Ⅲ族金屬及Ga-,m-N-,n-團(tuán)簇性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、低維多原子體系如團(tuán)簇、量子點、量子線、超薄膜等的電子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)與三維固體有顯著差別，而團(tuán)簇的理論研究是理解這種低維效應(yīng)的起點。s2p1的電子構(gòu)型使得ⅢA族元素的小團(tuán)簇表現(xiàn)出一些奇特的性質(zhì)，近年來一直是人們研究的熱點。
　　 本論文利用基于密度泛函理論的第一性原理方法對鋁團(tuán)簇、鎵團(tuán)簇、銦團(tuán)簇進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、結(jié)合能的計算，分析了團(tuán)簇成鍵特性和電子自旋極化的原因。另外本文還對N摻雜的GamNn(m=1-7,n=1,2)團(tuán)

2、簇進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計算和穩(wěn)定性的分析。主要計算結(jié)果如下：
　　 (1)Al2，Al4團(tuán)簇基態(tài)都是自旋極化的三重態(tài)，Al6團(tuán)簇有兩個能量幾乎相等的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，單重態(tài)的八面體結(jié)構(gòu)和三重態(tài)的三棱柱結(jié)構(gòu)，Al8團(tuán)簇基態(tài)為單重態(tài)的不規(guī)則體。Al3，Al5，Al7團(tuán)簇都是二重態(tài)，沒有形成自旋極化的四重態(tài)，但是Al3團(tuán)簇的二重態(tài)與四重態(tài)的能量相差比較小。
　　 (2)Ga2，Ga4團(tuán)簇基態(tài)也都是自旋極化的三重態(tài)，且三重態(tài)比單重態(tài)能量低了許多。

3、Ga6團(tuán)簇基態(tài)是對稱性為C2v的三棱柱結(jié)構(gòu)，它雖然也是自旋極化的，但是其單重態(tài)和三重態(tài)能量相差很小，自旋極化能力很弱。Ga3，Ga5，Ga7團(tuán)簇基態(tài)同樣也都是二重態(tài)，Ga7團(tuán)簇基態(tài)有著最穩(wěn)定的殼層結(jié)構(gòu)，其四重態(tài)能量比二重態(tài)能量高了1.04eV。
　　 (3)In2，In4，In6團(tuán)簇基態(tài)都是自旋極化的三重態(tài)，其中In2，In4團(tuán)簇自旋極化能力強(qiáng)，In6團(tuán)簇的三重態(tài)能量比單重態(tài)能量低了0.1eV。與Al3，Ga3團(tuán)簇不同的是，In

4、3團(tuán)簇形成了自旋極化的四重態(tài)，雖然它的四重態(tài)能量比二重態(tài)只低了0.024eV。In7團(tuán)簇同Al7、Ga7團(tuán)簇一致，有穩(wěn)定的殼層結(jié)構(gòu)。Ina團(tuán)簇基態(tài)為非自旋極化的單重態(tài)。
　　 (4)三種團(tuán)簇的對比發(fā)現(xiàn)，同尺寸團(tuán)簇的自旋極化也存在著某種規(guī)律。對于含兩個原子的Ⅲ族金屬團(tuán)簇隨著團(tuán)簇鍵長增加，自旋極化能力越來越差；對于三原子和四原子團(tuán)簇隨著原子序數(shù)的增加，自旋極化能力增強(qiáng)，經(jīng)驗證，Tl3團(tuán)簇基態(tài)也是自旋極化的四重態(tài)。對于Aln，Gan，

5、Inn(n=5-8)團(tuán)簇，Gan團(tuán)簇自旋極化的能力最低。另外，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)n=3-8時，Ga團(tuán)簇自旋極化能力隨著團(tuán)簇尺寸增大而減小的程度要大于In團(tuán)簇，In團(tuán)簇比Ga團(tuán)簇的自旋極化能力強(qiáng)。
　　 (5)對于GamN1團(tuán)簇，N原子一般都位于團(tuán)簇的中心位置，一般與周圍3，4個Ga原子配位。Ga3N1團(tuán)簇有著最大的平均結(jié)合能，當(dāng)m＞5時團(tuán)簇的平均結(jié)合能趨于一致。對于GamN2團(tuán)簇，在m＜5的情況下，兩個N原子通常以N-N聚體出現(xiàn)，形成

6、強(qiáng)的N-N鍵，團(tuán)簇中Ga-N鍵的離子性弱。而當(dāng)m≥5時，兩個N原子通常是分離的，N-N鍵斷裂而形成多的Ga-N鍵，且Ga-N鍵的離子性強(qiáng)。計算表明m＜5的團(tuán)簇穩(wěn)定性比較差，N2聚體很容易從團(tuán)簇中分離出來，m≥5的團(tuán)簇比較穩(wěn)定。
　　 本文的計算結(jié)果，與已有的研究結(jié)果基本上是一致的，并且有的數(shù)據(jù)很好的與實驗數(shù)據(jù)吻合，說明我們的計算方案是可行的，同時，我們也得到了一些新的結(jié)果，盡管這些結(jié)果需要實驗和理論上的進(jìn)一步驗證，但對我們進(jìn)一步