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【6h】

AlnZr(n=1-14)及AlxZry(x+y≤9)合金团簇的密度泛函理论研究

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目录

1 绪论

1.1 团簇的概述

1.1.1 团簇的概念及分类

1.1.2 团簇的性质

1.2 混合/掺杂团簇的性质及应用

1.3 团簇的研究意义

1.4 AlZr合金团簇的研究现状

1.5 本论文的主要研究内容

2 理论基础

2.1 密度泛函理论

2.1.1 Thomas-Fermi模型

2.1.2 Hohenberg-Kohn定理

2.1.3 Kohn-Sham方程

2.2 交换关联泛函

2.2.1 局域密度近似(LDA)

2.2.2 广义梯度近似(GGA)

2.2.3 杂化密度泛函

2.3 使用软件介绍

2.3.1 Gaussian计算软件

2.3.2 Molclus程序

3 AlnZr(n=1-14)团簇的稳定结构及性质的理论研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3.1 几何构型

3.3.2 相对稳定性

3.3.3 电子性质和磁性

3.4 小结

4 AlxZry (x+y≤9)混合团簇的结构特征及性质研究

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 结构和磁性

4.3.2 相对稳定性

4.3.3 手性AlxZry团簇的光学性质

4.4 小结

5 结论

参考文献

在学期间的研究成果

致谢

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摘要

过去的几十年已经见证了从研究纯团簇到多元团簇的转变,特别是对双金属混合团簇的研究已成为了科研工作者关注的焦点。通过在单原子簇中掺入另一种元素,两组分的相互影响会引入额外的参数而导致掺杂团簇产生独特的物理和化学性能,例如:适当的混合会增强团簇的稳定性、会表现出不寻常的电子、光学、磁性及催化性能等。铝和锆作为两种重要的金属材料,其合金也由于多项优异的性能,诸如高的韧性和强度、良好的耐蚀性等,被认为是很有前景的新型合金结构材料可以应用于热核反应、航空航天等领域。虽然对Al-Zr二元合金相的研究已经很丰富,但在纳米级范围的研究却很少。通过探究Al-Zr纳米团簇的结构和性质,可以为以后合成具有特殊性能的团簇组装材料提供可能。因此,本论文采用密度泛函理论方法分别系统的研究了 AlnZr(n=1-14)和AlxZry(x+y≤9)合金团簇的结构特征及其性质,主要研究结果如下:
  首先对单掺的AlnZr(n=1-14)团簇的结构稳定性、电子及磁性随团簇尺寸的变化规律进行了研究。结果发现,Zr取代的 Aln+1簇或 Zr盖帽的 Aln簇以及在 Aln-1Zr团簇上添加一个Al原子是其主要生长模式,且Zr原子倾向位于团簇表面。对稳定性的分析表明,AlnZr(n=4、6、8、10和12)团簇的稳定性比相邻团簇相对较高。AlnZr(n=1-14)团簇的Al原子和Zr原子内部均存在电子转移,并且在所有团簇中电子均从Al原子转移到了Zr原子导致s-d杂化,从而加强了两种原子之间的相互作用。对磁性的分析结果显示,Al8Zr、Al10Zr和Al12Zr团簇因其所有的电子均在分子轨道中成对存在,它们的磁矩为零。而对于其他AlnZr团簇,总磁矩主要由锆原子的4d轨道提供。
  接着对AlxZry(x+y≤9)混合团簇的研究发现,双金属AlxZry团簇的基态几何结构更倾向于形成与相应的纯Al或纯Zr团簇相同的构型。总磁矩不仅取决于构型组态,与团簇的组成也有很大关系。对稳定性的研究结果表明:目前研究的所有团簇组合都是合适的;并且在给定尺寸的团簇中,当Al:Zr比例接近于1时相应的团簇比其它相邻团簇具有更高的稳定性。随着团簇尺寸的增大,结构出现手性特征且越来越明显(在x+y=6、8和9的混合团簇中)。通过计算模拟VCD和ROA光谱证明了这些团簇确实具有手性。希望这项结合磁性和手性特征的工作可以为以后光学功能材料的合成和应用提供一些指导。

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