金原子团簇几何构型和电子结构的理论研究

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过渡金属原子团簇由于其奇特的物理、化学性质已经在材料物理、纳米技术、微电子、物理化学以及生物科学等领域得到了广泛的应用。随着密度泛函理论的诞生和计算机硬件方面的快速发展,原子团簇几何构型和电子结构的第一原理计算成为可能。金元素具有非常大的相对论效应,由于其独特的物化性质和在催化方面的应用,金团簇更是成为实验和理论研究的热门。为了探索金团簇奇异的物理、化学性质的微观机理,我们采用基于密度泛函理论的第一原理方法,系统地研究了Au_n(2≤n≤10)团簇的几何构型和电子结构。首先,采用GAUSSIAN03程序,用B3LYP函数,选择双(?)有效核势LANL2DZ进行基态结构的搜索,同时对几何构型的稳定性及电子结构作了分析。计算结果显示金团簇Au_n(2≤n≤10)基态都是以平面结构出现。对结合能及其二阶差分、费米能级、能隙的研究发现,在金团簇中存在明显的奇偶谐振效应,这与实验数据和别的理论计算结果符合得很好。在有效核势计算得到的基态结构的基础上,我们进一步用DMOL程序进行了全电子标量相对论计算,得到了更准确的金团簇的基态参数和电子结构。为了便于比较,采用了BLYP和PBE两种交换关联函数。同时,对引入全电子考虑后金团簇在结合能、二阶差分、费米能级及能隙方面的变化作了详细的讨论。计算发现,加入全电子考虑后,平均键长收缩了3%—5%,平均结合能增大了3%—5%,费米能级增大11%—15%,能隙变化较大,达到了50%左右,而结合能的二阶差分因为是一种平均效果,变化不大。本文研究表明,应用相对论有效核势和全电子标量相对论研究金团簇几何构型和电子结构能得到了一致的结果。Au_n(2≤n≤10)团簇基态都是平面构型。结合能、二阶差分、费米能级及能隙表现出明显的奇偶谐振效应,这可以用电子配对来解释:偶数个金原子的团簇拥有偶数个价电子,这偶数个价电子刚好两两配对排列在相应的分子轨道上,一个自旋向上,一个向下,其电子壳层相对封闭,故而较为稳定。而在奇数个原子的金团簇中,存在未配对的单电子,故而相对活跃。
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