從EuSin到Eu@Sin:幾何結(jié)構(gòu)和電磁特性的研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、團簇是一種介于原子、分子和固態(tài)之間的新的凝聚形態(tài),它具有獨特的結(jié)構(gòu)和新穎的特性,一直受到人們廣泛的關(guān)注。硅作為微電子工業(yè)中重要的半導體元素的代表,被廣泛的應用于材料科學、微電子學、固態(tài)科學、生物學和納米技術(shù)等領域,然而人們發(fā)現(xiàn)它并不像碳富勒烯那樣具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),因為他缺少像碳那樣的sp2雜化軌道,為了解決這個問題,人們將過渡金屬摻雜到了硅團簇中,獲得了許多穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),如Ti、Fe、Co、Ni、Ag等過渡金屬。稀土元素與過渡金屬有著相似的

2、物理化學性質(zhì),然而,稀土元素也有著自己獨特的性質(zhì),例如未滿的4f支殼層中,不同電子的磁效應并不會像滿殼層那樣會彼此抵消。因而稀土元素摻雜在硅團簇中非常適合于磁特性的研究,因此稀土金屬摻雜在硅團簇的研究引起了人們廣泛的興趣。
  本文基于密度泛函理論,采用廣義梯度近似下的PW91交換關(guān)聯(lián)函數(shù)和雙數(shù)值極化基組設置,研究了EuSi二元團簇的性質(zhì)隨團簇尺寸的演變??紤]到Eu是重金屬元素,對EuSin(n=1-21)團簇體系進行了全電子相對

3、性的計算,在純硅團簇各種低能態(tài)結(jié)構(gòu)的基礎上,對Eu原子摻雜的硅團簇的可能的低能態(tài)結(jié)構(gòu)進行了廣泛的搜索,得到了EuSin(n=1-21)團簇的最低能態(tài)結(jié)構(gòu),分析了團簇的電子結(jié)構(gòu)和磁特性。論文得到的結(jié)論如下:
  (1)從n=19開始,Eu原子完全包子Si籠狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部,形成內(nèi)包Eu原子Si籠狀結(jié)構(gòu),也就是說Eu@Si19是最小的完全內(nèi)包Eu原子的硅籠結(jié)構(gòu)。
  (2)隨著尺寸的增加,EuSin(n=1-21)團簇的平均每原子結(jié)

4、合能逐漸降低,表明在團簇生長過程中不斷釋放能量;在n=6、18和20處EuSin團簇平均每原子結(jié)合能曲線達到極小值。類Ag、Au摻雜硅團簇,稀土原子Eu與宿主Si原子間的相互作用較弱,Eu摻雜也并未明顯增強宿主團簇的穩(wěn)定性,但是Eu原子的內(nèi)嵌使得外圍硅原子的相互作用得以增強,從而有利于硅籠的形成與穩(wěn)定。EuSin團簇的二階能量差分分析表明EuSi2、EuSi5、EuSi8、EuSi10、 EuSi13、EuSi16、 EuSi18、Eu

5、Si20這些團簇為幻數(shù)團簇。
  (3)由于Eu原子的摻雜使HOMO-LUMO能隙總體上EuSin團簇的能隙值要比Sin團簇的能隙值小,這一結(jié)果表明EuSin所有最低能態(tài)結(jié)構(gòu)都有較高的化學活性,其中EuSi10團簇在化學反應中相對穩(wěn)定。
  (4)分析了EuSin團簇的最低能態(tài)結(jié)構(gòu)的Mülliken電荷布局分析得到,當n=1-18時,電荷一直從Eu原子向Si原子轉(zhuǎn)移,然而當n=19-21時,電荷開始從Si原子向Eu原子轉(zhuǎn)移,

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