AnC2（A＝Fe，Co，Ni，Cu）团簇的密度泛函研究

论文摘要

团簇由于尺寸在原子和宏观体系之间而且具有独特的微观结构特点和奇异的物理化学性质,在制造和发展新的特殊性能材料的领域有广阔的应用前景和深远的研究意义,因此成为实验和理论研究的重要对象。而其中的过渡金属团簇,由于在表面吸附、化学催化、磁性材料等方面具有十分重要的应用而成为了当今团簇研究的主要领域之一。在碳纳米管的生长过程中,过渡金属团簇担当了不可或缺的角色,起到了催化生长和分解碳原料的作用,而铜不被用作碳纳米管生长的催化剂,而是用作催化碳纤维的生长。因此,由过渡金属原子和碳原子构成的纳米团簇引起了人们的极大兴趣,希望对此类团簇的研究能够为碳纳米管的形成过程中过渡金属原子所起到的作用提供信息。计算物理的发展,使得对微观团簇的几何结构、电子结构及许多其它性质都可以通过第一性原理计算,从而得到更多更准确的信息。本文利用密度泛函理论方法采用平面波基矢和超软赝势详细地研究了AnC2 （A=Fe,Co, Ni, Cu, n = 1 - 3）团簇的几何结构,结合能和磁性。第一章对团簇、过渡金属团簇、碳纳米管和过渡金属原子和碳原子构成的团簇的性质以及研究现状进行了介绍,指出了本文的选题背景和研究意义。第二章详细地介绍了本文采用的理论基础和计算方法。对于密度泛函理论的发展过程、赝势平面波方法、团簇体系的计算方法以及本文所用的Quantum-ESPRESSO软件包中的PWscf模块进行了详细的介绍。第三章中使用密度泛函方法研究AnC2（A=Fe,Co,Ni,Cu,n = 1 - 3）团簇的基态和第一激发态的几何结构。第四章计算了AnC2（A=Fe,Co,Ni,Cu,n = 1 - 3）团簇的能量和磁性。第五章总结了本文的主要结论,并对近期的工作计划进行了展望。本文得到的主要结论有:（1）小团簇的基态几何结构主要是平面构型,例外是对称性为Cs的Fe3C2团簇和对称性为C3v的Co3C2团簇的三角双锥构型。AC2（A=Fe,Co,Ni,Cu）团簇的基态几何结构基本类似,都是具有C2v对称性的三角形。A2C2团簇仍都是平面构型,且Fe,Co,Ni基本一致,都是在AC2的基础上在AC键的一侧增加了另外一个过渡金属原子,形成一个AAC锐角三角形,Cu则是形成一个钝角三角形。Ni3C2和Cu3C2的几何结构比较类似,都是平面构型,且形成一个具有C2v对称性扇形结构。（2）在纯的金属团簇中掺入两个碳原子会显著地增大混合团簇的平均结合能,从而提高团簇的稳定性。（3）过渡金属原子和碳原子的相互作用比铜原子和碳原子的相互作用要强。（4）掺入碳原子会降低过渡金属团簇的磁性,但是不改变铜团簇的磁性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 团簇的性质及研究意义
• 1.1 团簇的基本性质
• 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 选题背景和研究意义
• 1.4.1 过渡金属团簇
• 1.4.2 碳纳米管简介
• 1.4.3 掺碳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: 化学近似方法
• 2.1.4 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.1.5 自洽Kohn-Sham 方程
• 2.1.6 交换关联泛函
• 2.2 正交化平面波方法和赝势方法
• 2.2.1 平面波方法
• 2.2.2 正交化平面波方法
• 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 能量最小化的计算方法
• 2.3.3 自洽电子弛豫方法
• 2.3.4 Hellmann-Feynman 力和优化算法
• 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
• nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu） 团簇的几何结构性质'>第三章 A_nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu） 团簇的几何结构性质
• 3.1 计算方法
• 3.2 计算方案的测试情况介绍
• nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu） 团簇的几何结构'>3.3 A_nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu） 团簇的几何结构
• 3.4 小结
• nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu） 团簇的能量性质和磁性'>第四章 A_nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu） 团簇的能量性质和磁性
• nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu,n = 1 - 3） 团簇的结合能'>4.1 A_nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu,n = 1 - 3） 团簇的结合能
• nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu,n = 1 - 3） 团簇的离解能'>4.2 A_nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu,n = 1 - 3） 团簇的离解能
• nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu,n = 1 - 3） 团簇的磁性'>4.3 A_nC₂（A=Fe,Co,Ni,Cu,n = 1 - 3） 团簇的磁性
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢