原子团簇的稳定结构和幻数

原子团簇介于原子分子和宏观凝聚物质之间 ,一般产生于非平衡条件 ,其结构和性质随所含原子数目而变化。当含有某些特定原子数时 ,团簇特别稳定 ,这就是“幻数”。本文重点讨论几种典型团簇的幻数及其演变规律 ,说明“幻数”是团簇的基本属性之一及其与键合方式的关系     

原子团族的稳定结构和幻数

原子团族介于原子和宏观凝聚物质之间，一般产生于非平衡条件，其结构和怀质随所含原子数目而变化。当含有某些特定原子数时，团族特别稳定，这就是“幻数”。本重点讨论几种典型团族的幻数及其演变规律，说明“幻数”是团族的基本属性之一及其与键合方式的关系。     

第一性原理计算LiNBe(N=1～12)团簇的基态结构及其电子性质

从第一性原理出发利用密度泛函理论(DFT)计算了LiNBe(N=1-12)团簇的基态结构及其电子性质.计算结果表明:铍掺杂锂团簇LiNBe(N=1-12)的基态结构相当于Be原子取代LiN 1主团簇基态结构中一个Li原子的位置;当团簇尺寸N≥6时,杂质原子Be被束缚在主团簇笼子内;随着团簇尺寸增大,团簇的离解能和二阶能量差分均出现了奇-偶振荡;从结构稳定性上来看,Li6Be是个幻数团簇.     

密度泛函理论对PbnS(n=1-13)团簇结构和电子性质的研究

利用密度泛函理论中的广义梯度近似(GGA)对PbnS(n=1-13)团簇进行几何结构优化,并对能量和频率进行计算,得到了PbnS(n=1-13)团簇的基态结构和稳定结构。计算结果表明：PbnS团簇的平均结合能比Pbn团簇的平均结合能要大,且n=4和10为PbnS团簇的幻数。在PbnS团簇中,电荷都是从Pb原子向S原子转移且以共价键和离子键共存。     

密度泛函理论对PbnS(n=1-13)团簇结构和电子性质的研究

利用密度泛函理论中的广义梯度近似(GGA)对PbnS(n=1～13)团簇进行几何结构优化,并对能量和频率进行计算,得到了PbnS(n=1～13)团簇的基态结构和稳定结构.计算结果表明:PbnS团簇的平均结合能比Pbn团簇的平均结合能要大,且n=4和10为PbnS团簇的幻数.在PbnS团簇中,电荷都是从Pb原子向S原子转移且以共价键和离子键共存.     

密度泛函理论研究Be_nNa(n=2~14)团簇的结构及其电子性质(英文)

基于密度泛函理论研究了BenNa(n=2~14)团簇的最低能量结构及其电子性质,具体采用的计算方法是B3LYP/6-311G(d).对于每一尺寸的团簇,我们从多个可能构型出发来寻找其最低能量结构.计算结果表明:钠原子易于附着在铍团簇的表面;Be4Na和Be9Na均具有较高的平均结合能及能隙,n=4,9是团簇的幻数;在所有的BenNa(n=2~14)团簇中,钠原子均失去电子;随着团簇尺寸n的增大,团簇内部原子间的相互作用是共价键和金属键共存.     

第一性原理计算MgBeN(N=1-7)团簇的最低能量结构及其电子性质

本文从第一性原理出发,利用密度泛函理论(DFT)计算了MgBeN(N=1-7)团簇的最低能量结构及其电子性质.计算结果表明,MgBeN(N=1-7)团簇最低能量结构的对称性与单一组分的铍团簇相比有所降低,Mg-Be最近邻原子间距和能隙随团簇尺寸的增加出现了振荡现象.从结构稳定性上来看,N=3是MgBeN(N=1-7)团簇的一个幻数.     

Fen、Nin(n=2～100)团簇基态结构与能量的模拟淬火算法研究

采用Gupta多体势结合分子动力学模拟退火及淬火方法、分别求解了Fen及Nin(n=2～100)团簇的最低能几何结构及能量. 结果表明：在所研究尺寸范围内除少数团簇的结构不同外,两类团簇具有相似的基态几何结构,在两类团簇结构演化中皆存在类Ih、类Oh、类D5h和Ih&D5h互嵌套类构型之间的竞争;分析团簇二阶差分能和剩余能表明两类团簇共同的幻数序列为：n=13、19、23、38及55,不同处为Ni26及Fe75 也分别为相应体系幻数团簇．对两类团簇分析其平均最近邻原子间距及平均配位数均可给出幻数成因．在所研究团簇尺寸范围内二者平均结合能均表现出随团簇尺寸增大而总体增大的普遍趋势,但Ni团簇的能量演化明显快于Fe团簇,这与实验观测镍团簇磁性演化明显快于铁团簇是完全一致的．     

SinMn (n=2--14) 的结构和电子性质

采用密度泛函理论对SinMn (n=2--14)的几何结构和电子性质进行了研究,结果表明,从Si12Mn 团簇开始,Mn原子陷入了Si原子形成的笼内;二阶能量差分,分裂能和垂直电离势都表明5,10,12是团簇的幻数,其中Si12Mn团簇是最稳定的;在所研究的团簇中,Si5Mn团簇中Mn原子的磁矩是最大的(3.923uB);Mn 原子的4s, 3d 和Si原子的3s, 4p的较强杂化是导致Mn原子磁矩减小的原因;当n ≥7时,SinMn团簇的总磁矩是1 uB.     

InSi_n(n=2-15)团簇结构、稳定性与电子性质的理论研究

使用卡里普索(CALYPSO)结构预测程序并结合密度泛函理论,在B3LYP/GENECP基组水平上,对InSi_n(n=2-15)团簇的几何结构进行优化与计算.结构优化表明:InSi_n团簇的最低能量构型趋于立体结构(n2),且形成In原子戴帽InSi_(n-1)团簇结构.稳定性分析发现InSi_(12)团簇为幻数结构,In原子的掺杂降低了Si_(n+1)团簇的稳定性.团簇中的电荷总是由In原子向Si原子转移.最后讨论了团簇的电子局域密度函数、红外与拉曼光谱.     

Ga6N6团簇结构性质的理论计算研究

在密度泛函理论的基础上，对Ga₆N₆团簇进行了第一性原理、全电子、从头计算，得到了10种可能的三维空间结构及其电子结构.其中最稳定结构的一对GaN原子的平均结合能为9.748 eV，因此是可能存在的.但与他人计算的Ga₃N₃和Ga₅N₅相比，Ga₆N₆团簇可能不属于“幻数”团簇.最稳定结构的Ga₆N_{6 关键词： GaN 团簇 电子结构}     

Fen、Nin(n=2～100)团簇基态结构与能量的模拟淬火算法研究

采用Gupta多体势结合分子动力学模拟退火及淬火方法、分别求解了Fen及Nin(n=2～100)团簇的最低能几何结构及能量. 结果表明：在所研究尺寸范围内除少数团簇的结构不同外，两类团簇具有相似的基态几何结构，在两类团簇结构演化中皆存在类Ih、类Oh、类D5h和Ih&D5h互嵌套类构型之间的竞争；分析团簇二阶差分能和剩余能表明两类团簇共同的幻数序列为：n=13、19、23、38及55，不同处为Ni26及Fe75 也分别为相应体系幻数团簇．对两类团簇分析其平均最近邻原子间距及平均配位数均可给出幻数成因．在所研究团簇尺寸范围内二者平均结合能均表现出随团簇尺寸增大而总体增大的普遍趋势，但Ni团簇的能量演化明显快于Fe团簇，这与实验观测镍团簇磁性演化明显快于铁团簇是完全一致的．     

第一性原理计算MgBeN（N=1～7）团簇的最低能量结构及其电子性质

本文从第一性原理出发，利用密度泛函理论（DFT）计算了MgBeN（N=1—7）团簇的最低能量结构及其电子性质．计算结果表明，MgBeN（N=1—7）团簇最低能量结构的对称性与单一组分的镀团簇相比有所降低，Mg-Be最近邻原子间距和能隙随团簇尺寸的增加出现了振荡现象，从结构稳定性上来看。N=3是MgBeN（N=1—7）团簇的一个幻数。     

AlnCl(n=2-14)团簇结构与电子性质的理论研究

运用卡里普索(CALYPSO)结构预测方法,在杂化密度泛函B3LYP/6-311G+(d)基组水平上,对AlnCl(n=2-14)团簇的几何结构与电子性质进行优化计算,并讨论了团簇的平均结合能、能隙、二阶能量差分、电离能、亲和能以及电子自然布局和极化率。研究结果表明：AlnCl(n=2-14)团簇的基态构型由简单平面几何结构向立体结构演化,形成Cl原子戴帽Aln-1Cl团簇结构;Cl原子的掺杂增大了Aln团簇的平均结合能;二阶能量差分、能隙、电离能、亲和能的变化表明Al7Cl是幻数团簇结构;团簇中的电荷总是由Al原子向Cl原子转移,原子之间的成键作用随着团簇尺寸的增大而增强。     

Co@Aun(n=1-8)团簇的几何结构和电子性质的理论研究

本文利用密度泛函PW91方法研究了Co@Aun(n=1-8)团簇的平衡结构、稳定性和磁矩。结构优化显示Co原子在低能异构体中趋于占据最高配位位置,基态Co@Aun(n=2-6)团簇为二维结构,Co@Au7和Co@Au8转变为三维结构。原子平均结合能、二阶能量差分及HOMO-LUMO能级间隙分析表明掺杂Co原子提高了金团簇的稳定性,改变了金团簇能级间隙的奇偶振荡性,n=5为掺杂团簇的幻数。磁矩的计算揭示Co@Aun团簇的磁性主要源于Co原子的3d轨道。     

Al_n(n=2～7)团簇的结构和能级分布

采用密度泛函B3LYP的方法研究了小原子团簇Al2～ 7的几何结构和能级分布 ,分析了随团簇原子数的增加 ,团簇的几何结构和费米能级的变化情况。研究结果表明 :Al2～ 7的团簇的几何结构在 5个原子以前为平面结构 ,而从六个原子开始为空间立体的稳定结构。电子壳层结构表明 ,在铝团簇中没有出现非常明显的象碱金属那样的稳定幻数结构。在Al2 ～Al7团簇中 ,能级结构呈现明显的分立特征 ,费米能级随着原子个数的增加而减小 ,到Al7时又有所增加 ,且团簇的能量间隙最小。     

BnTi(n=1-12)团簇的结构, 电子性质和磁性

利用密度泛函理论广义梯度近似方法得到了BnTi(n=1-12)团簇的基态结构, 并讨论了电子性质和磁性质. 结果表明, n≤5 时, BnTi 基态结构呈平面或准平面, n>5 时, Ti 原子倾向于与较多的B 原子成键而呈三维结构. 由二阶能量差分得出B3Ti, B5Ti, B10Ti 为幻数团簇. Mulliken 布居分析显示BnTi 团簇中电荷由Ti 原子向近邻B 原子转移且以共价键与离子键共存; 除BTi 磁矩为5 μB 外, 其余团簇磁矩处于0-2 μB 之间; 团簇总磁矩主要由Ti 原子的3d 轨道和个别B 原子提供. B3Ti和B7Ti 团簇中, B 原子表现为反铁磁性.     

BnTi(n=1-12)团簇的结构, 电子性质和磁性

利用密度泛函理论广义梯度近似方法得到了BnTi(n=1-12)团簇的基态结构, 并讨论了电子性质和磁性质. 结果表明, n≤5 时, BnTi 基态结构呈平面或准平面, n>5 时, Ti 原子倾向于与较多的B 原子成键而呈三维结构. 由二阶能量差分得出B3Ti, B5Ti, B10Ti 为幻数团簇. Mulliken 布居分析显示BnTi 团簇中电荷由Ti 原子向近邻B 原子转移且以共价键与离子键共存; 除BTi 磁矩为5 μB 外, 其余团簇磁矩处于0-2 μB 之间; 团簇总磁矩主要由Ti 原子的3d 轨道和个别B 原子提供. B3Ti和B7Ti 团簇中, B 原子表现为反铁磁性.     

Al_nCl(n=2-14)团簇结构与电子性质的理论研究

运用卡里普索(CALYPSO)结构预测方法,在杂化密度泛函B3LYP/6-311G+(d)基组水平上,对Al_nCl(n=2-14)团簇的几何结构与电子性质进行优化计算,并讨论了团簇的平均结合能、能隙、二阶能量差分、电离能、亲和能以及电子自然布居和极化率.研究结果表明:Al_nCl(n=2-14)团簇的基态构型由简单平面几何结构向立体结构演化,形成Cl原子戴帽Al_n-1Cl团簇结构;Cl原子的掺杂增大了Al_n团簇的平均结合能;二阶能量差分、能隙、电离能、亲和能的变化表明Al_7Cl是幻数团簇结构;团簇中的电荷总是由Al_原子向Cl原子转移,原子之间的成键作用随着团簇尺寸的增大而增强.     

利用密度泛函理论对MgBen(n=2-12)团簇的结构及其电子性质

利用密度泛函理论对MgBen(n=2-12)团簇的结构和电子性质进行了研究. 较高的能隙和结合能都表明，3和9是团簇的幻数；随着团簇尺寸的增加，Be原子间的相互作用由范德瓦尔斯到共价键以及金属键过渡. 与Be主团簇相比，MgBen(n=2-12)团簇较早地出现了金属性. 通过电子性质的分析发现，掺杂Mg原子降低了主团簇的稳定性.