鼓型CoB16-团簇电子结构的探索：罕见的Co(-1)氧化态

本文发现CoB₁₆^-团簇由两个对称、上下错位相连的B₈环和位于中心的Co原子组成,它代表了金属掺杂硼纳米管结构的潜在雏形,这一发现为设计一维金属-硼纳米结构提供了机会. 本文报道了CoB₁₆^-新的实验光电子能谱,并采用量子化学方法对其电子结构和化学成键特性进行了详细的电子结构分析,为进一步了解金属掺杂硼纳米管结构的化学键和稳定性提供了深入的见解. 有趣的是,发现该类体系的中心Co原子具有异常低的氧化态,即负一价钴(-1). 因此中性CoB₁₆分子可以被视为配体到金属的电荷转移化合物(Co^-@BB₁₆⁺). 研究表明,掺杂金属和硼管之间的相互作用来源于共价和静电作用的相互协调,硼元素低的电负性使得硼团簇成为形成各种低价态化合物的重要化学配体.     

Co_2B_n(n=1-8)团簇几何结构的密度泛函理论研究

受到小型环状和管状的双金属掺杂硼团簇的启发,采用密度泛函理论,在B3LYP/6-311+G(d)水平下对Co_2B_n(n=1-8)团簇的几何结构、相关稳定性、电子性质和磁性进行了的研究.研究结果表明:当n≤5时,团簇的最低能量结构为平面结构.当6≤n≤8时,团簇的最低能量结构为立体结构.对团簇的平均原子结合能、二阶差分能量、HOMO-LUMO能隙、垂直电子亲和能、垂直电离能和化学硬度分析结果表明,Co2B_7具有幻数特征.对Co_2B_n(n=1-8)团簇的总磁矩计算表明其和团簇的自旋态有很强的关系,而且团簇的总磁矩主要由钴原子的3d轨道所贡献.     

CoBn(n≤19)团簇结构、电子性质和磁性的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation, GGA)方法, 对不同自旋多重度的CoBn(n≤19)团簇的平衡几何结构、电子性质和磁性进行了研究. 随着尺寸的增加, CoBn(n≤19)团簇最低能量结构从平面结构逐步演变为立体结构, Co从主团簇的外部向内部转移. 团簇最低能量结构的二阶能量差分表明CoB3、CoB7、CoB10、CoB12、CoB14和CoB16团簇较相邻团簇稳定. Co的掺杂增强了硼团簇的化学活性. 最低能量结构中Co的d轨道和B的p轨道存在着明显的杂化. 当n<13, Co处于主团簇的外部时, Co的带电量为正, Co具有磁矩. 当n≥13, Co处于主团簇的内部时, Co的带电量为负, Co的磁矩几乎为零. 团簇最低能量结构的总磁矩主要来自Co的3d轨道的贡献, 且总磁矩随团簇尺寸增大呈现奇偶振荡.     

V_nB_(8(n+1))~-(n=1-3)团簇的几何结构、电子和光谱特性

基于密度泛函理论和卡里普索结构预测方法,系统研究了V_nB_(8(n+1))~-(n=1-3)团簇的几何结构、电子和光谱特性.首先,利用卡里普索结构预测方法确定了VB_(16)~-的基态结构为高对称性的C_(2v)点群对称结构.在此基态结构基础上,通过堆积的方式优化得到了V_2B_(24)~-和V_3B_(32)~-团簇的基态结构.结果显示,V_2B_(24)~-和V_3B~(32)~-团簇分别拥有高对称性的C_(4h)和D_(8d)点群对称结构.基于上述基态结构,系统分析了不同尺寸团簇的自然布局分布和自然电子组态、Mayer键级和电子局域函数.最后,讨论了不同团簇的红外、拉曼光谱等光谱特性,为过渡金属钒掺杂硼基纳米材料的研究提供理论参考.     

掺Be硼团簇BeB_n~(0/–)(n=10—15)的基态结构和性质

基于密度泛函理论结合粒子群优化算法程序CALYPSO研究了掺Be硼团簇BeB_n~(0/–)(n=10—15)的基态几何结构;然后采用密度泛函理论分析了最低能量结构的电子结构、极化率、红外光谱、紫外可见光谱特性.研究结果表明:BeB_(10)~(0/–),BeB_(11)~-,BeB_(12)~(0/-),BeB_(14)~-具有平面或准平面结构;BeB_(11),BeB_(13),BeB_(13)~-,BeB_(14)分别具有半三明治结构、圆锥结构、笼型结构、压扁的管状结构;BeB_(15)~(0/-)呈现手性对称结构.自然布居分析(NPA)表明掺杂Be原子将电子转移给硼原子.团簇的平均结合能分析可得,阴离子比相应中性团簇的稳定性强;另外,随着n的增加,中性和阴离子团簇的稳定性增强.准平面结构BeB_(10),BeB_(11)~-,BeB_(12)团簇的适应性自然密度划分(AdNDP)分析表明,s键促进了整个分子的稳定性,多中心π键进一步稳定了整个分子;另外,这三个团簇满足6个π电子Hückel规则(4m+2),具有芳香性.极化率分析可得,平面或准平面结构的每个原子的平均极化率大于其它结构,说明平面或准平面结构的电子离域效应较大;BeB_(13)~-,BeB_(14)~-具有较大的第一超极化率,说明具有较强的非线性光学响应.红外光谱分析表明这些团簇具有不同的特征峰,可用于鉴别这些结构;闭壳层结构团簇的紫外可见光谱在可见光波段都有吸收峰,开壳层结构团簇的紫外可见光谱在红外光波段都有吸收峰.     

Co掺杂(ZnO)12团簇的结构和磁性质

采用第一性原理密度泛函理论系统地研究Co原子单掺杂和双掺杂(ZnO)₁₂团簇的结构和磁性质.考虑三种掺杂方式:替代掺杂,外掺杂和内掺杂.首先比较各种掺杂团簇的稳定性.结果表明,不管是单掺杂还是双掺杂,外掺杂团簇都是最稳定结构.在结构优化的基础上,对掺杂的(ZnO)₁₂团簇进行磁性计算.发现团簇磁矩主要来自Co-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原子也产生少量自旋.Co原子之间的磁性耦合由直接的Co-Co反铁磁耦合和Co和O原子之间通过p-d杂化产生的铁磁耦合这两种相互作用的竞争决定.研究发现外双掺杂团簇存在铁磁耦合,在纳米量子器件有潜在的应用价值.     

ThTiO_4~(-/0),Th_2TiO_6~(-/0)和ThTi_2O_6~(-/0)的电子结构和化学成键的密度泛函理论研究

本文采用B3LYP密度泛函理论方法,探究双核、三核掺杂钍氧簇体系ThTiO_4~(-/0)、Th_2TiO_6~(-/0)和ThTi_2O_6~(-/0)的几何构型、电子结构和化学成键等规律,并与等价电子体(TiO_2)-/0n(n=2,3)进行对比,研究掺杂效应对于掺杂体系的结构和成键等性质的影响.结果表明:掺杂钍氧簇与其等价电子体(TiO_2)-/0n(n=2,3)具有类似的键连方式.ThTiO_4~-中单电子占据的位置与Ti2O-4中单电子的所处位置类似,都是被两个金属原子共用,而Th_2 TiO_6~-,Th Ti_2O_6~-以及Ti_3O_6~-中的单电子均处于那个不含端氧的金属原子上.     

Cu-Co双金属团簇结构演化及其性质的分子动力学模拟

采用分子动力学结合嵌入原子方法对比研究了Co分布于Cu-Co团簇不同层的结构和性质.研究表明:Co原子分层掺杂可对团簇的结构转变点和熔点进行诱导控制;分层掺杂的Cu-Co团簇第一相变是一种扩散度较小的由立方八面体转变为二十面体的相变;Co原子易于向低能态团簇的亚表层(111)面偏析,从而诱导团簇结构紊乱,造成其熔点差异.     

过渡金属掺杂钛酸纳米管的电子结构和光学性质研究

采用平面波超软赝势方法计算了过渡金属(TM)(Fe,Co或者Ru)掺杂钛酸纳米管的电子结构及光学性质.对TM取代钛酸纳米管层间间隙位H+的几何结构进行优化,发现掺杂对几何结构的影响较大,其中Co或者Ru掺杂的形成能均较低.此外,掺杂的TM与周围的O原子成键,有形成固熔体的趋势.掺杂后的能带结构分析表明:Fe,Co或者Ru掺杂导致钛酸纳米管禁带宽度减小并且于禁带中引入了新的能级,这主要归因于b1g(dx2-y2)及a1g(dz2)态的出现;部分杂质能级处于半填充状态,成为空穴的俘获中心,减少电子和空穴的复合;掺杂后,价带顶向低能方向移动,使价带中形成的空穴氧化性更强.最后,掺杂的钛酸盐纳米管的吸收光谱显示,Ru掺杂的钛酸纳米管导致其在可见光范围内有更强的吸收.     

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.     

MSin(M=Y、Pd、La、Yb、Lu)团簇的几何结构及电子性质

利用相对论密度泛函理论在广义梯度近似下研究了MSin(M=Y、Pd、La、Yb、Lu)团簇的结构、稳定性、电子和磁学性质。通过具体的计算和讨论发现：在n≤10时,所有掺杂的金属原子都位于Si原子的外部,具体位置也不尽相同。从n=11开始,随着团簇尺寸的增大,金属原子逐渐陷入Sin团簇的内框架之中,逐渐形成趋于笼形的结构。尤其是金属原子Pd,在n=11时就较早的陷入了Sin团簇的中心,形成笼状的基态结构。在n=16时,我们所研究的所有金属原子都完全陷入了Sin团簇的二十面体的中心。此外,我们还对团簇的磁性进行了计算,结果显示：TMSin团簇的磁性很小,并且从n=6开始,团簇TMSin的磁矩发生“淬灭”。从Mulliken电荷布局分析发现,除了PdSin团簇外,团簇的电荷转移方向随着团簇尺寸的增大发生改变,团簇的轨道杂化主要发生s-p-d轨道电子之间。     

第一性原理对SinMg(n=1-12)团簇结构、稳定性与电子性质的研究

运用密度泛函理论(DFT)的杂化密度泛函B3LYP方法,在6-311G基组水平上对 团簇进行了构型优化、频率分析与电子性质计算.同时讨论了团簇的平均结合能、能级间隙、二阶能量差分、自然电子布居、极化率.研究结果表明： 团簇的基态绝大多数为立体结构. 时,体系的基态为自旋三重度, 时,则为单重态.镁原子的掺入使得主团簇的电子性质发生了明显的变化,掺杂使体系的平均结合能降低,能隙减小,化学硬度减小,电子亲和能增大.电子总是从 原子向 原子转移.团簇中原子之间的成键相互作用随n的增大 而增强,团簇的电子结构随n的增大而趋于紧凑.     

ConAl (n= 1–8)合金团簇结构和磁性质研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似(DFT-GGA)对Co_nAl (n= 1–8)合金团簇进行了系统的几何、 电子结构和磁性质研究. 研究结果表明Al原子倾向于与Co原子形成最大的成键数, 即Al原子均处在团簇原子拥有最大配位数的位置上. Al掺杂后Co_nAl团簇的稳定性减弱, 磁性降低. 磁性降低的幅度与实验上对较大Co_nAl_M团簇的磁性检测结果获得了很好地符合. 在所有Co_nAl团簇的最稳定结构中, 除Co₄Al外, Al与近邻Co原子均呈现反铁磁性耦合. 相对于纯Co团簇,非磁性Al元素的掺入以及Al掺杂后Co原子整体自旋极化的减弱 是导致Co_nAl团簇磁性的降低主要原因. 关键词： nAl合金团簇')" href="#">Co_nAl合金团簇 几何结构 磁性 自旋极化     

(AlB2)m (m=1~6) 团簇的几何结构和电子性质

采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法得到了(AlB2)m团簇的平衡几何结构. 计算并分析了基态掺杂团簇的平均结合能、电离势、能隙和前线分子轨道. 结果表明：掺杂团簇(AlB2)m (m=1~6)整体上具有较高化学活性,(AlB2)5团簇具有金属特征. Al原子总是向团簇外围扩散并且以配位数较少的方式与主团簇结合,团簇表现出以AlB2分子为基元生长的迹象. B-Al键长大于B-B键长. 电荷总是从Al原子转移到B原子. (AlB2)m团簇中B原子的2p轨道在成键中起主要作用,并使(AlB2)m团簇趋于形成离域π键.     

Co_mAl_n(m+n≤6)团簇的结构和磁性理论研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似(DFT-GGA)对ComAln(m+n 6)合金团簇进行了系统的几何、电子结构和磁性质研究.研究结果发现ComAln(m+n 6)团簇最稳定结构倾向于形成Co—Al成键数最多的构型,其中的Co—Al二元合金团簇的最稳定结构类似于纯钴团簇.随着Al原子数的增多,团簇的平均磁矩呈线性降低趋势.ComAl(m=2—5)团簇的总磁矩均比Com+1团簇的小4μB,与实验上对较大CoNAlM团簇的磁性检测结果获得了很好地符合.ComAln团簇磁性的降低主要归因于非磁性Al元素的掺入以及Al掺杂后Co原子的整体自旋极化减弱.     

密度泛函方法研究Nb2Sin(n=1～6)团簇

运用密度泛函方法在(U)B3LYP/LanL2DZ水平上研究了两个铌原子掺杂硅团簇的几何和电子结构。计算结果表明,Nb2Sin(n=1～6)团簇相对最稳定的结构基本上都保持了Sin+2团簇基态构型的框架,且除了Nb2Si2团簇外,所有的基态都是单重态构型.Nb2Si3的分裂能最大,成为Nb2Sin( n=1～6)团簇中热力学稳定性最强的. 在Nb2Si团簇和Nb2Si2 团簇中电子是从Nb原子向Si原子转移的;当n=3～6时,两个Nb原子的自然电子布局为负,说明Nb2Sin(n=3～6)团簇原子中带电子从Si原子转移到两个Nb原子,电子转移方向发生了改变,即发生了电子反转现象。     

第一性原理对Si_nMg(n=1～12)团簇结构、稳定性与电子性质的研究

运用密度泛函理论(DFT)的杂化密度泛函B3LYP方法,在6-311G基组水平上对SinMg(n=1～12)团簇进行了构型优化、频率分析与电子性质计算.同时讨论了团簇的平均结合能、能级间隙、二阶能量差分、自然电子布居、极化率.研究结果表明:SinMg(n=1～12)团簇的基态绝大多数为立体结构.n=1时,体系的基态为自旋三重度,n≥2时,则为单重态.镁原子的掺入使得主团簇的电子性质发生了明显的变化,掺杂使体系的平均结合能降低,能隙减小,化学硬度减小,电子亲和能增大.电子总是从Mg原子向Si原子转移.团簇中原子之间的成键相互作用随n的增大而增强,团簇的电子结构随n的增大而趋于紧凑.     

Co掺杂ZnTe团簇结构和磁性质

本文采用第一性原理密度泛函理论系统的研究了Co原子单掺杂和双掺杂(ZnTe)_(12)团簇的结构和磁性质.考虑了两种掺杂方式:替代掺杂和间隙掺杂.不管是单掺杂还是双掺杂,间隙掺杂团簇都是最稳定结构.Co掺杂团簇的磁性依赖于Co原子周围环境.最重要的是,我们指出替代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.     

密度泛函理论对CoBen(n=1—12)团簇结构和性质的研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似(GGA)对CoBe_n(n=1—12)团簇的几何构型进行优化，并对能量、频率和磁性进行了计算，同时考虑了电子的自旋多重度.得到了CoBe_n(n=1—12)团簇最低能量结构的自旋多重度是2和4.在CoBe_n(n=1—12)团簇中，Co原子的磁矩出现了奇偶振荡，当n=6时，Co原子的4s，3d和Be原子的2s，2p较强杂化、Co-Be键长的减小以及对称性的降低导致Co原子的磁矩最小.通过对CoBe_n(n=1—12)团簇电子性质的分析，得出了掺杂可以增强团簇稳定性和有利于增加合金化学活性的结论.n=5，10是团簇的幻数. 关键词： n团簇')" href="#">CoBe_n团簇 自旋多重度 磁矩 电子性质     

CoAlN(N=2-11)团簇基态结构的稳定性和磁性

采用密度泛函理论中的广义梯度近似(GGA),对CoAlN(N=2-11)团簇进行构型优化和磁性计算.在考虑自旋多重度的情况下得到了团簇的平衡构型及基态结构,并重点讨论了Co原子的sp-d杂化效应对体系稳定性和磁性的影响.结果表明:N为偶数时,团簇的基态为自旋双重态,Co原子磁矩随N增加整体上呈减小趋势;N为奇数时(除N=5为自旋三重态外),团簇的基态为自旋单重态,Co原子磁矩为零.N≥8时,Co原子陷入主团簇内部,体系的对称性降低,稳定性增强;轨道杂化增强了体系的稳定性,但减小了双重态和三重态体系中Co原子的磁矩;N=3,8,10是团簇CoAlN(N=2.11)的幻数.