中性、一价离子银团簇结构和电子性能的第一性原理计算

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团簇是由几个到几千个原子聚集形成的相对稳定的物质,直径小于50nm,是介于微观的原子和宏观的固体物质之间的新层状。团簇表现了新奇的物理和化学的尺寸依赖性能,对它的深入研究将有助于为微观尺度材料的合理设计和改性提供科学依据。实验观察到银团簇有类似于碱金属团簇的壳层效应,因此银团簇的研究成为目前的热点。此外,银团簇在一些工业应用中也有重要应用,例如,光学、催化过程、新奇的电子材料、表面科学和金属合金团簇等等。本文利用遗传算法和第一性原理相结合的方法研究了中性和一价离子银团簇Agnv(v=0,±1;n=3-14)和中性Agn(n=3-22)的结构衍生模式和电子性能。电子的交换关联作用使用广义梯度近似下的PW91形式,并选取傅立叶变换为基础的相对半芯赝势(DSPP)来处理银原子间的芯问题,同时使用包含轨道极化函数在内的双数值基组(DNP)来解决芯效应问题。第一性原理计算全部采用密度泛函理论的DMol3程序包来完成,这种参数体系简称为PW91/DSPP/DNP。阳离子、中性和阴离子银团簇二维平面的基态结构存在的最大尺寸分别是n=7,6和6。Agnv(v=0,±1;n=9-14)的稳定结构随着团簇原子个数增加而表现为越来越明显的三维的近扁平双层构型。基于PW91/DSPP/DNP计算水平得到的封闭层状结构衍生模式显然不同于早期的经验势和半经验势计算结果,部分符合早期的第一性原理计算结果。中等尺寸Agn(n=19,21,22)的平衡结构是基于二十面体的密堆积构型,Ag20是一个具有Td高对称性的类面心立方的四面体结构,Agn(n=16-18)存在空心笼子构型和基于二十面体的密堆结构的竞争关系,首次发现了Ag16和Ag18存在具有C2v对称性的空心笼子的稳定构型,本文结果明显不同于经验势模拟的基于二十面体的简单密堆结构衍生模式。本文还详细研究了Agnv(v=0,±1;n=3-14)和Agn(n=3-22)的二阶差分能量、平均原子结合能(Eb)、最高占据-最低空轨道能隙(HOMO-LUMO gap)、垂直电离势(IPV)和绝热电子亲和能(EA)与银团簇的尺寸依赖性能。结果表明,IPv和EA的计算值与相应的实验结果表现出了相似的奇偶振荡变化趋势。中性Agn(n=6,8,14,18,20)比其它尺寸的银团簇具有较大电离势和能隙以及较低的亲和能,表明Agn(n=6,8,14,18,20)可能为幻数团簇。本文的研究结果有助于深入理解中性和离子银团簇的结构衍生模式和电子性能,为以后的实验提供可靠的理论依据。
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