律。Sn摻雜致使Co團簇的總磁性呈現(xiàn)不同程度的降低,其中,ConSn(n=1-3,5-7)團簇的磁性減小3μB,Co4Sn團簇磁性減小5μB,ConSn(n=8-12)團簇磁性減小1μB。ConSn團簇中,除了Co11Sn和Co12Sn以外,Sn原子與Co原子均呈反鐵磁性耦合,并且Sn原子的磁矩非常小(0.048-0.592μB),幾乎不提供磁矩。磁性分析表明ConSn團簇平均鍵長的變化、原子之間凈電荷轉(zhuǎn)移和Sn摻雜后Co原子自旋極化的削弱是磁性降低的主要影響因素。(2)基于第一性原理,我們采用VASP軟件并結(jié)合廣義梯度近似及贗勢平面波基組的方法對Co13-nAln(n=0-13)體系的幾何結(jié)構(gòu)、電子組態(tài)及磁學性質(zhì)展開詳細研究。通過CALYPSO全局結(jié)構(gòu)搜索軟件尋找Co13-nAln團簇的最穩(wěn)態(tài)。結(jié)果顯示,Co13團簇的最穩(wěn)定構(gòu)型是雙層六方結(jié)構(gòu),完全符合最近提出的雙層六方結(jié)構(gòu)生長模式;Co12Al團簇則是頂點被占據(jù)的雙層六方結(jié)構(gòu),Co13-nAln(n=2-6)團簇的最穩(wěn)定構(gòu)型是稍微扭曲的二十面體結(jié)構(gòu);當n=7-10時,體系仍然趨向于二十面體結(jié)構(gòu)生長模式,到Co2Al11和CoAl12時幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu),傾向于形成雙層六方結(jié)構(gòu)生長模式;Al13團簇又突變?yōu)榻?jīng)典的二十面體結(jié)構(gòu)。在整個體系中,Co原子傾向于聚合,Al原子傾向于分離。體系的二階差分能表明,Co9Al4和Co7Al6團簇較其近鄰團簇表現(xiàn)明顯的穩(wěn)定性,源于其二十面體結(jié)構(gòu)的高對稱性。當n=0-8時,體系的總磁矩幾乎在線性下降,且n=1,3,5,8時,團簇的總磁矩均比相應(yīng)n-1團簇的總磁矩小4μB,這一結(jié)果很好的符合了Yin對CoNAlM(N≤60,M≤N/3)團簇的磁性檢測結(jié)果;當n=8-13時,Co13-nAln團簇磁性隨著Al原子數(shù)的增多,總磁性淬滅至1μB。從Al原子向Co原子的凈電荷轉(zhuǎn)移及Al摻雜后Co原子的自旋極化減弱是其磁性降低的主要原因。
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【學位授予單位】：山西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O641.1

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 呂瑾;張江燕;梁瑞瑞;武海順;;Structures,stabilities,and magnetic properties of the Fe_nAu(n=1-12) clusters[J];Chinese Physics B;2016年06期

2 王R，

本文編號：2228791