基于硼元素的团簇结构调控及其物性研究

本项目重点研究AlnBm(n≤m, n+m≤60)和MBn (M = Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt; n = 1? 20)两个团簇体系的原子结构、电子结构、磁性和光学性质. 拟采用遗传算法(genetic algorithm)结合谷跳跃(Basin-Hopping)方法寻找团簇的同分异构体，然后在密度泛函理论框架下进行优化. .在物理化学上，硼原子间可形成极其复杂的多中心键，导致低维度的硼单质材料（团簇、纳米管等）表现出一些奇异的性质. 本研究探索硼团簇结构及性质随掺杂元素及掺杂浓度变化的规律，获取对掺杂硼团簇结构稳定有利的最佳配比数，揭示硼的混合团簇中原子间相互作用的微观机制及键合规则，并提出寻找可能存在的最稳定结构单元，获得一些稳定性较高的以硼原子为骨架的二元团簇，从而为在原子水平上设计具有特定功能的新型纳米材料和器件提供方向性指导.

通过基于第一性原理的密度泛函理论计算,研究了以AlB2为单元的(AlB2)m (m=1-6)团簇的生长模式，团簇的几何结构与电子性质随尺寸的变化。我们发现Al原子总是在(AlB2)m团簇外围占据并且以配位数较少的方式与硼团簇结合，(AlB2)m团簇表现出以AlB2为基元生长的迹象。计算研究了硼铝二元混合团簇(AlnBm)m (n+m=13)的几何结构与电子性质，分别讨论了中性及阴离子簇的几何结构与电子性质随硼铝组分配比的演化，发现铝成分多时团簇几何结构类似于Al13原子簇的二十面体结构，硼成分多时团簇几何结构类似于B13原子簇的平面结构，结构相变点大约在Al6B7团簇。分别计算研究了3d过渡金属Fe原子与Co原子掺杂硼团簇MBn(M=Fe, Co)的几何结构、电子性质与磁性随团簇尺寸的演化规律，发现对于两种元素的掺杂最低能量结构中过渡元素(Fe, Co)的d轨道与硼元素的p轨道均有明显的杂化。掺杂团簇最低能量结构的磁矩主要来自3d轨道的贡献，且总磁矩都是随着团簇尺寸增大呈现奇偶振荡。对于Fe元素掺杂，n=3, 8, 12和 14是团簇幻数，而对于Co元素掺杂，n=3, 7, 10, 12, 14和16是团簇幻数。而且，n<13 时，Co原子总是位于CoBn团簇的外围，并且带正电荷有磁矩。相反，n>=13时，Co原子转移到CoBn团簇的里面并且带负电荷，磁矩消失。