中等尺寸硼团簇结构演化及电子性质研究

Researching of boron cluster is the basis for understanding bulk boron and exploring boron cluster based nano-materials, and also has the model significance for studying one dimension and two dimension boron structures. The structures of boron clusters are complex. Till now, it is known that when size less than 44, planar structures are popular in boron clusters, coexist with cages and tubes. Structure mode changes to core-shell at least at size 68. Recently, we researched B46,48,50 clusters. We find that at this size range, boron clusters exhibit a competition among core-shell, bilayer, planar and cage structural motifs. Bilayer is a new structural motif found by us. So structures of size range 51-68 remain need to fill in the gaps. The bottleneck of studying is too hard to search bonding complex boron structures with so large size. We present software with independent intellectual property rights of genetic algorithm incorporated with ab initio. It contains special algorithm for searching symmetry structures and prolate structures which can greatly enhance searching efficiency. This project will research B51-80 clusters, to analyze the competition between these four structural motifs and whether structure motif other than core-shell near B80 exists. We try to establish a complete knowledge about structural and electronic properties evolution of boron clusters.

硼团簇的研究是理解硼固体、开发基于硼团簇的纳米材料和器件的基础，对硼的一维、二维结构也有借鉴意义。硼团簇的结构复杂，目前已知尺寸在N=44以下主要为平面结构，与笼状和管状结构并存；至少从N=68起为核壳结构。最近申请人研究了B46,48,50团簇，发现该尺寸范围内硼团簇表现为核壳、双层、准平面和笼状四种结构模式的竞争。目前，尺寸51-68是仍需填补的空白。研究的难点在于搜索尺寸如此之大且成键复杂的硼团簇结构。申请人开发了具有自主知识产权的团簇结构搜索程序，其中包含专门搜索对称结构和扁平结构的算法，能够大大提高搜索效率。本项目拟以B51-80团簇为研究对象，研究硼团簇四种主要结构模式如何竞争？在B80尺寸附近是否还存在其他新的结构模式，以期对硼团簇结构和电子性质的演变规律建立完整的认识。

硼元素在超硬材料等领域有重要应用。近年来，硼的二维材料也引起了人们的广泛兴趣。硼元素成键复杂，硼团簇的结构演化一直是人们研究的热点，也是难点。之前人们对尺寸40以下的大部分硼团簇已有研究，而尺寸40以上的结构研究不多。本项目是以B51-80团簇为研究对象。研究方法上采用自主开发的遗传算法结合第一性原理计算软件（CGA）对这一领域内的硼团簇做全局搜索，找出其基态结构，进而研究成键特征和电子结构的演化规律。取得了一系列成果。给出了部分尺寸范围的硼团簇演化规律。并进一步改进了遗传算法操作，提高了CGA程序在大尺寸硼团簇结构搜索中的效率。.负责人对B31-50范围的硼团簇做了详细研究，给出了这以尺寸范围完整的结构演化规律。其中，尺寸31，33，43，47的结构为新发现的最低能量结构。双层结构为负责人发现的新结构模式；核壳结构从尺寸46开始出现；之前报道的管状结构模式也发现了一个新奇的2、3环混合结构；之前大量报道的准平面结构也发现了一个5、6环中空的准平面结构。负责人还研究了硼纳米带，结构单元分别是Sc4B24和Y2B12，具有很好的热稳定性。 .申请人还研究了IV族的P20-36团簇，它们具有极强的规律性，随后基于磷团簇的结构规律研究了磷纳米线。鉴于硼团簇搜索的巨大计算量，申请人尝试用神经网络去预测团簇结构，研究了Au20团簇的神经网络势，并成功搜索到了Au20基态结构，这为后续研究方向提空了开端。在基金资助下，申请人还研究了Sn4-20阴离子团簇和Sn4-20Cl阴离子团簇、(H2O)6-11团簇3d-5d过渡金属掺杂Au12团簇等。