MC20F20(M=Li,Na,Be和Mg)几何结构和电子性质的密度泛函计算研究

采用密度泛函理论(density functional theory, DFT)中的广义梯度近似(generalized gradient approximation, GGA)对MC20F20(M=Li,Na,Be和Mg)的几何结构和电子性质进行了计算研究.几何结构研发现:随着内掺原子序数的增加,金属原子M对C20F20中的C-C键的影响越来越大,而对C-F键的影响甚微.掺杂能计算表明:MC20F20的掺杂能均为负值,需要在一定的实验条件下才能被合成.内掺碱金属和碱土金属分别产生了两类截然不同的能隙和磁性.其中,内掺碱金属的能隙非常小,且带有1μB的净磁矩,表现出磁性;而内掺碱土金属的能隙比C60的能隙还大,净自旋为0,表现出非磁性.     

X@C20F20(X=He,Ne,Ar,Kr)几何结构和 电子结构的理论研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似, 对X@C₂₀F₂₀(X=He, Ne, Ar, Kr)几何结构和电子结构进行了计算研究. 几何结构优化发现: 惰性气体原子X内掺到C₂₀F₂₀笼后, 均稳定于碳笼中心, 随着内掺X原子序数的增大, X原子对C₂₀F₂₀笼的影响越来越大. 能隙、内掺能和振动频率计算表明: 内掺X原子使得C₂₀F₂₀的稳定性得到了显著提升, X@C₂₀F₂₀(X=He, Ne, Ar, Kr)都具有良好的稳定性, 并且随着X原子序数的增大, 其稳定性也基本呈现逐渐增强的趋势. 电子结构研究发现: X原子对X@C₂₀F₂₀费米能级附近的占据轨道基本没有贡献, 而对其未占据轨道贡献较大. 计算还发现: 在X@C₂₀F₂₀中, He 和Kr分别从C₂₀F₂₀的C 笼上获得了0.126和0.271个电子, 而Ne和Ar却分别向C笼转移了0.060和0.012个电子. 由此可见: X原子与C原子之间都发生了电荷转移, C笼上的C原子与惰性气体原子X间形成了一定的离子键.     

内掺过渡金属非典型富勒烯M@C22(M=Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni) 几何结构、电子结构、稳定性和磁性的密度泛函研究

采用密度泛函理论中广义梯度近似对非典型富勒烯C₂₂和过渡金属内掺衍生物M@C₂₂(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co和Ni)的几何结构和电子结构进行计算研究.发现非典型富勒烯C₂₂的基态结构是含有一个四碳环的单重态笼状结构.过渡金属原子的掺入明显提高了体系的稳定性. C-M键既有一定共价性又有一定离子性.磁性、能级图、轨道分布和态密度图分析表明: M原子的3d轨道和碳笼的C原子的原子轨道之间存在较强的轨道杂化. Ti, Cr, Fe和Ni内掺的结构出现磁性完全猝灭现象. Sc和碳笼间是弱反铁磁作用, V,Mn和Co与碳笼间是弱铁磁作用.     

M2Ge17(M=Ni、Mn)及其阴离子的稳定性和磁性研究

采用密度泛函理论（density functional theory,DFT）中的广义梯度近似（generalized gradient approximation,GGA）对Ni2Ge17,Mn2Ge17,[Ni2Ge17]4-和[Mn2Ge17]2-三种同分异构体的几何结构、电子结构和磁性进行了研究。通过对三种同分异构体的稳定性分析,得出D4d结构的[Ni2Ge17]4-最为稳定。由磁性的分析得到,Ni2Ge17和[Ni2Ge17]4-的D2d、D4d、D4h结构的磁矩均为零,体现为非磁性。对于Mn2Ge17和[Mn2Ge17]2-的D4d结构出现了自旋分裂能级,分别带有9μB 和8μB的磁矩。其中,Mn原子与Ge原子之间存在弱的铁磁相互作用。对于D4h结构的Mn2Ge17,带有7μB的磁矩,Mn原子和Ge原子之间既存在弱的铁磁相互作用又存在弱的反铁磁相互作用,而Mn2Ge17和[Mn2Ge17]2-的D2d结构以及[Mn2Ge17]2-的D4h结构的磁矩为零。     

MAl_(12)(M=Ni、Mn)及其阴离子团簇的几何结构和磁性的计算研究

采用密度泛函理论(density functional theory,DFT)中的广义梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)分别对Al_(13)和MAl_(12)(M=Ni、Mn)四种初始结构的中性和一价阴离子团簇进行计算研究.发现中性和阴离子团簇的基态几何结构均保持I_h对称性,并且基态阴离子团簇还具有较高的运动学稳定性.电磁性质计算显示:基态的中性和阴离子NiAl_(12)团簇分别带有2_(μB)、3_(μB)的磁矩,Ni原子的磁性几乎完全淬灭;而MnAl_(12)团簇分别带有7_(μB)、6_(μB)的磁矩,Mn原子的磁矩主要由3d轨道提供.基态团簇的表面原子出现了自旋分裂,与中心原子呈现出铁磁性作用.对垂直电离能和垂直亲和能的分析表明:中心原子被替代之后,团簇的得电子能力和失电子能力都有所降低.     

双金属掺杂M2@Si20(M=Ti, Zr, Hf)团簇结构和性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)和相对论有效原子核势近似(RECP),对M2@Si20(M=Ti,Zr,Hf)团簇的几何结构和电子结构性质进行研究,发现内嵌的金属二聚体和十二面体硅笼构成了稳定的富勒烯结构。通过对团簇电子结构的分析,结果表明Si20团簇掺杂双金属后稳定性得到了提高。对团簇的电荷布局分析表明过渡金属原子(Ti, Zr, Hf)和硅笼之间发生了电荷反转。     

MPb10(M=Ti,V,Cr,Cu,Pd)几何结构和磁性的密度泛函计算研究

采用密度泛函理论(density functional theory,DFT)中的广义梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)对MPb10(M=Ti,V,Cr,Cu,Pd)四种同分异构体的几何结构和磁性进行了计算研究.发现在四种同分异构体中,D4d结构的MPb10(M=Ti,V,Cr,Cu,Pd)具有最大的结合能和能隙,表明D4d结构为其基态几何结构, 具有较高的化学稳定性.磁性计算显示:基态TiPb10团簇的磁矩为2 μB,Ti原子与周围的Pb原子之间存在着弱的铁磁相互作用.基态VPb10团簇的总磁矩为1 μB,V原子与周围的Pb原子之间既存在着弱的铁磁相互作用又存在弱的反铁磁相互作用.基态CuPb10团簇的磁矩为1 μB,Cu原子与周围的Pb原子之间存在着弱的铁磁相互作用.基态CrPb10 和PdPb10团簇的磁矩为零,体现为非磁性.由此可见,可以通过内掺不同过渡金属对Pb10团簇的化学反应活性和磁性进行调制.     

MC20F20（M=Li，Na，Be和Mg）几何结构和电子性质的密度泛函计算研究

采用密度泛函理论（density functional theory, DFT）中的广义梯度近似（generalized gradient approximation, GGA）对MC₂₀F₂₀（M=Li,Na,Be和Mg）的几何结构和电子性质进行了计算研究.几何结构研发现：随着内掺原子序数的增加,金属原子M对C₂₀F₂₀中的C—C键的影响越来越大,而对C—F键的影响甚微.掺杂能计算表明：MC₂₀F₂₀的掺杂能均为负值,需要在一定的实验条件下才能被合成.内掺碱金属和碱土金属分别产生了两类截然不同的能隙和磁性.其中,内掺碱金属的能隙非常小,且带有1μ_B的净磁矩,表现出磁性;而内掺碱土金属的能隙比C₆₀的能隙还大,净自旋为0,表现出非磁性. 关键词： 富勒烯 几何结构 电子结构 密度泛函     

密度泛函理论计算内掺富勒烯M@C60H60(M=Li、Na)的几何结构和电子性质

采用密度泛函理论中的广义梯度近似(generalized gradient approximation,简称GGA),对M@C_(60)H_(60) (M=Li、Na)几何结构和电子性质进行计算研究.发现M原子的平衡位置处在偏心位置处,并且稳定的存在于一个围绕中心的球体内;掺杂能计算表明:M@C_(60)H_(60)需要在一定的实验条件下才能被合成出来;电子性质分析表明:M原子掺入到C_(60)H_(60)中,对费米能级附近有一定贡献,并产生了1 μB的净磁矩.     

H20@C80F60结构稳定性和电子性质的密度泛函研究

采用密度泛函理论(density functional theory,DFT)方法中的广义梯度近似(generalized gradient approximation,GGA),对H20@C80F60结构稳定性和电子性质进行了计算研究.结果表明： H20@C80F60的反应热为236.73eV,大于H20@C80H60的反应热,同时它具有一个3.57eV的较大能隙,说明H20@C80F60具有良好的稳定性．电子结构分析表明：H20@C80F60的最低未占据轨道主要由H原子贡献,而最高占据轨道主要由C原子和F原子贡献,H20@C80F60得电子能力较H20@C80H60有了显著增强．此外,H20@C80F60与H20@C80H60类似,都为闭壳层结构,所有电子均配对,表现为非磁性．     

Au和3d过渡金属元素混合团簇结构、电子结构和磁性的研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统研究了Au与3d过渡元素构成的混合小团簇的结构、稳定性、电子结构及磁性,得到了Au与3d过渡元素构成的混合小团簇的稳定结构.计算结果表明,Au与3d元素可形成大量的低能异构体,特别是有些异构体在结构上极相近,这不同于共价或离子键类型的团簇.与纯过渡金属团簇类似,这类团簇也表现出复杂的磁性.过渡金属元素的磁矩相比体材料而言既有增强的、也有减弱的,与轨道的交换劈裂密切相关.对于基态构型,AuCr₂,Au₂Cr_{2关键词： 密度泛函理论 第一性原理方法 团簇 电子结构}     

过渡金属掺杂GaN的电子结构和光学性质理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算不同过渡金属（V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni）掺杂GaN的电子结构及光学性质,分析掺杂对电子结构及光学性质的影响.结果表明,过渡金属掺杂在GaN的禁带中引入杂质能带,除掺Fe体系外其它掺杂体系都表现为半金属性.除掺Fe和Ni体系在低能区没有出现光吸收外,其它体系均在低能区杂质能级处出现光吸收.     

Ih和D5h对称的三金属氮化物富勒烯Sc3N@C80的几何结构、电子结构和磁学特性

采用密度泛函理论（density functional theory, DFT）方法对具有Ih和D5h对称的三金属氮化物富勒烯Sc3N@C80的几何结构、电子结构及其磁学特性进行了计算研究.几何结构优化显示掺杂Sc3N之后,C80的结构只是发生了细微的变化,仍然保持了Ih和D5h对称性.能级图和局部态密度图表明Sc原子对能级的变化贡献最大,掺杂之后能隙增加,简并度下降,增强了两种异构体的稳定性.磁学特性分析指出掺杂之后,Sc3N的磁性完全淬灭,两种异构体均没有磁矩,都不能作为磁性材料.     

Ih和D5h对称的三金属氮化物富勒烯Sc3N@C80的几何结构、电子结构和磁学特性

采用密度泛函理论（density functional theory, DFT）方法对具有Ih和D5h对称的三金属氮化物富勒烯Sc3 N＠C80的几何结构、电子结构及其磁学特性进行了计算研究。几何结构优化显示掺杂Sc3 N之后,C80的结构只是发生了细微的变化,仍然保持了Ih 和D5h对称性。能级图和局部态密度图表明Sc原子对能级的变化贡献最大,掺杂之后能隙增加,简并度下降,增强了两种异构体的稳定性。磁学特性分析指出掺杂之后,Sc3 N的磁性完全淬灭,两种异构体均没有磁矩,都不能作为磁性材料。     

First-principles study on the magnetism and electronic structure in 3d transition metal (X=Sc,V, Cr,Mn, Fe,Ni, Cu) doped CoO

We have studied the electronic structure and magnetism of the single transitional metal element X=Sc, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu-doped CoO systems by first-principles calculations. At X=Sc, Cr, Cu, the binding energy of the doped systems is lower than pure CoO, suggesting that these systems are energetically stable. In the Sc, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu-doped 2×2×2 CoO supercells, the total magnetic moments are 3.03, 5.64, 6.80, 7.70, 6.93, 2.30 and 1.96 μ_B, respectively. At X=Cr and Fe, the doped CoO systems are half-metallic with a high spin polarization. The large magnetic moment and high spin polarization in the Cr and Fe-doped CoO are important for the design of the spintronic devices.     

The spin-dependent transport properties of endohedral transition-metal-fullerene X@C66H4 (X=Fe,Co, Mn,Ni)

Inspired by recent experiments on the successful synthesis of hydrofullerene C₆₆H₄ in Tian et al. (2019) [12] with two negatively curved heptagons. Based on the density functional theory and nonequilibrium Green's function method, we report the spin-dependent transport through transition-metal-atom-encapsulated C₆₆H₄ hydrofullerene, i.e., X@C₆₆H₄(X=Fe, Co, Mn, Ni), contacted by single gold atoms via semi-infinite non-magnetic Au electrodes. It is found that, Mn- and Fe-doped systems show highly spin-polarized transmission as well as considerable magnetic moments whereas Ni-doped systems show completely spin-unpolarized transmission and nonmagnetic. Interestingly, Co-doped systems show two spin states, i.e., spin-polarized and spin-unpolarized ones. Further analysis shows that, for Mn-, Fe- and Ni-doped systems, the spin-polarized/unpolarized state is caused by the finite/(nearly-)zero magnetism of the encapsulated metal atom. While the magnetism in Co-doped systems is quenched for the top hexagonal doping case, but not for the side heptagonal doping one, which induces the spin-unpolarized/spin-polarized state. And the screening effect of electrodes on the magnetism of Co is the underlying physical mechanism. Our findings would be beneficial to the design of spintronics devices.     

Na3B3Hn团簇的结构与电子特性

使用密度泛函理论(DFT)的杂化密度泛函B3LYP方法在6-311+g(d)基组水平上对Na3B3Hn团簇各种可能的构型进行几何优化，预测了各团簇的最稳定结构: 并对最稳定结构的平均结合能(Eb)，二阶能量差分(Δ2E)和能隙(Eg)等进行了理论研究。结果表明: 随着氢原子数的增加, Na3B3Hn团簇的结构由平面转变为复杂的三维立体结构; Na3B3Hn团簇的平均结合能、二阶差分能和能隙等均表现出明显的“奇-偶”振荡和“幻数”效应; Na3B3H8, Na3B3H12, Na3B3H18和Na3B3H20团簇稳定性大于Na3B3Hn中的其他团簇, 为Na3B3Hn团簇中最稳定的几种团簇。     

二聚物X2 和 XK (X= Mn, Fe, Co, Ni, Cu)吸附NO的密度泛函理论研究

为有效降低NO对环境以及人体造成的危害,着重从催化剂入手,研究过渡金属Mn₂, Fe₂, Co₂, Ni₂, Cu₂及K掺杂的MnK, FeK, CoK, NiK, CuK的二聚物对NO的吸附性能.采用密度泛函理论的B3LYP, B3PW91, B3P86, B1B95以及PBE1PBE方法结合LANL2DZ, SDD, CEP-121G基组,采用B3LYP, B3PW91, B3P86以及PBE1PBE方法结合6-31++G(3df, 3pd), 6-311++G(3df, 3pd), 6-31G(d, p), LANL2DZ, SDD基组分别系统研究了X₂和XK (X=Mn, Fe, Co, Ni, Cu)团簇和NO的几何结构,计算出其键长,频率,离解能,再与对应的实验值进行对比.进一步采用PBE1PBE方法结合LANL2DZ和6-31G(d, p)基组研究了X₂NO和KXNO团簇的几何结构,计算出各原子间键长和吸附能.结果表明,...     

A theoretical study on the excited states of MC3 (M = Sc, V, and Cr)

The ground state structures of MC₃ (M = Sc, V, and Cr) and their anions have been investigated, employing the first-principles DFT at the B3LYP level. The calculations predict that the equilibrium geometries of both neutral MC₃ and their anions are cyclic structures with C_2v symmetry. The Mulliken charge and spin populations of MC₃ and their anions have also been calculated, and it is found the electron charge changes mainly take place on the M atoms from anions to neutral molecules. The low-lying excited states for the clusters are calculated with time-dependent DFT to assign the features of the photoelectron spectra. Our results agree well with the available experimental and theoretical data.     

Y12TM（TM=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn）团簇的电子结构与磁性研究

基于第一性原理,在密度泛函理论框架下,用广义梯度近似(GGA)研究了二十面体Y12TM(TM=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)团簇的电子结构和磁性,计算了它们的束缚能(BE)、中心原子到表面原子的间距、最高占据轨道(HOMO)、最低占据轨道(LUMO)及其能隙.研究表明:Y13、Y12Sc、Y12Ti、Y12V、Y12Cr团簇的主体原子和杂质原子呈现出铁磁性作用,而Y12Mn、Y12Fe、Y12Co、Y12Ni、Y12Cu、Y12Zn团簇的主体原子和杂质原子呈现出反铁磁作用.