CoSn和CoAl合金团簇的结构和磁性理论研究

发布时间：2018-09-07 16:26

【摘要】：二元过渡金属合金团簇由于改变化学组成和尺寸大小可以调控其化学物理性质,而成为具有潜在特殊功能的异质纳米材料。因此对其电子结构与磁性质的研究成为团簇物理学领域的热门课题。然而,如何选择掺杂元素种类、组成、原子排列方式及团簇尺寸大小,进而获得新的电磁性质,成为二元过渡金属合金团簇应用研究的一个关键问题。并且,通过丰富过渡金属合金团簇的物理化学性质可以使其在高密度磁记录、催化、光学和生物医疗领域具有广阔的应用前景。Co基过渡金属团簇由于其独特的磁学性质备受科研工作者关注。而Sn团簇特有的扁长型几何结构同样引起科研工作者关注。理论上,3d过渡金属元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni掺杂Sn13团簇的几何结构、电子组态及磁学性质已被深入研究。结果表明,随着掺杂原子的不同MSn12团簇的磁性将在2μB、5μB之间发生改变,这表明MSn12团簇是潜在的新型可调纳米磁性材料。此外,Deshpande研究指出非磁性Sn原子掺杂铁磁性Ni团簇后将导致主团簇结合能增加,磁性降低。目前,未曾见Co-Sn合金团簇的相关研究被报道。因此,基于第一性原理,本论文选取Sn原子作为异质原子对Co团簇进行掺杂,探究Sn掺杂如何影响Co团簇的结构和磁性,分析团簇几何结构、电子组态与磁性之间的相互关联,并解释其磁性变化的物理起源。CoAl合金团簇的Stern-Gerlach磁偏转分子束实验研究表明,在CoNAl M(N≤60,M≤N/3)团簇这个尺寸比例范围内,每掺杂一个Al原子磁性降低3.9μB,掺杂Al磁性降低不依赖于团簇的成分和大小。然而,Stern-Gerlach磁偏转实验对团簇其它性质如几何和电子结构提供了很弱的信息。在我们的知识体系下,较大比例掺杂Co Al合金团簇的磁性理论研究尚未见报,为了进一步全面理解CoAl团簇的结构和磁性,我们选择对较大尺寸、全比例掺杂的Co13-nAln(n=0-13)过渡金属合金团簇进行结构演化和磁学性质的研究,通过获得Co13-nAln合金团簇的结构特征和磁性变化规律,来更好地阐释实验现象、理解磁性变化的物理机制。研究获得的相关内容及结论获取归结如下:(1)基于密度泛函理论并考虑Sn原子的相对论效应,我们对ConSn(n=1-12)团簇的几何、电子结构和磁学性质进行了系统研究。研究结果表明,ConSn(n=1 5,7,9,10)团簇的稳定构型与相应纯钴团簇的最稳态相同,而Co6Sn、Co8Sn、Co11Sn和Co12Sn团簇的稳定构型发生重构。在整个体系中,Sn原子占据外围。ConSn团簇的二阶分裂能显示出奇偶交替规律。Sn掺杂致使Co团簇的总磁性呈现不同程度的降低,其中,ConSn(n=1-3,5-7)团簇的磁性减小3μB,Co4Sn团簇磁性减小5μB,ConSn(n=8-12)团簇磁性减小1μB。ConSn团簇中,除了Co11Sn和Co12Sn以外,Sn原子与Co原子均呈反铁磁性耦合,并且Sn原子的磁矩非常小(0.048-0.592μB),几乎不提供磁矩。磁性分析表明ConSn团簇平均键长的变化、原子之间净电荷转移和Sn掺杂后Co原子自旋极化的削弱是磁性降低的主要影响因素。(2)基于第一性原理,我们采用VASP软件并结合广义梯度近似及赝势平面波基组的方法对Co13-nAln(n=0-13)体系的几何结构、电子组态及磁学性质展开详细研究。通过CALYPSO全局结构搜索软件寻找Co13-nAln团簇的最稳态。结果显示,Co13团簇的最稳定构型是双层六方结构,完全符合最近提出的双层六方结构生长模式;Co12Al团簇则是顶点被占据的双层六方结构,Co13-nAln(n=2-6)团簇的最稳定构型是稍微扭曲的二十面体结构;当n=7-10时,体系仍然趋向于二十面体结构生长模式,到Co2Al11和CoAl12时几何结构发生重构,倾向于形成双层六方结构生长模式;Al13团簇又突变为经典的二十面体结构。在整个体系中,Co原子倾向于聚合,Al原子倾向于分离。体系的二阶差分能表明,Co9Al4和Co7Al6团簇较其近邻团簇表现明显的稳定性,源于其二十面体结构的高对称性。当n=0-8时,体系的总磁矩几乎在线性下降,且n=1,3,5,8时,团簇的总磁矩均比相应n-1团簇的总磁矩小4μB,这一结果很好的符合了Yin对CoNAlM(N≤60,M≤N/3)团簇的磁性检测结果;当n=8-13时,Co13-nAln团簇磁性随着Al原子数的增多,总磁性淬灭至1μB。从Al原子向Co原子的净电荷转移及Al掺杂后Co原子的自旋极化减弱是其磁性降低的主要原因。
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【学位授予单位】：山西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O641.1

【参考文献】