过渡金属V、Fe、Co掺杂硼团簇结构、稳定性与磁性的密度泛函理论研究

摘要

团簇作为介于原子、分子和宏观固体材料之间的过渡态，其随尺寸改变而产生的空间结构和独特性质的变化可以很好的反映出微观向宏观转变的特殊过程。科学家们很早就开始了对纯硼团簇的研究，随之便出现了对掺杂硼团簇的理论研究。近十几年来，无论是实验者还是理论研究者，对过渡金属团簇的研究热度不减，尤其是在催化应用，磁性，有机化学，纳米尺度材料等方面的研究。因此设想将具有磁性的过渡金属加入硼团簇中是否会有一些新的发现。我们希望通过理论计算可以找出掺杂团簇在结构和性质上的变化规律，从而可以有效的指导实验。本文在Gaussian和VASP软件包下完成了对V2Bn，Fe2Bn和Co2Bn(n=1-10)三个掺杂团簇的稳定结构，电子行为及其磁性的计算与研究。
　　V2Bn(n=1-10)团簇的研究是在Gaussian中进行，优化过程选取了杂化密度泛函B3LYP，静态能量计算则采取了CCSD(T)方法。对V2Bn(n=1-10)团簇优化的过程中考虑了所有可能合理的初始结构，并对每个结构的多重度也都进行了充分的考虑。通过频率计算确保优化得到的结构中没有虚频。结合计算结果得出以下结论：(1)当n=2-4时，V2Bn团簇形成的是不完整的双锥结构。对于V2B5来说，其最稳定结构是不规则多面体。对于n≥6的基态团簇可视为为双锥结构，这与之前所研究的Sc2Bn，Ti2Bn团簇结果一致。(2)通过计算V2Bn(n=1-10)各基态团簇的平均结合能、解离能与二阶差分等能量变化趋势，可以推出该团簇的幻数为n=6。(3)结合垂直电离势，垂直电子亲和能和化学硬度的计算结果来深入分析V2Bn(n=1-10)的电子性质。(4)通过V2B6基态团簇的轨道分析，可以对其稳定性做出更为合理的解释。
　　Fe2Bn(n=1-10)团簇的是计算在VASP软件包下完成，选取的是广义梯度近似的交换关联能函数与PAW_PBE的赝势，该软件采用的是平面波展开法。依据计算结果得出以下结论：(1)与V2B5的立体结构不同，Fe2B5的基态团簇为平面型结构。当n≥6时，Fe2Bn也是趋向于形成双锥结构。(2)结合Fe2Bn(n=1-10)各基态团簇的Eb、Ed以及Δ2E的递变规律，推断n=4，7为Fe2Bn团簇的幻数。(3)通过对基态团簇的VIP和VEA，以及化学硬度的讨论，有利于进一步的了解Fe2Bn(n=1-10)团簇的电子性质。(4)团簇磁性的研究主要通过计算态密度(DOS)，自旋密度，自旋能隙以及HOMO-LUMO能隙等方面。结果显示：Fe2Bn(n=1-10)团簇的磁矩大部分是源于 Fe原子的d轨道，并且在Fe原子与B原子之间形成了sp-d杂化，使得团簇的结构更稳定。（5）通过Bdaer电荷的分析，可以看出在Fe原子与B原子之间有明显的电荷转移，并且基本上均是由Fe向B转移，这符合Fe与B原子的电负性关系。
　　对于 Co2Bn(n=1-10)团簇的研究，在软件包的选取与计算方法上均延续了Fe2Bn(n=1-10)的选择。结果显示：(1) Co2B5团簇的稳定结构也是平面型。同样的，当n≥6时，Co2Bn的生长规律趋向于形成完整的双锥构型。(2)通过研究基态团簇各能量项的变化规律，可以推断Co2B7为Co2Bn(n=1-10)团簇的幻数团簇。(3)通过计算正负离子团簇与中性团簇的能量差，绘制出VIP与VEA的变化趋势图，可以对Co2Bn团簇的电子性质有深入的了解。(4)对磁性的研究同样是通过态密度，自旋密度，自旋能隙以及 HOMO-LUMO能隙。结果显示：Co2Bn(n=1-10)团簇的磁矩大多数来源于Co的d轨道，Co原子与B原子之间也存在sp-d杂化。(5)Bader电荷分析图显示Co原子与B原子之间存在着明显的电荷转移，但与 Fe2Bn不同的是电子不再是完全由过渡金属向B转移，而是出现了B原子失电子的情况，这是由于Co原子与B原子的电负性相近造成的。

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1 绪论

1.1 团簇的概述

1.2 金属掺杂硼团簇

1.3 本论文的研究意义和内容

2 计算方法

2.1 计算化学概况

2.2 密度泛函理论

2.3 Gaussian软件

2.4 VASP软件

3 V2Bn (n=1-10) 团簇几何构型，稳定性与电子性质的密度泛函理论研究

3.1 研究背景

3.2 计算方法

3.3 结果与讨论

3.4 小结

4 Fe2Bn (n=1-10) 团簇几何构型，稳定性，电子性质以及磁性的密度泛函理论研究

4.1 计算方法

4.2 结果与讨论

4.3 小结

5 Co2Bn (n=1-10) 团簇几何构型，稳定性，电子性质以及磁性的密度泛函理论研究

5.1 结果讨论

5.2 小结

致谢

参考文献

附录