钛氧和钛镍团簇的第一性原理研究

论文摘要

合金团簇由于具有不同于单质团簇的结构和性质,为人们提供了通过控制结构和化学组份得到具有人工可调控性质的纳米粒子的方法,因而广受关注。过渡金属合金团簇,具有令人很感兴趣的奇异特性以及潜在的应用前景,而在近年来受到人们的广泛关注,且相关的研究和应用都取得了很大的成就。但对于钛基合金团簇的相关报道却非常少。本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算程序包VASP,研究了钛基二元合金团簇的结构和电子性质。主要内容和结果包括:基于平面波赝势方法,我们使用VASP程序包研究了TinO（n=1-9）团簇的结构和磁性。计算了TinO团簇的稳定结构,并和纯Tin团簇的结构进行了比较。计算结果表明氧原子停留在团簇的表面,几乎不改变纯Tin团簇的总体构型。基于最稳定的结构,计算了结合能以及二阶能量差,发现Ti7O团簇具有幻数团簇特征,与已有实验结果相符。其高稳定性主要是由于主体结构Ti7所具有的五角双棱锥结构。同时我们计算了团簇基态结构的磁矩,发现当n=1-4,8-9,TinO团簇的总磁矩为一个常数2;当n=5-7,磁矩降为0。一般氧原子的掺入导致团簇总磁矩降低。这可能是由于氧原子掺入会接纳两个未配对电子,从而导致团簇总磁矩降低。对TinO团簇中Ti-4s,3d的轨道局域磁矩、电荷分布以及电子态密度的进一步分析表明:磁矩主要来源于钛3d电子的贡献,氧原子贡献非常小;但钛氧之间的相互作用对团簇磁性有相当大的影响。另外,我们探讨了TinNi（n=1-13）团簇的生长模式和稳定性。计算了钛镍团簇的几何结构,发现团簇由平面结构向三维结构转变发生在n=4。研究表明镍原子停留在团簇的表面,仅仅引起Tin构型较小的畸变。在n=1-7时,团簇朝着五角双棱锥结构生长,当n=8-13时,团簇开始由五角双棱锥逐步的生长成为二十面体结构。二十面体结构相对相邻团簇具有最高稳定性,主要是由于它所具有的紧密原子结构。然后讨论了团簇的平均结合能、二阶能量差及能隙等随团簇尺寸的变化。我们发现Ti7Ni和Ti12Ni具有幻数团簇的典型特征,其高稳定性可以用原子壳层模型解释。此外研究了两个幻数团簇Ti12Ni之间的相互作用。考虑了不同的相互作用方式,发现团簇之间的相互作用能大小取决于团簇之间的相对取向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 团簇的研究方法
• 1.2.1 团簇的制备和检测
• 1.2.2 团簇的理论研究方法
• 1.3 团簇的稳定结构和幻数
• 1.3.1 团簇的幻数和序
• 1.3.2 电子壳层结构
• 1.3.3 二十面体壳层结构
• 1.3.4 富勒烯团簇结构
• 1.4 本文的研究内容和目的
• 第2章 理论计算方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.1.2 Kohn-Sham 方程
• 2.1.3 局域密度近似（LDA）
• 2.1.4 广义梯度近似（GGA）
• 2.2 赝势方法
• 2.3 投影缀加波方法（PAW）
• 2.4 VASP 程序包简介
• 第3章 钛氧团簇的几何和电子结构
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 几何结构
• 3.3.2 稳定性
• 3.3.3 磁性和电子结构
• 3.4 小结
• 第4章 钛镍团簇的结构与稳定性
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 几何结构
• 4.3.2 稳定性
• 4.3.3 团簇之间的相互作用
• 4.4 小结
• 第5章 总结和展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果