过渡金属Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt团簇结构演化行为

论文摘要

团簇作为微观层次上有限原子的聚集体,具有奇特的几何结构、电子结构与磁性。对团簇的研究不仅有助于深入了解团簇本身的特性,也有助于更进一步了解相应块体的物理性质。理论上研究团簇首先要确定团簇的基态几何结构,团簇结构存在许多异构体,并且异构体的数目随团簇尺寸的增大迅速增长这主要是由于团簇局域极小（local minimum）随尺寸的增大而快速（为指数而非幂级数形式）增加,对于包含数十个原子的团簇在众多的异构体中寻找其基态结构已经变得很困难,过渡金属团簇由于d电子的离域性以及大量低能态的存在使得确定其基态几何结构变得更为困难。实验研究表明过渡金属团簇具有许多奇特而有趣的性质,具有很多块状材料所不具备的优异特性,并有望于在合成纳米材料、器件中起到重要作用,因此过渡金属团簇的研究受到人们广泛的关注。虽然通过实验方法可以得到一些团簇结构的信息,但是它无法给出自由团簇确定的几何结构,因此各种理论计算方法广泛运用于团簇结构的研究。本文采用最速下降法结合紧束缚Gupta势研究了同族的Co、Rh、Ir和同族的Ni、Pd、Pt六种过渡金属团簇的四种典型结构（Ih、Dh、Fcc-oct和Hcp）的结构演化特性,所研究团簇尺寸介于13到60000个原子之间,得到以下主要结论:（1）对于小尺寸团簇（相较同族的Co、Rh、Ir,对同族的Ni、Pd、Pt团簇,该尺寸范围更小）,四种典型团簇结构呈现出相同的稳定序列,结构稳定性由强至弱分别为:Ih〉Dh〉Hcp〉Fcc-oct。（2）在1200个原子之内,对Co、Rh、Ir三种元素,皆体现出Ih结构的稳定性最高,但Ih结构占优势的团簇尺寸范围随三种元素原子量的递增而减小,对于同族的Ni、Pd、Pt三种元素在更小的尺寸上有类似的性质（对Co团簇3800个原子内Ih结构最稳定,而对Rh、Ir团簇则分别为1800和1200。对Ni团簇500个原子内Ih结构最稳定,而对Pd和Pt团簇则分别为100和40）。（3）随着团簇尺寸的增大,Ih结构与Dh结构的Δ曲线发散（Dh结构发散的更快）,其稳定性降低,Hcp与Fcc-oct结构Δ曲线趋于收敛,其稳定性升高。（4）当团簇原子数很大时,主要是Hcp结构与Fcc-oct结构竞争,这两种结构都比较稳定。（5）这六种金属团簇在向晶体结构演化的过程中,Rh团簇在N=1800个原子以上和Ni团簇在N=600个原子以上时已显现晶体结构,而对Co、Ir、Pd和Pt团簇,直到约60000个原子时仍未达到其晶体结构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 一、研究背景
• 二、课题意义和内容
• 第一章 团簇物理学的概念
• 1.1 团簇的基本概念
• 1.2 团簇研究的意义
• 1.3 团簇的基本性质
• 1.3.1 团簇的幻数和壳层结构
• 1.3.2 团簇的电离
• 1.3.3 团簇的非金属---金属转变
• 1.3.4 团簇的相变
• 1.3.5 团簇的电磁特性
• 1.3.6 团簇的光学特性
• 1.4 团簇物理的发展
• 第二章 团簇研究的理论方法
• 2.1 概述
• 2.2 势的选取
• 2.2.1 经验势方法
• 2.2.2 半经验方法
• 2.2.3 从头计算
• 2.2.4 密度泛函理论
• 2.3 势能面搜索方法
• 2.3.1 分子动力学方法
• 2.3.2 蒙特卡罗方法
• 2.3.3 遗传算法
• 2.3.4 最速下降法
• 第三章 过渡金属团簇的结构演化行为
• 3.1 引言
• 3.2 模型和计算方法
• 3.3 结果和讨论
• 3.4 结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表和完成的研究论文
• 致谢