铈掺杂硅团簇的结构与性质的研究

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团簇作为物理,化学,材料的一门交叉学科,现在已经成为热门的研究领域,硅作为一种良好的半导体材料,其团簇的研究必然受到学者们的广泛关注。铈作为稀土金属中最为典型的一种轻稀土金属,其与纯硅团簇的掺杂,在一定程度上很大的改变了其结构与性质。本论文旨在结合前人的研究基础上,运用密度泛函理论研究中的B3LYP方法结合冻结外层28个电子的小核赝势ECP28MWB基组,考虑不同电子多重度和不同初始构型的基础上,系统的对稀土金属铈掺杂硅团簇 CeSin(0,-1)(n=1~10)经行了研究,获取他们的基态结构,计算基态结构的平均结合能,二阶能量差分,解离能分析其稳定性,并计算基态团簇的电子亲和能,自然电荷分布,磁矩等一系列性质。  在B3LYP/ECP28MWB水平上,计算出的其基态构型,分别为:中性分子,C∞v(5Π)、C2v(3B1)、C2v(3B1)、Cs(3A′)、Cs(3A′′)、Cs(3A′)、C1(3A)、C2v(3B1)、Cs(3A′)、C1(3A);阴离子,C∞v(2Π)、C2v(2A2)、C1(4A)、Cs(2A′′)、Cs(2A′′)、Cs(2A′)、Cs(2A)、C1(2A)、C2v(2B1)、C1(2A),并分析铈硅团簇的生长规律。在获得的基态的基础上,计算其平均结合能,二阶能量差分,解离能来分析铈硅团簇的稳定性。结果表明,掺杂Ce原子后,提高了铈硅团簇的稳定性,且CeSi2,CeSi5和CeSi8团簇的稳定性较其他基态要更好。此外,还计算了CeSin(n=1~10)团簇的绝热电子亲和能,分别为:0.81eV(CeSi1),0.48eV(CeSi2),1.23eV(CeSi3),1.39eV(CeSi4),1.74eV(CeSi5),1.89eV(CeSi6),2.28eV(CeSi7),2.20eV(CeSi8),2.64eV(CeSi9),2.36eV(CeSi10)。最后,用自然布局分析(NPA)方法计算了中性分子,阴离子团簇的基态结构中原子的电荷和偶极矩,以及中性分子团簇的磁矩等性质。结果表明:除 CeSi-之外,电荷始终是从Ce迁移到Sin团簇的,Ce原子扮演了电子供体的角色。对于计算的偶极矩,偶极矩最大为12.22D(CeSi9-),偶极矩较小的为4.13D(CeSi),4.68D(CeSi-)。对于计算的中性分子基态CeSin团簇的磁矩,除了CeSi的总磁矩为4μB之外,其它团簇的总磁矩均为2μB;从Ce原子的局域磁矩可知,CeSin团簇的总磁矩主要是由掺杂的Ce原子所提供。这也说明,掺杂 Ce原子是使无磁性的纯 Sin团簇在掺杂后的CeSin团簇产生了磁性的一个诱因。
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