FeV二元合金团簇结构和磁性质的理论研究

发布时间：2020-08-27 08:23

【摘要】：过渡金属团簇由于其具有特殊的d壳层电子结构,表现奇异的物理化学性质,特别是铁磁性过渡金属团簇(Fe,Co,Ni),磁性明显大于相应的体材料,备受实验和理论科学研究者的广泛关注。最近,二元过渡金属合金团簇由于通过改变化学组成和尺寸大小可以调控其化学物理性质,获得可裁剪的新材料构筑基元,这种性质的可裁剪性为其在高密度磁记录、催化、光学和生物医疗等领域的应用开辟了广阔的空间。对其电子结构与磁性质的研究已成为团簇物理学领域一个热门的研究课题。本文主要对Fe基过渡金属掺杂V原子团簇进行了第一性原理计算,主要内容如下:(1)小的Fe_mV_n(m+n≤6)团簇的几何结构,电子和磁性质的理论研究:第一性原理计算在本文中,使用密度泛函理论中的广义梯度近似计算了Fe_mV_n(m+n≤6)团簇的几何结构,电子和磁性质。研究结果表明Fe_mV_n合金团簇的低能量态全部表现为经典的密堆积构型,且在m+n4时展现不同的原子化学序;团簇的最稳定结构倾向于形成最多的Fe-V键。随着掺杂V原子个数的增加,Fe_mV_n(m+n≤6)团簇的结合能呈现单调递增趋势,表明了团簇的稳定性由于V原子的掺杂而增大。V原子单掺和双掺Fe_n团簇使铁团簇的总磁矩分别降低了5μ_B和7μ_B。随着V原子的进一步掺杂,团簇的总磁矩呈总体下降趋势。V掺杂后,团簇磁性降低的原因主要源于两个因素,一是团簇中Fe原子和V原子之间的磁序发生变化,在Fe原子数较多的团簇中,Fe原子和V原子之间以反铁磁的方式耦合;而在V原子数较多的团簇中,两种原子之间的磁序则转变为反铁磁性和铁磁性共存;二是在Fe_mV_n(m+n≤6)团簇中,电荷总是从V原子向Fe原子转移。(2)Fe_(13-n)V_n(n=0-13)团簇的几何结构,化学有序,电子结构与磁性质的理论研究采用密度泛函理论下的广义梯度近似方法对Fe_(13-n)V_n(n=0-13)原子团簇的结构,稳定性,化学有序和磁性质进行了研究。在13个原子团簇中,团簇最稳定结构表现为二十面体构型,倾向于形成更多的V-V键。混合能参数E_(mix)和化学有序参数?表明,在团簇的最稳定结构中,Fe原子和V原子趋向于分离。团簇的平均结合能E_b,二级差分能(35)_2和HOMO-LUMO能隙的计算指出,Fe_(12)V团簇较其它近邻团簇表现明显的稳定性。随V掺杂比例的增大,Fe_(13-n)V_n(n=0-13)团簇的磁性在逐渐的降低,其磁性变化的物理起源也从原子间磁性耦合方式,原子间净电荷转移和原子轨道间的杂化作用进行了详细地阐释。
【学位授予单位】：山西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O641.1
【图文】：

总磁矩增加了 1μB。其中 Fe 和 V 原子之间不仅有反铁合。V3团簇最稳定的结构是一个 C2v等腰三角形，总磁矩为 1 V3团簇的结果与先前的理论计算很好的符合[81, 120, 122-124]。 4 原子团簇中，我们在图 3-1 中可以看到，不同组分的原子团理论计算结果给出了 Fe4团簇的基态结构是 Cs对称性，总磁矩前人的工作[81, 120, 121]。对于 Fe3V 团簇，V 原子单掺团簇的磁要归因于所有 Fe-V 原子之间的反铁磁耦合。当第二个 V 原子它的的最稳定结构变成 C2v对称性，总磁矩持续降低，但降低FeV3团簇，基态结构为 Cs态，总磁矩为 3μB，此时团簇中 Fe 原为铁磁性和反铁磁性共存。V4团簇的最稳定结构具有四面体最 原子的局域磁矩为 0μB，这一结果很好的吻合了 Wu 等人[123]。

与基态结构不同的是 V 原子位于五角双锥结构的平面，它的能量比基，且总磁矩小于基态结构(9μB)。Fe3V2团簇中，由于两个 V 原子位于形成最多数量的 Fe-V 键，对团簇的稳定性造成影响。且两个 V 原子反铁磁耦合，使团簇具有较小的总磁矩(4μB)。C2v态是其亚稳态结构构高 0.46eV。与基态相比，第二异构体结构具有不同的 V-掺杂位置子在五角双锥结构中聚集。它具有比基态更高的能量(0.56eV)和 10μB2V3团簇中，Fe 和 V 原子之间磁序发生变化，出现铁磁性耦合，因此增加(7μB)。基态结构中，两个 Fe 原子分别位于三角双锥的顶点和双能量最接近的异构体是 C2v态，仅比基态结构能量高出 0.03eV。此时角双锥的顶点，有 5μB的总磁矩。能量相差较大的异构体为 D3h态，对于 FeV4团簇，最稳定结构有着较小的磁矩(4μB)和低的结构对称性 V 原子之间为亚铁磁序。异构体团簇有着比它高的磁矩(6μB)，且能本文中给出的 V5团簇为 Cs态，有着 1μB的总磁矩。

Vn(m+n 6)团簇的最稳定结构分别在图3-1，图 3-2 和图 3-3 中给出。除此之外，我们在结构的下方给出了最稳定结构与异构体之间的能量差，对称性和总磁矩。对于 m+n=5,6 的团簇，由于不同掺 V 位点的出现，我们同时给出了部分低能量异构体并且标记出了它们的键长。 FeV 二聚体的结合能和键长分别为 2.31ev，1.903 ，位于 Fe2（1.62ev

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本文编号：2805860