TM@Si 16 （TM=Ta,Ti）超原子自组装新型二维材料的铁磁性和光催化性研究

发布时间：2021-06-21 08:10

　　近来年,电子器件的小型化发展促使超薄二维（2D）材料备受关注。自旋电子学的发展迫切需要一些具有优异性能和高居里温度的超薄2D铁磁材料。到目前为止,大多数报道的超薄2D材料是通过“自上而下”的方法从层状化合物上剥离获得,限制了它们在自旋电子学等更复杂技术中的大规模应用。随着纳米科技的迅速发展,以新型纳米结构——团簇为构筑单元,通过“自下而上”方法,设计和组装具有特定功能的新型纳米材料已经成为可能。本文首先以实验上合成的Ta@Si₁₆超原子为基元设计了几种低能量的Ta@Si₁₆2D自组装结构,通过密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟研究了它们的稳定性和电子结构,并在此基础上探索了这些自组装结构在磁性和光催化方面的潜在应用。结果表明,Ta@Si₁₆超原子在所有自组装结构中都可以保持自身结构框架不变,并可在室温下稳定存在。其中,Ta@Si₁₆自组装六角蜂窝状晶格Hex-d结构和C₆₀支撑的两种Ta@Si₁₆自组装结构(Line-C₆₀

【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

Ta@Si16异构体：(a)D4d对称富勒烯

西北大学硕士学位论文24图3.2D4d对称性的Ta@Si16团簇的原子轨道图从图中可以看出，首先有两个自旋向上和向下的低能态电子分别占据了团簇的类球形S轨道，紧接着具有p，d，f和s特征的轨道被占据，这些轨道可被指认为团簇的1P，1D，1F和2S轨道，共容纳了34个电子，再下来一组轨道具有1G，2P和2D的特征，也容纳了34个电子，HOMO具有2F特征容纳了一个电子。类似于jellium模型，Ta@Si16的69个价电子形成一个1S21P61D101F142S21G182P62D10闭壳层和一个2F1开壳层的电子构型，具有1μB磁矩，因此Ta@Si16团簇是的高度稳定的磁性超原子，这种分析与文献一致[147]。接下来，我们将通过组装Ta@Si16磁性超原子的二聚体，来判断其是否可以自组装成稳定的2D磁性结构。3.3.2Ta@Si16(D4d)二聚体的组装为了研究Ta@Si16超原子单元之间的相互作用，判断它能否被组装成2D扩展材料，这里，我们将两个D4dTa@Si16单元沿着不同方向彼此靠近组建成Ta@Si16二聚体，通过几何弛豫和分子动力学模拟来研究Ta@Si16二聚体的稳定性和相互作用，判断Ta@Si16团簇在组装过程中是否可以保持其结构稳定。D4dTa@Si16二聚体具有多种异构体，这里主要考虑了两种类型：第一类是两个Ta@Si16超原子的C4轴互相平行的结构（记为Para1-6），第二类是两个Ta@Si16超原子的C4轴互相垂直的结构（记为Vert1和Vert2），如图3.3所示。其中，对于C4轴平行

第三章Ta@Si16超原子二维薄膜的自组装、磁性和光催化性质25类的二聚体，考虑了三种不同的接触构型：I）两个Ta@Si16超原子的C4轴在同一条直线上，超原子间面对面相互接触的Para1和Para2，如图3.3（a）和图3.3（b）所示；II）两个Ta@Si16超原子的C4轴不在同一直线上，超原子间以Sib-Sib键点对点接触的Para3和Para4，如图3.3（c）和图3.3（d）所示；III）两个Ta@Si16超原子的C4轴不在同一直线上，超原子间通过Sia-Sia键或Sia-Sib键点对点接触的Para5和Para6，如图3.3（e）和图3.3（f）所示。而对于C4轴垂直的结构只考虑了Vert1和Vert2两个二聚体，如图3.3（g）和图3.3（h）。优化后，我们获得了几个低能量的二聚体，按能量从低到高依次是Para1，Para5，Vert1和Para4，如图3.4所示，其中Para1结构能量最低。图3.3二聚体初始结构：(a)para1；(b)para2；(c)para3；(d)para4；(e)para5；(f)para6；(g)Vert1；(h)Vert2图3.4二聚体的初始结构（左）和优化后（右）结构：(a)para1；(b)para5；(c)Vert1；(d)para4

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本文编号：3240319