CoAl和CoO合金团簇的结构和磁性理论研究

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在过去二十年中,过渡金属团簇由于其特有的d壳层电子结构在实验和理论方面受到了广泛关注。人们对一元过渡金属团簇的广泛研究在很大程度上对一元过渡金属团簇的几何,电子结构和磁学性质提供了较全面的理解。近来,二元过渡金属合金团簇受到了广泛关注,人们可通过调整团簇的化学组成和尺寸大小而改变其物理化学性质,从而得到所需的新材料。二元过渡金属合金团簇的这种可调控性在生物医疗、化学催化、光学及磁性材料等方面有着广阔的应用空间,对其电子结构与磁性质的研究已成为团簇物理学领域最活跃的研究课题之一。实验上,利用磁偏转分子束技术可以确定团簇的磁矩,但很难给出其几何构型和电子结构的精确信息。为了进一步了解过渡金属合金团簇磁性的起源,更好的提高合金团簇材料的功能化设计,在众多的过渡金属合金团簇中,本文选择了在磁性材料领域最有前景的钴基双金属团簇体系。利用密度泛函理论方法对ComAln(m+n≤6)和(CoO)n(n≤6)合金团簇的几何、电子结构与磁学性质的相互关联进行系统研究,重点探讨掺杂元素是如何影响Co团簇的几何结构和磁学性质,以及产生不同磁学行为的磁性机理。本论文的主要研究内容及结果如下:(1)基于密度泛函理论广义梯度近似(DFT-GGA),系统地研究了ComAln(m+n≤6)合金团簇的几何、电子结构和磁学性质。结果发现ComAln(m+n≤6)团簇的最稳定结构倾向于形成Co-Al成键数最多的构型,其中的钴铝二元合金团簇的最稳定结构类似于纯钴团簇。随着Al原子数的增多,团簇的平均磁矩呈线性降低,其中ComAl(n=2-5)团簇的总磁矩均比Com+1团簇的小4μB,这一结果很好的符合了Yinetal.对CoNAlM(N≤60,M≤N/3)团簇的检测结果。CoNAlM团簇磁性的降低主要归因于非磁性Al元素的掺入以及Al掺杂后Co原子整体自旋极化的减弱。(2)在DFT-GGA方法下,我们对(CoO)n(n≤6)合金团簇进行了系统的几何、电子结构和磁性质研究。研究结果表明(CoO)n团簇最稳定结构除(CoO)6团簇为三维立体结构外,其余团簇均呈二维的平面结构,且除(CoO)5团簇外,其余团簇结构均表现明显地钴氧分离特征。团簇的总磁矩在n=1,3,4时,以3μB为单元成倍增长;(CoO)5团簇的总磁矩因Co原子与邻近O原子存在超交换相互作用,表现反铁磁耦合,致使团簇的总磁矩降低为1μB;相对于其它合金团簇,在(CoO)6团簇中,Co和O之间的电子差分密度表现明显的离域特征,同时Co原子内部存在明显的spd杂化,这表明在Co原子内部与Co和O之间均存在强的电子相互作用,结果(CoO)6团簇的总磁矩显著降低,表现6μB的磁性。
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