組份夸克模型與奇異雙重子態(tài)研究.pdf

1、團簇作為連接微觀原子分子和宏觀凝聚態(tài)物質間的橋梁,具有許多奇特的性質,其物理、化學性質隨尺寸發(fā)生顯著變化。人們希望通過對團簇的研究,實現以團簇作為基元組裝出各種納米功能材料和器件的目標。硅基半導體材料在微電子工業(yè)上的重要地位,使得硅團簇倍受重視。然而由于硅原子具有sp3雜化性質,不適合作為穩(wěn)定的組裝單元,為了穩(wěn)定硅團簇,人們提出通過摻雜一些其它原子的方法來飽和硅團簇表面的懸鍵,而過渡金屬原子以其獨特的電磁特性,成為被研究最多的摻雜原子。

2、由于計算量與結構復雜程度等因素的制約,以往的研究以摻雜單個過渡金屬原子為主,對于多個金屬原子共同摻雜的情況研究較少。本文通過基于密度泛函的第一性原理方法,對3d過渡金屬雙原子摻雜雙棱柱硅籠MM’Si18(M,M’=Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn)以及過渡金屬鎢原子摻雜硅團簇WmSin(m=1,2;n=1-18)的幾何結構、電磁性質、穩(wěn)定性與電子數規(guī)則等進行了系統(tǒng)的研究。
　　 采用第一性原理計算方法,我們對同

3、種3d金屬雙原子摻雜雙棱柱硅團簇M2Si18(M=Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn)進行了系統(tǒng)地幾何優(yōu)化、電荷分析和能量計算。從幾何結構來看,只有當摻雜金屬原子的3d電子數在半滿以下時,摻雜后團簇能夠形成類雙六棱柱的結構。自旋多重度和對稱性與兩過渡金屬原子間的距離之間相互影響。除Mn外的3d過渡金屬摻雜的M2Si18其金璃原子問的距離都大于金屬二聚物鍵長。結構相似的異構體中,自旋多重度較高的構型其過渡金屬原子間距離較大

4、。對稱性較高的,特別是類雙六棱柱的結構,其過渡金屬原子間距離小于對稱性較低的異構體。除Zn原子外,電荷總是從硅原子向過渡金屬原子轉移。除Co2Si18和Cr2Si18為自旋三重態(tài)外,其余M2Si18的磁矩均湮滅了,這與摻雜后體系的幾何對稱性下降有關。過渡金屬原子閉殼層18電子數規(guī)則不能準確判定MM’Si18的穩(wěn)定性,而基于電子氣閉殼層模型的電子數幻數規(guī)則結合自旋守恒約束條件則成功預言了Fe2Si18的特殊穩(wěn)定性。
　　 為了豐富

5、磁性與電子數樣本,我們又進一步對異種3d金屬雙原子混合摻雜MM’Si18進行了系統(tǒng)研究。按照幾何結構特點,MM’Si18團簇可以分為七類。除了某些Ti和V原子與Cr、Mn、Fe、Co等磁性原子混合摻雜外,其余情況下團簇中過渡金屬間的距離均大于相應金屬二聚物中的鍵長值。一些磁性較高的二聚物如VMn和CrMn摻雜硅團簇MM’Si18后,體系的磁矩都下降到6μB以內,說明硅籠的存在導致磁性下降。在CrZnSi18以及所有不包含Zn原子的團簇中

6、,電荷總是從硅原子向過渡金屬原子轉移。磁性方面,過渡金屬原子的組合方式與團簇的磁性間存在明顯的周期規(guī)律性,異種原子混合摻雜的團簇中只有3種磁性完全湮滅,其余團簇都具有一定的磁性,同時硅原子對整體磁性的貢獻宵所增加,特別是出現了硅原子對磁矩貢獻大于金屬原子的情況,這可能主要是由于體系對稱性下降造成的。含有Ti原子的MM’Si18團簇往往比較穩(wěn)定,而含有Zn的團簇則穩(wěn)定性較差。過渡金屬閉殼層的18電子數規(guī)則不能正確判定MM’Si18的穩(wěn)定性

7、,而基于電子氣閉殼層的電子數規(guī)則結合自旋守恒條件約束,雖然在同種摻雜時成功預言了滿足幻數34價電子要求的Fe2Si18的特殊穩(wěn)定性,但是進一步研究發(fā)現在異種金屬混合情況下幻數價電子的團簇穩(wěn)定性明顯低于Fe2Si18,因此這一電子數規(guī)則的確定性也令人質疑。除電子數規(guī)則外,團簇的對稱性、摻雜原子的種類、過渡金屬間距離、平均配位數、電子轉移、磁矩分布都與MM’Si18團簇穩(wěn)定性具有密切關系。
　　 隨后我們對單個鎢原子摻雜的WSin(

8、n=1-12)進行了系統(tǒng)研究。隨著硅原子數從1增加到12,團簇中鎢原子的平衡位置從團簇的頂點、表面逐漸向團簇內部轉移,到硅原子數目n=9時鎢原子完全落入由硅原子構成的籠形結構中心位簧,構成了包裹鎢原子的硅籠結構。存這一轉變臨界尺度前后,WSin團簇的幾何結構參數、電荷密度分布、穩(wěn)定性等都發(fā)生了明顯的變化。電荷總是從硅原子向鎢原子轉移,隨著鎢原子內嵌,鎢原子上的電子數目明顯增加。磁性方面,除了WSi和WSi2之外,其余基態(tài)結構均為自旋單重

9、態(tài)無磁矩。摻雜鎢原子后的硅團簇穩(wěn)定性高于相應尺寸的純硅團簇,最穩(wěn)定的是六棱梓結構的WSi12,這與實驗和之前的計算結果符合。
　　 最后我們還對兩個鎢原子摻雜的W2Sin(n=1—18)進行了系統(tǒng)的計算。隨著硅原子數目從7增加到18,兩個鎢原子依次嵌入硅籠,當n=10時一個鎢原子完全嵌入硅籠中而另一個仍位于籠外,當n=14時,另一個的鎢原子也開始嵌入硅籠,到n>16后兩個鎢原子完全嵌入硅籠。在鎢原子依次嵌入的兩個臨界點前后,體系

10、的幾何結構、電荷分布和穩(wěn)定性等許多物理量都出現了明顯變化。隨著尺寸的增加,團簇中兩個鎢原子的距離總體上呈現增加的趨勢,體系表現出以鎢原子為中心的籠形局域化分布趨勢。雖然雙鎢原子摻雜后體系對稱性較低,但存在著一些棱柱或層狀結構隨硅原子增加而連續(xù)演化的路徑。電荷總是從硅原子向鎢原子轉移。內嵌的鎢原子上的電荷數目大于籠外的鎢原子,這一差異隨著籠外鎢原子的逐步內嵌而減小。在n=7-18的尺度范圍之內,W2Sin的基態(tài)結構均為自旋單重態(tài),凈磁矩為