支撑二元过渡金属团簇磁各向异性能的调控研究

The binary transition metal clusters provides a more abundant way to modulate the magnetic anisotropy energy of cluster because of the controllable component, the diversity interaction of heterogeneous atoms, and the complexity of the electronic coupling. In this project, we will systematically investigate the manipulation of strucutres and magnetic anisotropy energy of binary transition metal clusters in a graphene sheet using genetic algorithm, Monte Carlo method combining with first principle calculation. We will search for the variations of structures and magnetic anisotropy energy for the supporting binary transition metal clusters with the changes of cluster size, component and proportion and analyze the effect on structures and magnetic anisotropy energy for the late transition metal binary clusters from surface environment while discuss the response of the structures and magnetic anisotropy energy of supporting-cluster to external electric field and injected charge. The aim of this project is to find several supporting-cluster with large magnetic anisotropy energy and ways regulating magnetic anisotropy energy of clusters, and illuminate the physical essence of the modulation for magnetic anisotropy energy of clusters, and predict the binary transition metal clusters with large magnetic anisotropy energy. The successful implementation of the project will enrich the cognition to the manipulation of physical properties for transition metal clusters. Furthermore, it will provide theoretical foundation for application of clusters in high-density magnetic storage.

二元过渡金属团簇因其组分的可控性、异类原子之间相互作用的多样性以及电子耦合作用的复杂性为团簇磁各向异性能的调控提供了更加丰富的途径。本项目拟采用遗传算法、Monte Carlo方法结合第一性原理对graphene支撑的二元过渡金属团簇结构和磁各向异性能的调控展开系统而深入地研究。探寻支撑二元过渡金属团簇的结构和磁各向异性能随尺寸、元素组分和配比的变化规律，分析表面环境对团簇结构和磁各向异性能的影响，探讨支撑团簇的结构和磁各向异性能随外场、注入电荷的响应关系。项目预期将找到几种具有较大磁各向异性能的支撑二元过渡金属团簇以及调控团簇磁各向异性能的途径，阐明调控磁各向异性能的物理机制，预测可能具有较大磁各向异性能的二元过渡金属团簇。本项目的顺利实施与成功将丰富对过渡金属团簇物性调控的认识，为团簇在高密度磁存储材料中的应用奠定理论基础。

本项目我们提出了一个修正的 Velocity-Verlet 算法，实现了团簇结构的快速高度收敛的分子动力学模拟计算。在此基础上，我们发展了一个针对固定结构的双金属团簇异构体检索方法。采用该方法结合第一性原理计算了二十面体的 PdxAg13-x (x = 0-13)团簇和CuxAg13-x的结构和性质，这些团簇仍然保持二十面体，其主要原因是很强的 s-d 杂化效应引起较强的相互作用。当 Pd和Cu 原子处于团簇中心的时候，团簇具有更高的稳定性。本工作对设计双金属团簇的稳定结构和期望的电子性质有着非常积极的意义。采用密度泛函理论在考虑SOC的情况下系统地研究了 Irn+1 和 CoIrn (n≤6) 的结构和磁性质。研究表明 Ir2 和 Ir4的MAE分别达到了67.5 meV/atom 和40.26 meV/atom。掺杂的 Co 原子没有改变主团簇的结构但是改变了主团簇MAE的大小以及易磁化方向。采用密度泛函理论研究了FemIrn 和FemIrn@NDV-graphene（m+n=3）的结构和磁性质。结果表明随着Ir成分的增加，团簇的磁各向异性能越大，石墨烯支撑的复合体系的磁各向异性能与自由团簇相比有所减小。以FeIr2@NDV-graphene为例，我们研究了外加电场对复合体系磁性的调控，当外加电场为-0.2eV/Å，体系的磁各向异性能增加为104.37meV，调控的物理机制也被进一步阐述。采用第一性原理研究了过渡金属原子修饰的双空位缺陷石墨烯和氮掺杂双空位缺陷石墨烯的磁性及电场调控。发现Ir原子修饰的双空位缺陷石墨烯（Ir@DV-Gr）和W原子修饰的(W@NDV-Gr)体系具有较大的磁各向异性能。外电场可以对Ir@DV-Gr 和W@NDV-Gr的磁各向异性能进行调控，其物理机制来源了外加电场改变了TM-5d轨道占据数。可以调控的磁各向异性能表明这样的杂化体系在亚纳米尺寸下发展低能耗的高性能磁存储和多态逻辑开关方面是非常有前景的。到目前为止，在该项目的资助下，我们已经发表了8篇SCI论文，出版专著1部，培养博士生3名，硕士生3名。