过渡金属及其合金团簇的稳定性和磁性研究

结合近期的实验和理论工作，利用第一性原理方法研究过渡金属及其合金团簇的稳定性和磁性，分析它们的性能―结构关系，解释现有实验现象并揭示其物理内涵，为将来的实验提供有价值的信息。研究自旋非共线性和自旋-轨道作用对过渡金属团簇磁性的影响（特别是Sc、Y及相关合金团簇），期望能合理减小理论与实验之间存在的磁性偏差；研究磁各向异性和轨道磁矩在3d、4d过渡金属小团簇（n≤7）中的表现，分析它们与元素周期和团簇结构之间的依赖关系；考察电子壳层规则在解释简单金属合金团簇稳定性方面的普适性；研究CoMn团簇磁性随掺杂浓度和尺寸的变化规律,解释近期的实验观测并拓展探讨不同掺杂成份对Co团簇磁性的影响，检验斯莱特-泡利曲线在合金团簇中的适用性，预测实验尚未发现的合金团簇磁性质。

构型与磁性是纳米材料研究领域最基本的科学问题，也是高密度存储、微电子、高效催化剂等高新技术材料开发的基础，对它们研究有助于理解纳米颗粒的形成机理和稳定性规律，对实验制备和新材料开发都有重要的意义。本项目利用第一性原理计算方法，研究了部分过渡金属团簇的结构演化和电磁性质，揭示了它们性能—结构关系以及磁性来源机理，重点探索了自旋非共线性以及自旋-轨道耦合效应对团簇电磁性能的影响，发现了一些新现象和新规律，为设计具有特殊结构和性能的纳米结构材料提供了前期的理论指导。本项目已基本完成了立项的任务和工作要求，达到了预期的目标。项目主要结论如下：(1)自旋非共线性和自旋-轨道耦合对过渡金属团簇的结构稳定性和电子性质影响较弱，并不能改变团簇的基态结构; (2)自旋非共线性效应除在Mn团簇和Cr团簇中有表现外，在其余过渡金属团簇中存在的可能性很小；(3) 在小尺寸的过渡金属团簇中，除Ru、Rh、Pd、Pt元素团簇的轨道磁矩随尺寸的增加而逐渐“淬灭”外，其余元素的轨道磁矩在二聚物尺寸都基本完全“淬灭”；(4) 团簇的自旋总磁矩和轨道总磁矩通常保持为严格的共线性特征（即：反铁磁性耦合或铁磁性耦合），自旋与轨道表现反铁磁性耦合（或铁磁性）耦合主要依赖于团簇原子的电子数是否少于(或超于)半满，这与著名的Hund第三规则相似；(5) 证实了Gd13团簇的基态为亚铁磁的正二十面体结构，很好地解释了已有实验测量，获得了CoMn团簇以及AuPt团簇的结构生长模式与电磁性质；(6) 发现耦合的(Ag, Au, Cu)贵金属团簇的光吸收谱强度强烈地依赖于体系偶极矩的大小，模拟得到的吸收谱很好地解释了拉曼实验测量；发现Bi团簇的偶极矩和极化率随尺寸的演化表现出强烈的奇偶震荡行为，且敏感地依赖Bi团簇的几何结构和电子结构。