水团簇掺杂实验方法研究进展

水是空间中最常见的分子之一,也是地球上生物赖以生存的最有价值的物质资源.水团簇的研究对于水资源的实际利用具有重要作用,同时水团簇还可作为理想的水微观模型,可拓展物理化学基础科学的发展,并为溶剂和溶质之间尺寸依赖的解离性质及相互作用等研究提供借鉴.另外一方面,气相酸性混合水团簇近年来引起了学界高度重视,如实验及理论工作一直在寻求纯水团簇和掺杂酸性分子水团簇的最小能量结构等.简而言之,掺杂外来分子或原子可极大地扩展了水团簇科学研究范围.目前在实验上掺杂水团簇的方法有多种,本文对此做出简要的综述,比较各种掺杂方法的特点,以方便研究者在实验上更有效地应用水团簇掺杂实验方法.     

超声喷流氩氢混合团簇特性研究

利用瑞利散射方法研究了超声喷流Ar-CH4混合团簇和超声喷流Ar-H2混合团簇的特性.通过测量不同混合比例和不同背压下所形成混合团簇的散射信号发现,当用Ar气和CH4的混合气体进行超声喷流时很容易形成Ar-CH4混合团簇,当Ar气含量为50%时混合团簇尺度最大且大于相同气压下纯Ar团簇尺度和纯CH4团簇尺度.实验发现,与纯H2团簇只能在低温条件下获得不同,常温下即可形成Ar-H2混合团簇,实现了常温下含氢团簇的获取,从而有效降低了制备成本.在H2含量大于40%时混合团簇开始形成并在60%时达到最大尺度.含氢(氘)混合团簇在氢(氘)团簇的基础上引入了更重的异核Ar元素,在激光氘团簇聚变实验中它将进一步加速氘离子从而获得更高的能量,并具有更高的中子产额和聚变效率.     

Fe-Ni混合团簇基态结构的遗传算法研究

采用半经验的Gupta多体势结合遗传算法对不同组分的FenNim(N=n+m, N=13,38)混合团簇的基态结构和性质进行了模拟研究。结果显示：总原子数为13的混合团簇基态几何构型是基于单质团簇的基态二十面体结构,并且随着Fe原子数的增加表现出Fe原子首先占据中心位置的规律性;对总原子数为38的混合团簇,在轻混合（类掺杂）情形（ ）下基态几何构型为类似于纯单质团簇基态的截角八面体结构,而在重混合（n=16-33）时基态几何结构表现为不同于单质团簇的类截角二十面体构型;分析二级差分能表明Fe1Ni12、Fe7Ni31及Fe14Ni24具有相对高的稳定性,我们提出了基于有效键数的简化模型以解释此幻数结构序列     

Fe-Ni混合团簇基态结构的遗传算法研究

采用半经验的Gupta多体势结合遗传算法对不同组分的FenNim(N=n+m,N=13,38)混合团簇的基态结构和性质进行了模拟研究.结果显示:总原子数为13的混合团簇基态几何构型是基于单质团簇的基态二十面体结构,并且随着Fe原子数的增加表现出Fe原子首先占据中心位置的规律性;对总原子数为38的混合团簇,在轻混合(类掺杂)情形(n≤15,34≤n≤38)下基态几何构型为类似于纯单质团簇基态的截角八面体结构,而在重混合(n=16～33)时基态几何结构表现为不同于单质团簇的类截角二十面体构型;分析二级差分能表明Fe1Ni12、Fe7Ni31及Fe14Ni24具有相对高的稳定性,我们提出了基于有效键数的简化模型以解释此幻数结构序列.     

过渡金属原子钴掺杂硅团簇CoSi6-9的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论对CoSin(n=6-9)中性团簇的几何结构演化和电子结构性质进行研究,结果表明Co掺杂硅团簇的最小笼状尺寸是n=9,其中Co原子被扭曲状的Si9棱柱包拢。CoSi8团簇由于存在多个能量相近的异构体,导致团簇的吸附活性降低。自然电荷布局分析表明对于笼状的Co@Si9团簇,其电荷主要分布在外围的硅笼,内部的Co原子通过spd杂化与外部硅笼成键,这保持了笼状团簇的稳定。     

过渡金属原子钴掺杂硅团簇CoSi6-9的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论对CoSin(n=6-9)中性团簇的几何结构演化和电子结构性质进行研究,结果表明Co掺杂硅团簇的最小笼状尺寸是n=9,其中Co原子被扭曲状的Si9棱柱包拢。CoSi8团簇由于存在多个能量相近的异构体,导致团簇的吸附活性降低。自然电荷布局分析表明对于笼状的Co@Si9团簇,其电荷主要分布在外围的硅笼,内部的Co原子通过spd杂化与外部硅笼成键,这保持了笼状团簇的稳定。     

Cr掺杂ZnSe团簇稳定性和磁性质

本文采用密度泛函理论研究了Cr原子单掺杂和双掺杂(ZnSe)_(12)团簇的结构、电子性质和磁性质.考虑了三种掺杂方式:替代掺杂,外掺杂和内掺杂.单掺杂时,外掺杂团簇是最稳定结构,而对于双掺杂,内掺杂团簇是最稳定结构.团簇磁矩主要来自Cr-3d态的贡献,4s和4p态也贡献了一小部分磁矩.由于轨道杂化,相邻的Zn和Se原子上也产生少量自旋.结果显示Cr原子间的磁性耦合是短程相互作用.     

Cu原子掺杂在Al团簇中的结构和电子性质

利用密度泛函理论,对Al_n(n=1～15)团簇中掺杂Cu原子后的双金属团簇进行了研究,在结构优化的基础上,同时计算了双金属团簇的电子性质,即电子亲和能、电离势、Cu原子的Mulliken分布、平均极化率、极化率的各向异性、偶极矩及HOMO-LUMO能隙随团簇尺寸增加时的变化情况. 结果表明,Cu掺杂Al团簇的双金属团簇中也存在幻数结构,团簇的电子性质随团簇尺寸大小出现不规则的奇偶振荡变化. n=13的团簇电子亲和能和电离势与毗邻团簇相比,其变化要大于0.3和0.6 eV.     

甲烷团簇与氘团簇的团簇源特性比较

利用瑞利散射法测量了特定喷嘴产生的甲烷团簇及氘团簇的大小随背压的变化曲线。将团簇大小的实验值与Hagena理论进行了比较,当背压超过3MPa时,两种团簇的实验值都明显高于理论值。实验发现,特定喷嘴在相同的背压下,常温(298K)甲烷团簇尺寸小于低温(80K)氘团簇尺寸,而甲烷团簇中氢原子数至少是氘团簇中氘原子数的1.98倍。     

CuSi6团簇几何结构和性质的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,采用全电子基组6-311+G(d)研究了CuSi6团簇的几何构型和电子结构性质,计算表明CuSi6团簇存在多个能量相近的稳定异构体,且结构中存在多个Cu-Si键,多个低能异构体共存解释了实验中观察到的CuSi6团簇较强的现象。对于CuSi6团簇,计算得到的三个最稳定异构体的垂直电离能,电子亲和能和HOMO-LUMO能隙均相对较大,也表明这三个异构体较为稳定。     

钒掺杂硫化锌团簇稳定性和磁性质研究

本文采用密度泛函理论研究了V原子单掺杂和双掺杂(ZnS)12团簇的几何结构和能量稳定性。我们考虑了三种掺杂方式：替代掺杂,外掺杂和内掺杂。单掺杂时,替代掺杂团簇是最稳定结构,而对于双掺杂,外掺杂团簇是最稳定结构。团簇磁矩主要来自V-3d态的贡献,4s和4p态也贡献了一小部分磁矩。由于轨道杂化,相邻的Zn和S原子上也产生少量自旋。结果显示V原子间的磁性耦合是短程相互作用。相邻V原子之间的磁性耦合由直接的V-V反铁磁耦合和两个V和S原子之间通过p-d杂化产生的铁磁耦合这两中相互作用的竞争来决定。     

Fe掺杂ZnSe团簇结构和磁性质

采用密度泛函理论研究了Fe原子单掺杂和双掺杂(ZnSe)12团簇的结构、电子性质和磁性质.我们考虑了三种掺杂方式:替代掺杂,外掺杂和内掺杂.单掺杂时,外掺杂团簇是最稳定结构;而双掺杂时,内掺杂团簇是最稳定结构.团簇磁矩主要来自Fe-3d态的贡献,4s和4p态也贡献了一小部分磁矩.由于轨道杂化,相邻的Zn和Se原子上也产生少量自旋.不同掺杂团簇的总磁矩不同,在可调磁矩的磁性材料领域有潜在应用价值.     

甲烷团簇与氘团簇的团簇源特性比较

利用瑞利散射法测量了特定喷嘴产生的甲烷团簇及氘团簇的大小随背压的变化曲线。将团簇大小的实验值与Hagena理论进行了比较,当背压超过3 MPa时,两种团簇的实验值都明显高于理论值。实验发现,特定喷嘴在相同的背压下,常温(298 K)甲烷团簇尺寸小于低温(80 K)氘团簇尺寸,而甲烷团簇中氢原子数至少是氘团簇中氘原子数的1.98倍。     

钒掺杂硫化锌团簇稳定性和磁性质研究

本文采用密度泛函理论研究了V原子单掺杂和双掺杂(ZnS)12团簇的几何结构和能量稳定性.我们考虑了三种掺杂方式:替代掺杂,外掺杂和内掺杂.单掺杂时,替代掺杂团簇是最稳定结构,而对于双掺杂,外掺杂团簇是最稳定结构.团簇磁矩主要来自V-3d态的贡献,4s和4p态也贡献了一小部分磁矩.由于轨道杂化,相邻的Zn和S原子上也产生少量自旋.结果显示V原子间的磁性耦合是短程相互作用.相邻V原子之间的磁性耦合由直接的V-V反铁磁耦合和两个V和S原子之间通过p-d杂化产生的铁磁耦合这两中相互作用的竞争来决定.     

重离子物理研究所团簇研究进展

对北京大学重离子物理研究所进行的团簇产生设备的研制，团簇的产生及其性质的研究进行了描述，利用自行研制一台气体载带溅射原子轻液氮冷凝的团簇产生设备，成功地制备了多种金属及其化合物团簇，发现了支持Ｃｕ团簇的“收缩效应”最大收缩率为４．７％，研究了加速电压对ＩＣＢＤ薄膜的影响，发现加速电压越多，形成的Ｃｕ薄膜越光滑，当加速电压达到１８ｋＶ时，得到表面非常平滑的薄膜。     

V掺杂ZnO团簇的结构和磁性质

本文采用第一性原理密度泛函理论系统的研究了V原子单掺杂和双掺杂(ZnO)12团簇的结构和磁性质。我们考虑了三种掺杂方式：替代掺杂,外掺杂和内掺杂。单掺杂时,替代掺杂团簇是最稳定结构,而对于双掺杂,外掺杂团簇是最稳定结构。团簇磁矩主要来自V-3d态的贡献,4s和4p态也贡献了一小部分磁矩。由于轨道杂化,相邻的Zn和O原子上也产生少量自旋。V原子掺杂团簇的总磁矩与掺杂位置有关,说明V掺杂(ZnO)12团簇在可调磁矩的磁性材料领域有潜在应用价值。     

V掺杂ZnO团簇的结构和磁性质

本文采用第一性原理密度泛函理论系统的研究了V原子单掺杂和双掺杂(ZnO)_(12)团簇的结构和磁性质.我们考虑了三种掺杂方式:替代掺杂,外掺杂和内掺杂.单掺杂时,替代掺杂团簇是最稳定结构,而对于双掺杂,外掺杂团簇是最稳定结构.团簇磁矩主要来自V-3d态的贡献,4s和4p态也贡献了一小部分磁矩.由于轨道杂化,相邻的Zn和O原子上也产生少量自旋.V原子掺杂团簇的总磁矩与掺杂位置有关,说明V掺杂(ZnO)_(12)团簇在可调磁矩的磁性材料领域有潜在应用价值.     

密度泛函理论研究MgnOn(n=2—8)团簇的结构和电子性质

采用密度泛函理论中的广义梯度近似对MgnOn(n=2-8)团簇的几何构型进行优化,并对能量、频率和电子性质进行了计算.结果表明,当n=2,3时,团簇的最低能量结构是平面结构;当n≥4时.团簇的最低能量结构可以看成是由Mg2O2和Mg3O3单元组成的三维结构.O-Mg-O的钝角和较多的电荷转移对团簇的稳定性起着重要的作用.随着团簇尺寸的增大,转移的电荷逐渐增加,转移的电荷量有达到块体中电荷值的趋势.团簇的垂直电离势、亲和势和最高已占据轨道与最低未占据轨道的能隙表明,Mg3O3和Mg6O6是稳定的团簇.     

3d过渡金属掺杂M_2@Si_(20)(M=Sc-Zn)团簇的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论(DFT)研究3d过渡金属掺杂硅团簇的几何结构和稳定性,计算了绝热电子亲和能和垂直电离能,内嵌双金属间距,自旋磁矩等.结果表明内嵌的Sc、Ti、V、Mn金属二聚体和十二面体硅笼构成了稳定的富勒烯结构,随着d电子数目的增加其内嵌的富勒烯构型有部分畸变,总体而言Si_(20)团簇掺杂双金属后稳定性得到了提高.     

Mn掺杂(ZnSe)12团簇物性研究

采用密度泛函理论研究Mn原子单掺杂和双掺杂（ZnSe）₁₂团簇的结构、电子性质和磁性质.考虑三种掺杂方式：替代掺杂,外掺杂和内掺杂.比较掺杂团簇的稳定性.结果表明：无论是单掺杂还是双掺杂,替代掺杂团簇是最稳定结构.在结构优化的基础上对掺杂团簇进行磁性计算.团簇磁矩主要来自Mn原子3d态的贡献,4s和4p态贡献了一小部分磁矩.由于轨道杂化,相邻的Zn和Se原子上产生少量自旋.研究发现：内双掺杂团簇是铁磁耦合,在纳米量子器件领域有潜在的应用价值.