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原子团簇作为新型纳米结构的基础材料,因其可以通过改变形状、大小和组分来控制电子性质而吸引着大量研究者。掺杂过渡金属是实现调控团簇性质的有效途径。本论文用基于密度泛函理论第一性原理对3d、4d和5d过渡金属原子掺杂碳化硅SinCn(n=7-10)团簇的几何结构、稳定性、电子性质和磁性进行了系统的研究。
在几何结构和稳定性方面,过渡金属原子与碳化硅SinCn(n=7-10)笼结构结合主要形成了碗状、篮状、封闭笼状及表面掺杂结构。其中大部分过渡金属原子可以包裹在笼结构中。至于具体生成结构的类型取决于过渡金属原子的种类和SinCn笼的大小。我们计算了平均结合能(Binding Energy)、嵌入能(Embedding energy)和平均键长等参数来研究这些团簇的稳定性能。总的来说,掺杂3d、4d和5d过渡金属原子加强了SinCn(n=7-10)团簇的稳定性。并且过渡金属原子掺杂的嵌入能随着3d、4d和5d周期不断增大。在对比各尺寸团簇的嵌入能后,我们发现Si8C8是包裹大部分3d、4d和5d过渡金属原子的理想结构。
在团簇的电子结构和磁性方面,我们着重讨论了TM@Si8C8团簇的最高占据轨道和最低未占据轨道的能量间隙(HOMO-LUMO Gap)、马利肯集居数分析(Mulliken PopulationAnalysis)和态密度(DOS)。研究发现HOMO-LUMO能隙在同一周期随着过渡金属原子的变化具有奇偶震荡的性质。通过马利肯集居数分析可知TM@Si8C8团簇的电荷是从Si和C原子转移到TM原子的。态密度和团簇分子轨道的分析显示在费米能附近的电子态主要是Si的3s和3p,C原子的2s和2p,以及TM原子3d(4d、5d)轨道。TM原子和Si8C8团簇的相互作用可以认为是sp-d杂化。马利肯集居数分析还提供了TM@Si8C8团簇的磁性情况,在同一周期内,TM@Si8C8团簇的总磁矩随着3d、4d或5d原子变化形式为0和1μB之间的交替振荡。总磁矩主要由Si原子的3s和3p轨道贡献,其次是C原子的2p轨道,而TM原子则贡献的比较少。