磁性金基超级原子团簇的设计与理论研究

Superatoms, which can mimic the chemical behaviour of individual atoms, have been paid great attention for the researches of cluster physics because of their unique physical and chemical properties and potential applications. In this project we will combined with the unusual qualities of gold clusters and the new concept of superatoms to investigate the properties of the gold clusters doped with a transition metal atom and ligand-protected gold clusters by using first principles density functional theory. We will design and search for the novel gold superatoms with high stability and explore how to structure the superatoms of gold based clusters as building blocks of nanomaterials with desired magnetic properties. The aim of this project is to demonstrate the mechanisms of the geometric structure, electronic structure, and special magnetic properties of the gold superatoms and provide new important points to understanding the formation rule of the gold superatoms. The successful implementation of the project will add new chapter for atomic and molecular physics and give rise to a third dimension periodic table of cluster elements. Furthermore, it will provide theoretical foundation and pave the way for the design and assembly of the functional nanoscale materials with tailored magnetic properties.

具有元素原子特性的超级原子因其独特的物理化学性质及潜在的应用价值已成为团簇物理学领域备受关注的研究对象。本项目结合金团簇自身独特的性质和超级原子新概念，拟采用第一性原理密度泛函方法对过渡金属原子掺杂金团簇及配体化合物连接下的金团簇展开系统而深入地研究。设计和探寻高稳定性的新型金基超级原子团簇，探索以金团簇为主体构造具有奇异磁性质的超级原子团簇基元的科学问题。项目预期将揭示金基超级原子的几何构型、电子结构及特殊磁性质的微观机制，为理解金基超级原子团簇的形成规律提供新的重要观点。本项目的顺利实施与成功将为原子与分子物理学增添新的内容，扩展传统意义上的元素周期表，并为设计和构造具有丰富磁性质的纳米新材料铺垫道路和奠定理论基础。

团簇研究处于多学科交叉领域，是物理学和化学两大学科的交汇点，又是材料科学新的生长点。在微观尺度上操纵原子分子，按人类的意愿改变原子分子间的排列组合使其具有特殊物理化学性质，设计和构造具有新化学性质的稳定超级原子是人们面临的新的热点研究课题。本项目旨在寻找和设计具有奇异磁性质的高稳定超原子团簇，研究此类超原子团簇的电子结构规律，奇异磁现象来源，探明超原子团簇中物理化学本质，为团簇物理学研究增添新内容，为实验上制备金基超原子团簇提供理论指导。1）本项目结合金团簇自身独特的性质和超级原子新概念，采用第一性原理密度泛函方法对过渡金属原子掺杂金团簇及配体化合物连接下的金团簇展开系统而深入地研究。通过密度泛函理论计算，我们发现掺杂过渡金属原子到金团簇或锂团簇中，可以产生类似单个元素原子性质的高稳定性超级原子团簇。部分工作以第一作者发表在Journal of Physical Chemistry A和Materials Chemistry and Physics上。2）采用第一性原理研究纳米团簇和二维MoS2相互作用，和芬兰实验小组合作，研究MoS2掺杂纳米团簇的材料性质，理论计算MoS2掺杂超级原子团簇后几何结构的变化，以及电学、磁学和光学性质、通过研究能带变化，探索超级原子团簇掺杂MoS2后奇异的物理化学性质的微观机制，为研制奇异的纳米材料开拓新的途径。部分工作以第一作者和通讯作者发表在Scientific Reports和Journal of Physics: Condensed Matter上。3）采用密度泛函计算，研究了过渡金属Mn和Al原子掺杂金团簇的结构和光学性质，研究发现通过掺杂二元杂质原子可以引发金团簇手性结构的产生，通过对这些手性团簇的光谱性质，包括红外、拉曼、旋光性（ROA）、和圆二色谱（VCD）的研究，验证了这些手性团簇对映体的存在，在此基础上寻找是否存在手性超级原子团簇，部分工作以第一作者发表在Journal of Physical Chemistry A和Chinese Physics B上。项目共发表标注本项目资助的SCI/EI期刊学术论文13篇，其中影响因子3以上6篇。本项目开展期间获省部级科研项目1项。课题实施过程中成立了超原子团簇研究小组和搭建了小型计算服务器平台。培养具有较高研究水平的青年教师1名、师资博士后1名和研究生2名。