多金属掺杂硼团簇磁性特征和结构演化机理的理论研究

The electron deficiency and strong bonding capacity of boron have led to a vast variety of pure boron clusters with unusual structural and electronic properties, which makes boron clusters become a hot topic in molecular science. Doping has been considered as an important strategy for exploring new properties of boron clusters by means of investigating on hetero-atom doped boron clusters. This project intends to investigate the doped boron clusters with multiple metal atoms, in which we will systematically explore the doping effect by analyzing the structure, bonding, stability, and structural evolution of multiple metal doped-boron clusters. On the other hand, the spin and magnetic properties of metal atoms as well as interactions between metal atoms will be further studied in terms of highly delocalized π+σ bonding resulted from boron clusters. Compared to mono-metal doped boron clusters, multiple metal doped boron clusters are relatively unexplored, and the electrostatic interactions (charge transfer from metal atoms to boron fragment) and covalent interactions caused by multiple metal atoms are much more unclear and complicated, therefore, which might provide a great opportunity for exploring multiple metal doped-boron clusters in this project. This project is expected to understand the physical properties of boron-based material from the molecular level, and obtain the highly stable building blocks for boron material, analyze the magnetic properties and potential applications of multiple metal doped boron clusters. This project is expected to provide important theoretical evidences of the wide application of functional low dimensional metal-boron species.

硼原子缺电子特性使得硼团簇具有丰富的拓扑结构和奇异的电子结构，这使得对硼团簇的研究已成为当前分子科学领域的研究热点。大量的有关掺杂硼团簇的研究已经证明了掺杂是一种有效探索新物性的重要策略，到目前为止，单金属原子掺杂硼团簇已经获得了较为系统的研究，而多个金属原子所产生的静电作用（从金属到硼团簇的电荷转移）和共价作用比单金属更为复杂，这对缺电子且易形成多中心键的硼在结构演化和本征物理性质来说有着重要的意义。目前针对多金属原子掺杂硼团簇的研究较少且不系统，这为本项目开展提供了重要的契机。本项目将系统探究多个金属原子掺杂对硼团簇的几何和电子结构、稳定性及结构演化的影响，同时利用硼团簇高度离域（π+σ）的电子结构探索磁活性多金属片段的磁性和金属间相互作用的机理。本项目预期发现新的硼团簇结构演化机理、解析多金属片段的磁性及丰富掺杂硼团簇的应用，为功能性低维金属-硼体系的广泛应用提供重要的理论依据。

硼团簇具有丰富的拓扑结构和奇异的电子结构，多金属掺杂不仅能够获得更多反常规结构，也是探索硼团簇新物性的重要策略。单金属掺杂硼团簇的研究极大带动了多金属掺杂硼团簇结构和物性的探索。本项目以多金属掺杂硼团簇为研究体系，通过系统的结构搜索确认体系的基态和低能结构，并对低能及全局极小值的几何、电子结构及稳定性开展系统地理论研究，进一步探索多个金属掺杂对硼团簇几何和电子结构、生长规律、原子间作用及磁性等物理性质的影响。.通过本项目的开展，多金属掺杂引起的强电荷转移及丰富的 d 轨道电子（过渡金属）对硼团簇的拓扑结构和本征性质有重要的影响。主要研究结果如下：.（1）利用过渡金属d轨道与硼p轨道的强相互作用，发现了多金属掺杂能够显著影响硼团簇的几何结构，实现二维-三维结构转变，并确认了稳定的硼二十面体团簇。.（2）系统地揭示了碱金属和硼团簇间强的电荷转移现象，发现强静电作用能够引起硼团簇显著的结构演变。利用该策略获得了目前报道中尺寸最小的硼三环和硼四环结构。.（3）通过良好的σ + π电子离域效应，设计了硼单环稳定的平面超配位体系。同时，利用平面超配位体系良好电子离域特性，获得一类分子发动机的双层分子转子体系。.（4）揭示了铍原子在硼团簇结构演化的重要影响，获得了一个高对称性的阿基米德铍-硼球烯。.通过对多金属掺杂硼团簇的研究，我们不仅获得新奇的几何和电子结构的硼团簇，而且揭示了硼团簇结构演化机理及新奇硼团簇的稳定化机制。我们发现的静电在硼团簇结构演变中有着重要应用潜力，为硼团簇的生长模式和机理探索有着重要的启示作用。更进一步，通过理解掺杂原子和硼团簇相互作用机制，从分子层次来理解含硼材料宏观物理特性的成因。