硅基磁性团簇的设计及其组装结构的研究

When doped with transition metal atoms, silicon (Si) clusters will form various Si-based nanoalloys with both high stabilities and unique magnetic properties. These nanoalloy clusters have promising applications in spintronic devices and high density storage of magnetic functional materials. Meanwhile, based on the magnetic nanoalloy clusters, one or two dimensional structures can be assembled. Thus, it is of great importance to understand the structures and magnetic properties of Si-based nanoalloy clusters at the atomic and molecular levels. We aim to search the ground-state geometries of Si-based nanoalloy clusters using the genetic algorithm combined with first-principles calculations and analyze the bonding and growth patterns of these clusters. Then we will discuss the evolution rules of electronic properties and magnetic properties during changing the size and constituent, explore nanoalloy clusters with unique magnetism and design assembled structures to act as noval magnetic nano-materials. With the systematic research, we will provide a deep insight on the regular patterns of the properties of Si-based magnetic clusters and invoke interest for other magnetic semiconducting clusters from both theoretical design and technical applications.

过渡金属元素掺杂到硅团簇中，既可提高团簇稳定性又可形成具有独特磁性的硅基合金团簇，可以作为自旋电子学器件以及超高密度存储磁材料的基本构建单元。同时，在磁性团簇的基础上设计团簇组装材料，研究其稳定性及磁性的变化，可以进一步为团簇的实际应用提供理论指导。因此，从原子分子水平上加深对硅基合金团簇结构和磁性的研究具有非常重要的意义。我们将采用基于第一性原理的遗传算法全局优化方案搜索硅基掺杂团簇的稳定结构，分析团簇的键合方式和生长模式；探讨团簇的电子性质与磁性随尺寸、组分的演化规律，寻找具有特异磁性的合金团簇作为新型纳米磁性材料；研究团簇自组装结构，搭建一维纳米线和二维纳米平面，设计基于合金团簇的组装材料。通过系统研究，加深对硅基合金团簇磁性规律的认识，也为其他磁性半导体纳米材料的理论设计与技术应用提供参考。

纳米材料的发展日新月异，零维的团簇结构是纳米材料的基本构成单元。团簇结构的灵活可变性，导致了纳米材料的性质各异。本项目重点研究了不同键合特征的团簇结构，从纯硅团簇扩展到纯锗团簇、纯锡团簇、纯磷团簇，从基本结构演变模式出发，使用遗传算法与第一性原理相结合的方法，并不断改进遗传算法，确定了不同单质团簇的结构。我们对于小尺寸硅团簇的结构可以重复前人工作，对于Si23团簇，找到了能量更低的结构。对于大尺寸硅团簇，在国际上首次给出了170个原子的纯硅团簇的原子结构图。在此基础上研究了复杂键合作用的混合团簇，包括Cr-Si，Ti-Si合金团簇、B-Si混合团簇以及水合氢离子团簇和水合负离子、水合钠离子团簇，发现了B3Si9-具有超原子性质。我们通过遗传算法的全局搜索，模拟的电子性质与实验对比，成功给出了多种键合类型的不同尺寸的团簇基态结构和生长演化模式，能够合理指导实验。在磁性团簇设计方面，设计了具有较大磁矩的Fe-Ge混合团簇以及具有优良磁各向异性能的金属茂合物等。Fe-Ge混合团簇的总磁矩高达6 μB，HfCp2 和 WCp2磁各向异性能高达10 meV，Ta2Cp3的磁各向异性能超过 60 meV。在二维材料方面，研究了石墨烯的物理性质。通过弯曲的研究，给出了石墨烯弯曲角与透光度的关系。通过氢化覆盖的方法，调控了ψ型石墨烯的带隙。通过氧化官能团的比率调控，研究了氧化石墨烯的柔性。本项目的研究结果均以论文形式发表，共发表SCI论文十余篇，项目负责人作为第一或者通讯作者的论文5篇（含已接收论文）。项目执行期间，项目负责人获得辽宁省自然科学学术成果奖论文类三等奖，大连市自然科学优秀学术论文一等奖。项目负责人应邀参加亚洲计算材料科学联盟第十届国际会议，并做报告。