大尺寸核/层Co-Pd合金团簇稳定结构研究

纳米尺度合金团簇具有特殊的光学、电、磁和催化等性质,在基础研究和应用领域吸引了广泛的兴趣.使用多体Gupta势函数描述Co-Pd团簇原子间相互作用,应用基于内核构建的自适应免疫优化算法确定最稳定结构.研究结果显示:98原子Co-Pd团簇结构可分为面心立方结构、Mackay二十面体、双二十面体、由双二十面体面面相连构成的结构和十面体结构.序列参数显示Co原子位于内层,而Pd原子位于外层.原子半径和表面能进一步解释了Co和Pd原子的分布规律.原子数目为147的Co-Pd团簇均为完整二十面体结构.     

Co-Ag与Co-Au合金团簇核层结构模拟

钴基二元合金团簇具有特殊催化和电磁性能已成为研究的热点.探究Co-Ag与Co-Au团簇稳定结构是研究其性质的重要步骤.运用基于内核构建的自适应免疫优化算法对大尺寸Co_(55)Ag_n、Co_(55)Au_n(n=1-55, 60, 70, 80, 92)团簇结构进行优化.基于紧束缚势二阶矩近似的多体Gupta势函数被用于描述合金团簇原子间相互作用.计算结果显示Co_(55)Ag_n、Co_(55)Au_n(n=1-55, 60)最稳定结构的主要构型为Mackay二十面体.原子分布分析显示Co原子位于内层,而Ag、Au原子均趋于分布在外层,呈现出核层状态.对于大尺寸Co_(55)Ag_n、Co_(55)Au_n(n=80, 92)团簇,Co-Ag团簇采取无定形结构,而Co-Au团簇为规则的二十面体结构.     

自适应免疫优化算法研究大尺寸Cu-Au合金团簇稳定结构

合金团簇所具备的催化和光学等方面特性与团簇的尺寸、元素组成和元素序列密切关联,因而确定其稳定结构是研究纳米团簇合金性质的首要任务.本文利用基于内核构建的自适应免疫优化算法研究了完整元素组成的CunAum(n+m=61及79)二元合金团簇的稳定结构.应用多体Gupta势函数描述Cu-Au团簇原子间的相互作用.研究结果表明:对于CunAum(n+m=61)团簇,除了当n=12-15时为由三个双二十面体面面相连组成的环状结构外,其余均为二十面体结构.原子总数为79的Cu-Au合金团簇包括堆积缺陷的面心立方结构、双面心立方结构、二十面体、十面体和由四个双二十面体面面相连组成的环状结构.且当Au原子比例高和低时其主要构型分别为二十面体和十面体.此外,还分析了Cu-Au合金团簇结构势能量的分布情况及团簇的相对稳定性.原子分布规律显示Cu原子趋于占据内层,而Au原子趋向于分布在外层.     

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。     

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。     

液态Ga-In合金中的团簇分离现象

与以往试验及模拟计算方法不同,文章利用从头计算分子动力学研究了液态Ga, In及Ga-In合金的偏结构. 发现合金偏双体相关函数gGaGa(r), gInIn(r)的第一峰的位置分别与液态纯Ga和纯In的第一峰 位置接近, gGaIn(r)第一峰位置大于纯Ga和纯In第一峰位置的平均值,说明液态Ga-In合金中异类原子 呈现排斥倾向, Ga-Ga, In-In团簇更容易出现.在纯Ga, 纯In中占据最高含量的1311键对在液态合金中占主导 地位,说明Ga-Ga, In-In团簇共存于液态Ga-In合金中. Voronoi多面体分析发现,随着In含量的增加, 在Ga_100-xIn_x(30 ≤x≤qslant 50 at.% ) 区域内, Ga原子周围主配位数出现突变,由12降为10,证明Ga-Ga和In-In团簇倾向于分离.该研究结果不同于 通常的微观不均匀模型,揭示了液态Ga-In合金中团簇分离的机制.     

模拟进化法Si和Be的团簇结构

模拟生物进化的机理，建立了优化团簇结构的理论程序，并对Ｓｉ和Ｂｅ团簇结构进行了优化计算。并成功地得到了用其它方法已发现的团簇基态结构，还发现了用其它方法尚未得到的团簇基态结构；所得到的团簇基态能量等于或小于已发表的用其它方法所得到的相团簇的基有量，说明此方法对于优化团簇基态结构是可行和有效的。     

(C60)N团簇稳定结构的遗传算法研究

采用Pacheco-Ramalho相互作用势,结合改进的遗传算法研究了(C60)N团簇(N=3～25)的稳定结构与“幻数“序列,并研究了(C60)N 团簇的势能变化.结果表明:团簇的稳定结构与构成团簇的C60分子数目有密切的关系.随着C60分子数目的增大,团簇的稳态结构呈现出由层状变为壳状,然后又转变为层状结构的变化趋势.随着组成C60分子数的增多,团簇中分子的平均势能呈下降的趋势,下降的幅度随着分子数的增大而越来越小.     

铁铬合金团簇点阵中与成分相关的磁性耦合

本文采用气相团簇束流沉积法制备了不同铁铬比的铁铬合金密集团簇点阵,研究了团簇点阵中复杂的多相结构和各种耦合效应.当合金中铬含量较大时,在团簇中能够观测到一种晶格失配的类四方结构,这种结构的出现导致了不同铁铬比的合金团簇中交换偏置效应的不同.随着铬的含量增加,合金团簇的交换偏置场减小,而团簇间的偶极相互作用增强.在合金团簇的铁磁-超顺磁转变温度以上,能明显观察到在类四方结构团簇中有更大的残存矫顽力与剩磁.在场冷条件下,对矫顽力和偏置场随温度变化的研究表明含有更多类四方结构的合金团簇有更好的热稳定性和更大的各向异性.     

高指数晶面Au-Pd纳米合金粒子的稳定结构研究

基于蒙特卡罗方法, 本文采用了紧束缚势和量子修正Sutton-Chen型多体势两种势能函数对具有不同比例、不同尺寸二十四面体Au-Pd合金纳米粒子的稳定结构、表面原子分布、核壳分布和化学短程序值进行了研究分析. 结果表明: 两种势函数得到的表面原子分布趋势一致, 即Au-Pd合金纳米粒子中的Au原子趋向于分布在纳米粒子的外层, 而Pd原子趋向于分布在纳米粒子的内层, 这有利于降低纳米粒子的总能; 在Au原子比例较小时, 两种势函数下得到的稳定结构均呈现出核壳分离的结构, 随着Au比例的增大, 紧束缚势函数下得到的纳米粒子稳定结构将趋向于洋葱状的多壳层的结构; 相比于紧束缚势, 量子修正Sutton-Chen型多体势作用下得到的Au-Pd纳米粒子的稳定结构偏聚程度更高.     

平面团簇稳定结构的蒙特卡罗树搜索

以平面团簇为例提出了一种结合结构识别和蒙特卡罗树技术搜索稳定结构的新方法.体系原子之间的相互作用由两类模型势能函数来描述:Lennard-Jones二体势函数与基于Lennard-Jones势的三体势函数.考虑可能的三角晶格碎片作为候选结构,引入编号策略对结构进行快速识别,并运用蒙特卡罗树搜索研究稳定结构随着原子数增大的演化过程;对于能量较低的候选结构,进一步采取局域优化来获得对应体系的稳定结构.计算表明,Lennard-Jones二体势函数对应的三角晶格团簇更稳定;在特定的参数下,三体势函数对应的六角晶格团簇更稳定.结合结构识别和蒙特卡罗树搜索可以对候选结构空间进行高效扫描,在较短时间内更容易搜索到稳定的团簇结构,并可以与第一原理计算结合实现材料的结构预测.     

Spark-based improved Basin-Hopping Monte Carlo algorithm for structural optimization of alloy clusters

CoPt alloy clusters are promising candidates for catalysts in fuel-cell applications because of their enhanced catalytic performances compared with pure Pt clusters. In this article, an improved Basin-Hopping Monte Carlo (BHMC) algorithm is proposed to optimize the stable structures of CoPt clusters with different sizes and compositions, and the Spark parallel framework is employed to accelerate the structural optimizations. The results show that the improved BHMC algorithm has higher probability to find the lowest-energy structure and more rapid convergence than the traditional BHMC one. Through the comparison of different threads during Spark parallel computing, it is found that the acceleration ratio increases with the thread number while decreases for large cluster due to the limitation of the resource allocation. By investigating the optimized structures of CoPt clusters, it is revealed that for small CoPt clusters, the most stable structures exhibit a wide variety at different Co/Pt ratios; for large CoPt clusters, however, their structures are independent of the Co/Pt ratios and close to the results of their monometallic counterparts. Besides, for all the CoPt clusters, Pt atoms tend to distribute near the surface and Co atoms are generally located in the interior.     

Theoretical study of the structures of MgO(1 0 0)-supported Au clusters

A theoretical method, which combines the first-principle calculations and a canonical Monte Carlo (CMC) simulation, was used to study the structures of Au clusters with sizes of 25-54 atoms supported on the MgO(1 0 0) surface. Based on a potential energy surface (PES) fitted to the first-principle calculations, an effective approach was derived to model the Au-MgO(1 0 0) interaction. The second moment approximation to the tight-binding potential (TB-SMA) was used to model the Au-Au interactions in the CMC simulation. It is found that the Au clusters with sizes of 25-54 atoms supported on the MgO(1 0 0) surface possess an ordered layered fcc epitaxial structure.     

Pd2团簇结构与能级分布的理论研究

在相对论有效原子实势(RECP)近似下,用密度泛函(B3LYP/SDD)方法,计算Pd2及其±1价和±2价分子离子的结构,光谱性质和能级分布.最后讨论了最高占据轨道(HOMO)与最低空轨道(LUMO)之间的能级间隙(HLG),分析了团簇的化学活性.     

Pd-Y微团簇的结构与性质研究

在相对论有效原子实势近似下，用密度泛函理论方法，对Pd_n(n=2,3,4)，Y_n（n=2,3,4）,Pd_nY(n=1,2,3,4)，PdY_n(n=2,3,4)，Pd₂ Y_n(n=2,3,4)团簇的各种可能的几何构型进行全优化计算,得到它们的基态结构和 光谱性质.结果表明，由于 Jahn-Teller效应， Pd₄和Y₄的基态结 构为C_s构型，P d₃和Y₃为C_2v 构型；混合微团簇Pd₃Y，Pd ₄Y，PdY₃，PdY₄ 和 Pd₂Y₄基态为C_s构型.最后计算了团簇的能级分布和最 高占据轨道与最低空轨道之间的能级间隙,分析了团簇的化学活性. 关键词： Pd-Y团簇 有效原子实势 密度泛函     

Structure and dynamics of cationic van-der-Waals clusters

Ar_nHCl⁺ van-der-Waals clusters for n = 1–13 are investigated with the “minimal diatomics-in-molecules (DIM) model” using ab-initio input data obtained from multi-reference configuration-interaction calculations plus subsequent projection onto valence-bond wavefunctions. The results for the complexes with n = 1–3 are checked against ab-initio calculations at the coupled-cluster (CCSD) level with the same one-electron atomic basis set as for the input data generation (aug-cc-pVTZ from Dunning). In addition to the electronic ground state, the first excited state for the triatomic complex (n = 1) is also studied. The results from the DIM model are shown to be in fair agreement with those from advanced conventional ab-initio calculations, although there are differences in detail. The comparison justifies the extension of the DIM approach to n > 3. Systematic analysis of the local minima of the multi-dimensional potential-energy surfaces (PESs), carried out with the combined method described in part I (Monte-Carlo sampling plus subsequent steepest-descent optimization), reveals simple building-up regularities for the most stable structures (i.e. those corresponding to the global PES minimum) at each n: apart from always having a nearly linear (Ar–H–Cl)⁺ fragment as core, the aggregates show little or no symmetry. Secondary local minima are also determined and their structures interpreted. The PESs for the low-lying excited states reveal a much more complicated topography compared to the Ar_nH⁺ clusters allowing a variety of photo-processes. The energy level sequence of the first five excited electronic states and the stability of the clusters in these states is studied as a function of the cluster size n.