M_nC（M=Fe，Co，Ni，Cu，N≤6）团簇体系的第一性原理研究

论文摘要

自从金属碳笼（met-cars）和碳纳米管被发现后,由金属原子和C原子组成的团簇引起了人们的广泛关注。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对MnC（M=Fe,Co,Ni,Cu,n≤6）团簇体系进行了系统的研究。第一章对团簇、过渡金属团簇、碳纳米管以及由过渡金属原子和C原子构成的团簇的性质及现状进行了简要的介绍。第二章详细介绍了本文所采用的理论基础即密度泛函理论。对于密度泛函理论的发展过程、赝势平面波方法以及本文所用的PWscf软件进行了详细的描述。第三章报告了对MnC（M=Fe,Co,Ni,Cu,n≤6）团簇体系的基态几何结构、结合能和磁性等性质的计算及结果。计算结果表明,MnC团簇的基态几何结构并无一致的变化规律,而TMnC（TM=Fe、Co、Ni）团簇的结构与相应的纯的TMn+1团簇的结构有相似之处,但对于CunC团簇,对比Cun+1团簇的平面的基态几何结构,除了Cu2C,其基态几何结构趋向于立体结构。结合能的计算结果显示,MnC团簇的平均结合能明显高于相应的Mn团簇。通过对团簇稳定性的分析发现Ni2C, Fe4C和Cu4C团簇具有高的相对稳定性。过渡金属团簇与C原子的相互作用是我们关心的一个重要方面,我们通过计算C原子与Mn团簇的结合能和M原子与Mn-1C团簇的结合能来进行讨论。发现C-Mn结合能几乎是M-Mn-1C结合能的两倍,而C-Cun结合能明显小于C-TMn结合能。由此可以得出,C原子与TMn团簇的结合强于C原子与Cun团簇的,这个结论对于有金属原子参与的C纳米材料如SCNTs（Single-walled Carbon NanoTubes）的生长机制的探索具有重要的意义。最后一章对本文的研究结果进行了总结。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 团簇及其研究意义
• 1.2 团簇的实验研究方法
• 1.2.1 团簇的制备方法
• 1.2.2 团簇的检测和表征方法
• 1.3 团簇的理论研究方法
• 1.4 选题背景及意义
• 1.4.1 过渡金属团簇
• 1.4.2 碳纳米管简介
• 1.4.3 掺C 过渡金属团簇及其研究意义
• 第二章 基本理论和计算方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 多粒子Hamilton 量
• 2.1.2 价电子近似和绝热近似
• 2.1.3 量子多体理论
• 2.1.4 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.1.5 Kohn-Sham 方程
• 2.1.6 交换关联泛函
• 2.2 赝势平面波方法
• 2.2.1 平面波方法
• 2.2.2 正交化平面波
• 2.2.3 赝势方法
• 2.3 团簇体系的计算方法
• 2.3.1 超原胞（Supercell） 近似
• 2.3.2 总能优化方法
• 2.3.3 电子弛豫方法
• 2.3.4 结构优化算法
• 2.3.5 密度泛函计算软件简介
• 2.4 PWscf 计算软件介绍
• 2.4.1 输入文件中参数的设定
• 2.4.2 结构优化计算及后续数据处理
• nC 团簇体系的密度泛函计算'>第三章 M_nC 团簇体系的密度泛函计算
• 3.1 研究意义与计算细节
• 3.2 对计算方案的测试
• 3.3 结果与讨论
• nC（M=Fe,Co,Ni,Cu,n≤6） 团簇的几何结构'>3.3.1 M_nC（M=Fe,Co,Ni,Cu,n≤6） 团簇的几何结构
• 3.3.2 能量及磁性的相关性质
• n 团簇的相互作用'>3.3.3 C 原子与 M_n团簇的相互作用
• 第四章 总结
• 4.1 总结
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢