二元过渡金属团簇的结构与磁序

摘要

磁性过渡金属(Mn、Fe、Co、Ni)团簇以其奇异的电子结构和磁特性吸引着众多研究者的目光。研究过渡金属混合团簇，可以实现对团簇磁特性的人工剪裁和设计，获取单质过渡金属团簇所不具备的新奇磁特性，有利于生产出新型磁性纳米材料，对高密度磁存储器的制备具有重要的意义。因此，过渡金属混合团簇磁性研究成为近年来研究的焦点。 本文利用密度泛函理论，采用BLYP交换关联函数和DNP基组，对二元过渡金属团簇MnnX(X=Fe，Co，Ni，La)和XnMn(X=Fe，Co，Ni)(n=1-12)可能的低能态同分异构体进行了广泛搜索，并分析了它们的电子结构和磁性。计算结果表明： (1) MnFe中的Mn-Fe间耦合为铁磁(FM)磁序；Mn2Fe基态结构中的Mn-Mn间耦合属于FM磁序，Mn-Fe间耦合属于反铁磁(AFM)磁序；Mn3Fe结构中的Mn-Mn问耦合都属于AFM磁序；Mn4Fe基态结构中的Mn-Mn间耦合属于AFM磁序。当n≥5时，MnFe团簇中的Mn-Mn间耦合均属于AFM磁序。 (2)当n≤4时，MnnCo团簇基态结构中的Mn-Mn和Mn-Co间耦合均为FM磁序；当n≥5时，团簇中的Mn-Mn间耦合均为AFM磁序。 (3) MnNi中的Mn-Ni间耦合为FM磁序，Mn2Ni和Mn3Ni团簇基态结构中的Mn-Mn间耦合属于AFM磁序；当n≥4时，MnnNi团簇中的Mn-Mn间耦合均为AFM磁序。 (4)类似于单质Mn团簇，MnnFe、MnnCo、MnnNi团簇也存在由FM向AFM的磁序转变，且磁序转变范围趋向小团簇；MnnLa团簇中不存在由FM向AFM的磁序转变。Mn团簇中掺杂Fe、Co和Ni原子时，存在着从Mn原子向Fe、Co和Ni原子的电子转移；而Mn团簇中掺杂La原子时，存在着电子从La原子向Mn原子的转移。 (5) FenMn(n=1-12)团簇基态结构中的Fe-Mn间耦合存在着FM和AFM磁序的竞争。当n=1-2时，Fe-Mn间耦合为FM磁序；当n＝3-6，Fe-Mn间耦合属于AFM磁序：当n≥7时，FM磁序的Fe-Mn间耦合完全占据优势。Mn原子低配位数时有明显的磁矩增强，展示出了表面增强效应。 (6) Mn原子占据ConMn(n=1-9)团簇基态结构的表面位置，与相同原子数的单质Co团簇相比，团簇的自旋磁矩增强，且增强的磁矩(2μB)与团簇尺寸无关。对于Co10Mn，Co11Mn和Co12Mn团簇，Mn原子占据基态结构的中心位置，团簇的自旋磁矩没有增强。 (7) NinMn(n=1-9，11-12)团簇的自旋磁矩比相同原子数的单质Ni团簇有明显增强。对于Ni10Mn团簇，Mn原子占据中心位置的基态结构，总自旋磁矩只有5μB，但Mn原子占据表面位置的C4v对称结构总自旋磁矩为11μB。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1磁性纳米材料的研究进展

1.1.1磁性材料概述

1.1.2磁性纳米材料应用简介

1.2团簇磁性研究进展

1.2.1 团簇物理学简介

1.2.2单质磁性团簇研究进展

1.3混合团簇磁性研究

1.3.1 混合／掺杂团簇概述

1.3.2磁性混合／掺杂团簇研究进展

1.4论文选题及研究内容

参考文献

第二章理论基础和研究方法

2.1经验势和半经验势方法

2.2从头计算方法

2.2.1 Born-Oppenheimer近似和平均场近似

2.2.2分子轨道理论

2.3密度泛函理论

2.3.1Thomas-Fermi-Dirac理论

2.3.2 Hohenberg-Kohn理论

2.3.3 Kohn-Sham方程

2.3.4交换关联泛函

2.3.5基于密度泛函理论的科学计算软件包

参考文献

第三章MnnX(n=1-12，X=Fe，Co，Ni，La)团簇结构和磁序

3.1 计算方法

3.2 MnnFe(n=1-12)团簇的几何结构、电子结构和磁序

3.2.1 MnnFe(n=1-12)团簇的几何结构

3.2.2 MnnFe(n=1-12)团簇的稳定性、电子结构和磁矩

3.2.3研究小结

3.3 MnnX(n=1-12，X=Co，Ni，La)团簇的几何结构、电子结构和磁序

3.3.1 MnnX(，2=1-12，X=Co，Ni，La)团簇的几何结构

3.3.2 MnnX(n=1-12，X=Co，Ni，La)团簇的稳定性、电子结构和磁矩

3.3.3研究小结

参考文献

第四章FenMn(n=1-12)团簇结构和磁矩

4.1 FenMn(n=1-12)团簇的几何构型

4.2 FenMn(n=1-12)团簇的稳定性、电子结构和磁矩

4.3本章小结

参考文献

第五章ConMn(，n=1-12)团簇结构和磁矩

5.1 ConMn(n=1-12)团簇的几何构型

5.2 ConMn(n=1-12)团簇的稳定性、电子结构和磁矩

5.3本章小节

参考文献

第六章NinMn(n=1-12)团簇结构和磁矩

6.1 NinMn(n=1-12)团簇的几何构型

6.2 NinMn(n=1-12)团簇的稳定性、电子结构和磁矩

6.3本章小结

参考文献

第七章结论

致谢

攻读学位期间科研成果