有机分子磁性的第一性原理研究

论文摘要

分子磁体以其质量轻、易加工等优点以及一些常规磁体所不具备的独特性质而受到理论和实验工作的广泛关注。而在分子磁体研制中存在的一个重要问题就是提高其磁矩和居里温度。因此,对高温分子磁体的磁性起源及其交换机制进行理论研究显得极为重要:一方面,这些研究能够推动对分子磁体本征磁性的认识;另一方面,其研究结果对于合成具有更佳磁性能的材料具有指导意义。我们基于一类导电分子构建了模型体系进行第一性原理计算研究。依据有机分子的结构和在化学反应中的成键特点设计出可能的结构模型,在对模型进行结构优化后对其进行计算得到基态能量、电荷密度、态密度等信息,依据这些信息对其本征磁性进行了分析。在对TM2TCNQ体系进行的计算中,我们发现体系的磁矩主要来源于金属原子,有机分子受到一定的极化。V2TCNQ体系具有铁磁稳定的基态,并可能具有自旋半金属特性。而对Ni2TCNQ的计算结果表明该体系具有反铁磁基态,且磁矩、奈尔温度均较低。该结果表明在这一分子磁体中含氧基团对系统的磁性可能有较大的影响。在对TM2·O·DDQ体系进行的计算中,我们发现Ni2·O·DDQ体系具有铁磁基态,且其磁矩、居里温度均与实验能够对应。而Fe2·O·DDQ体系可能有该系列分子磁体中最大的磁矩和较高的居里温度。在这些体系中磁矩依然主要来源于金属原子,而有机分子受到的极化也较大,处于两个金属原子之间的O原子通过电荷传递与金属原子进行直接耦合,产生较大的磁矩;金属通过分别与O耦合形成磁有序结构,有机分子各原子的非成键pz电子受到较大的极化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 分子磁性材料简介和研究进展
• §1.1 分子磁性材料研究的历史回顾
• §1.2 分子磁性材料的相关理论
• §1.3 分子磁体研究的热点问题
• 1.3.1 有机自由基分子磁体
• 1.3.2 金属配合物分子磁体
• 1.3.3 自旋交叉配合物
• 1.3.4 单分子磁性材料
• 1.3.5 有机自由基-金属配合物分子磁体
• 第二章 理论基础
• §2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 单电子方程
• 2.1.2 哈特利-福克近似
• 2.1.3 Hohenberg-Kohn定理
• 2.1.4 Kohn-Sham方程
• §2.2 平面波赝势方法
• 2.2.1 正交化平面波方法
• 2.2.2 赝势方法
• 第三章 TM2TCNQ磁性的第一性原理研究
• §3.1 引言
• §3.2 理论和方法
• §3.3 结果与讨论
• 3.3.1 空间结构
• 2-TCNQ的电子结构与磁性'>3.3.2 TM₂-TCNQ的电子结构与磁性
• 3.3.3 TM原子磁矩
• 3.3.4 TM与N、C原子的相互作用
• §3.4 小结
• 2·O·DDQ的第一性原理研究'>第四章 Ni₂·O·DDQ的第一性原理研究
• §4.1 引言
• §4.2 理论和方法
• §4.3 结果与讨论
• 4.3.1 系统空间结构
• 2·O·DDQ的电子结构和磁性'>4.3.2 Ni₂·O·DDQ的电子结构和磁性
• 4.3.3 电荷转移研究
• 4.3.4 铁族原子替代计算
• 4.3.5 S原子替代
• §4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• §5.1 总结
• §5.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢