基于光电子能谱和电/磁偏转谱的多铁和铁电性团簇电子结构以及多铁和铁电相变研究

Metal clusters within a certain size range and temperature range can demonstrate truly remarkable and unexpected physical properties. Recent work with rhodium clusters has shown that they are multiferroic which means simultaneously possesses both ferroelectrics and ferromagnetism as well as the existence of strong correlation between them. However neither of these properties is present in the bulk. Moreover, rhodium is not the only d-block element to show nanoscale ferroic properties, for instance, niobium and Thulium display ferroelectricity. The unveiling of the mechanism behind these properties in pure metal systems will not only provide crucial information for the development of next generation multiferroic/ferroelectric gate based electronics, but the discovery of those new phenomena will present both new challenges and opportunities to contemporary many-body theory in finite systems, also. Here, we proposed to carry out studying the metal-ferroelectricity/metal-multiferroics transition feature represented in electronic structure change by using high resolution temperature and size dependent photoelectron spectroscopy and electric/magnetic deflection spectroscopy. Through the comparison the spectra change of all three type of clusters during the span of aforementioned phase transition to pinpoint the common feature of such in term of their electronic structure. This will be invaluable for unveil the cause of onset of multiferroics/ ferroelectricity in pure metal system.

特定尺寸和温度范围内的团簇，往往呈现出与其对应块体材料截然不同的物理和化学性质。近期在自由铑团簇电磁性质的实验研究中发现，小尺寸的铑团簇在低温下表现出异乎寻常的多铁性，即它们同时既具有铁电性又有铁磁性，并且两种铁性序之间还存在着强烈的关联。此外，铌和铥团簇在低温下也表现出奇异的铁电性。这些纯金属团簇铁电/多铁性的发现不仅对现有的量子多体理论和铁电/多铁物理提出了新的挑战，而且其存在物理机理的揭示也将为开发新一代铁电栅极电子器件提供极重要的信息。本课题拟以尺寸和温度依赖的高精度角分辨光电子能谱和电/磁偏转谱测量为研究手段，系统地研究上述纯金属团簇铁电/多铁团簇体系在金属-铁电/金属-多铁相变过程中电子结构的变化。并且通过系统地比较这些团簇的电子结构在相变过程的特征和共性，从而揭示导致纯金属团簇体系中出现铁电和多铁性的电子结构根源。

探索团簇电子结构的尺寸演化以及研究利用尺寸精确选择的团簇沉积材料的特性对人们彻底揭示材料的物性起源和开发新型材料等基础科学和应用科学研究意义重大。本课题主要是针对金属团簇特别是纯金属铁电团簇，通过高精度电/磁偏谱的和激光光电子能谱的尺寸和温度依赖物性的系统测量，试图揭示纯金属团簇铁电/多铁团簇体系在金属-铁电/金属-多铁相变过程中电子结构的变化。. 为此，在该课题的研究过程中我们成功地自主设计建造了一台第四代电/磁偏谱仪、一台低温高精度光电子能谱仪和一台配有真空转移腔的尺寸选择团簇变温沉积和表征系统。利用上述仪器，我们先后系统地完成了对铑、铌、铥、铝和钽团簇的尺寸和温度依赖的光电子能谱的精确测量，以及铌，铟，铅等团簇的电偏转测量。实验结果显示了极为明确的铁电相变与其电子结构的关联性，这正是该课题所要寻找的最核心的目标。此外，通过系统地比较探索这些团簇的电子结构在相变过程的特征和共性。同时，我们还发现了铝团簇和铟团簇的铁电性，并验证了铅团簇的铁电性。其中铝团簇和铟团簇的铁电性是首次发现，这一结果证明纯金属铁电性远比人们原来所认为的广泛得多，并预示着铁电性和超导性两者间存在的更深刻的内在关联关系。此外，在仪器的测试中我们还完成了铜、银团簇的基态结构和结构演化的研究以及过渡金属原子掺杂硅团簇的结构演化、电子性质和磁性的研究。特别是V、Cr对硅笼结构的稳定性的调控和磁性的调控特性，以及贵金属团簇生长模式尺寸依赖性等。. 另外，为了有效地对团簇结构进行优化我们还自主开发了结构搜索程序Multi-Algorithmic Structural Searcher (MASS)。该程序包含了改进的遗传算法、Basin-Hopping和粒子群算法，以及我们新开发的社会情感算法。此外，该程序还包含有可以有效链接目前主流第一性原理计算软件包的接口可以非常方便的调用包括Gaussian、ORCA、Dmol3。该程序业已大量应用于我们所研究系统的结构搜寻并表现出了优异的性能。