基于密度泛函理论的铁氧团簇FenO(n=3-13)和FenO2(n=2-11)结构和电磁特性的研究

摘要

对团簇混合掺杂氧的性质进行研究,有助于了解团簇的稳定性,对于寻找发现特殊性质的纳米模块有重要意义。铁作为3d过渡金属的代表,广泛地被应用在工业催化过程之中,而铁氧的混合团簇在表面催化和高密度磁记忆存储器等方面有着广泛的应用。尽管目前对铁团簇及其掺杂有很多研究,比如用C,N等原子,但是对铁团簇掺杂氧的特性研究还不尽完善,为此我们系统地研究了单个和双氧原子对小铁团簇性质的影响。
　　本文基于密度泛函理论(DFT)的计算方法,采用广义梯度近似下(Generalizedgradientapproximation:GGA)的交换关联密度泛函Perdew-Wang-1991(PW91)和双数值极化函数基组(Double-numericalbasispluspolarizedfunctions:DNP)设置,在纯铁团簇的基础上,对单个和双氧原子掺杂铁团簇的尽可能多的低能态结构进行了搜索,得到了FenO(n=3.13)和FenO2(n=2-11)团簇的最稳态结构,并对这些基态结构进行了稳定性、电子结构和磁特性方面的分析,结果表明:
　　(1)FenO团簇和F％02团簇的生长模式是无定形的,在基态结构中氧原子掺杂的位置总是处于团簇的表面,除了Fe10O中氧原子嵌入了团簇的中心位置。
　　(2)相比于纯铁团簇,无论是单个还是两个氧原子的掺入都提高了团簇的稳定性,铁氧团簇的稳定性是随着原子数的增加而增加。幻数团簇具有比相邻团簇更高的稳定性,团簇结合能的二阶差分计算表明:FenO团簇在n=5,8,10处出现局域峰值,也就是Fe5O,Fe8O,Fe10O团簇是相对稳定的幻数团簇;而FenO2的幻数出现在n=5,9处。值得注意的是:Fe10O团簇中的氧原子嵌入团簇的中心位置,因此其稳定性变差。
　　(3)对于FenO团簇,氧原子的掺杂增加了团簇的最低未占据与最高占据能级间的能隙差,说明在掺杂后团簇的化学稳定性得到了增强,峰值出现在n=6,9,13,说明Fe6O,Fe9O和Fe13O这三个团簇有相对较高的化学稳定性。而对于FenO2团簇,双氧原子的掺杂并没有明显增加团簇的能隙,在掺杂后团簇的化学稳定性随原子数的增加而呈现降低的趋势。
　　(4)根据密利肯电荷分析,氧原子带负电,电荷转移方向是由铁原子转向氧原子。在F％0团簇中总磁距与氧原子电荷转移的多少有一定的关系,当n>7后,电荷转移量增加,磁距也相应的越大。FenO2团簇的磁距在n<10时基本呈现出奇偶振荡形式。