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本文主要用ADF作为计算工具,并与前人的实验结果相结合,详细地研究了锗与过渡金属形成的二元合金团簇的几何结构、电子结构并对与其相关的稳定性做了讨论。研究获得的主要结果如下:
一、过渡金属与锗形成笼状TMGe10-(TM过渡金属)团簇具有明显的尺寸效应。TMGe10-的结构不仅与金属的电子结构相关,还与金属的半径有关。当盒属半径较大对,由于嵌入能较小,笼的结构可能发生扭曲而转化为其他构型。我们发现钴、镍的二元团簇基态构型的对称性为D4d,钛、钒、铬、猛、铁的二元团簇基态构型对称性为C3v,铜的为C4。
二、过渡金属的掺入,使原来电子结构发生极大的变化。过渡金属钒、钴、铜与锗形成TMGe10-团簇的基态磁矩完全消失,钛、铬、铁、镍与锗形成MGe10-的基态磁矩都为1μB。虽然MnGe10-的磁矩比较特殊,为2μB,但我们认为很该团簇很可能存在其他结构,使得其磁矩为0μB。
三、通过对TMGe11-(TM=Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu;n=1-15)的系统研究,我们发现电荷随着锗原子数目的增加,会明显地从过渡金属向锗原子转移。除了铜的合金团簇以外,其他金属合金团簇在锗原子超过3-5个时,过渡金属已经呈现出很强的金属特性,带0.1-0.3e的正电荷。同时,磁矩也随着结合锗原予数目的增加而降至最低。计算显示,除锰的二元团簇磁矩降到2μB以外,其它过渡金属在结合10个锗时,该团簇磁矩已经降至最低值。
四、TMGen-(TM=Mn,Fe,Co,Ni,Cu;n=1-10)随着锗原子数目的增加,各个系列的能量在锗原子数目较少时大体呈线性变化。锗原子数目增多时,偏离线性区域,认为这是因为过渡金属的4p轨道参与成键,而且随着锗原子数目的增多,高能级的5s、4d空轨道也可能参与成键。
五、为了理解这些团簇磁矩变化的机制,我们提出了屏蔽效应。发现随着锗原子数目的增加,过渡金属的半径有“收缩”的效应:过渡金属将一部分电荷转移到锗原子上,而自身的原子半径减小。这样的电荷转移使得整个团簇体系的电子云流动性加强、能量降低,α自旋和B自旋分布趋于平衡。