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研究工作通过密度泛函理论在B3LYP水平上研究了微观水合化的金属-甘氨酸复合体,氧化铟微小团簇,以及氮化铌微小团簇的稳定平衡结构、电子稳定性和振动特征。同时,从理论方面研究了自旋三重态超导体/铁磁体/自旋三重态超导体异质结中产生的约瑟夫森自旋电流。此外,还利用扫描隧道显微镜研究了硅(001)表面上同质外延生长过程中,坑结构的形成以及表面形貌的演化。主要结果总结如下:
a)采用DFT-B3LYP理论方法系统地研究了由金属离子(Al3+,Ga3+,In3+)和两性离子型甘氨酸配合基构成的复合体的逐步水合化过程,以此揭示水溶液环境条件下金属离子-生物配合基之间的相互作用。水分子逐个加到金属离子上,直到金属中心处形成六配位位型结构的第一溶剂壳层。此溶剂层的形成归因于空间位阻和向金属的电荷转移之间的微妙平衡。由于水分子和金属之间的电荷非局域化,金属离子和甘氨酸配位基之间的静电相互作用随着逐步水合化而逐渐减弱,这引起了第一溶剂壳层中甘氨酸配位基的NH3+功能团的转动并形成分子内型氢键。研究结果提供了微观水合化的金属-甘氨酸生物复合体的结构和溶剂化能。
b)研究发现,氧化铟团簇InmOn(1≤m,n≤4)的基态结构倾向于构成原子的平面排布,并具有In-O离子键数目最大化的趋势。由于铟和氧之间发生了电荷转移,具有同种电荷的原子之间会存在静电排斥。静电排斥的最小化和In-O离子键数目最大化两者相互竞争,决定了团簇总能量的大小。同时,还进一步计算了团簇的振动频率并和已有实验结果进行了比较。最后,讨论了团簇的带隙和电荷密度分布。
c)在B3LYP/LanL2Dz水平上研究了Nb3N3的结构、稳定性和振动特征。研究发现线性和平面化同分异构体的振动谱中存在虚频,因而得到的优化结构是不稳定的。通过对具有合适原子配位方式和对称性的几何结构进行优化得到了多个稳定的具有三维结构的同分异构体。基态结构具有Cs对称性,由一个位于顶部的氮原子和底部三个铌原子桥键的三角形底面的金字塔以及另外两个和金字塔的铌等腰三角形的两个等边上的铌原子桥键的氮原子构成。计算得到的裂解能表明了基态结构在分解为原子、分子和更小团簇方面的稳定性。
d)从理论方面研究了自旋三重态超导体/铁磁体伯旋三重态超导体异质结中产生的约瑟夫森自旋电流。在铁磁体/超导体界面处,铁磁散射势垒导致了安德列耶夫束缚态之间的耦合,并解除了其自旋简并。通过这些自旋辟列的安德列耶夫态,约瑟夫森自旋电流在异质结中进行输运。产生的自旋超流通过调节铁磁薄膜的磁化取向和大小,以及加在异质结上偏压进行控制。