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      密度泛函理論計(jì)算GanZn(n=1~7)團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性

      2014-07-13 03:39:38賀德春
      關(guān)鍵詞:鍵長(zhǎng)二階個(gè)數(shù)

      賀德春

      (河西學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院,張掖734000)

      1 引 言

      團(tuán)簇是指幾個(gè)甚至成千上萬(wàn)個(gè)原子、分子或離子通過(guò)一定的物理或化學(xué)結(jié)合力組成的相對(duì)穩(wěn)定的微觀或亞微觀聚集體[1].其性質(zhì)不同于單個(gè)原子和分子,也不同于固體或液體.它是各種物質(zhì)由原子和分子向體相物質(zhì)轉(zhuǎn)變的中間過(guò)渡態(tài),它的很多新的物理和化學(xué)性質(zhì)日益引起人們的關(guān)注[2-6].近年來(lái),過(guò)渡金屬團(tuán)簇由于在電子器件、儲(chǔ)氫材料等方面潛在的應(yīng)用價(jià)值,而被科學(xué)家在理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了大量研究[7-9],而將一個(gè)金屬原子摻雜到一個(gè)純團(tuán)簇中,會(huì)改變純團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和電子特性[10,11].

      鎵團(tuán)簇由于其自身奇特的物理性質(zhì)在微電子和光電子領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,使人們?cè)诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)上對(duì)其物理和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究[12-19].BelBruno[17]應(yīng)用密度泛函理論計(jì)算了Gan(n=1-5)團(tuán)簇的電子性質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)和結(jié)合能.Song 和Cao[18]同樣應(yīng)用密度泛函理論研究了Gan(n=2-26)團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì),研究表明,隨著團(tuán)簇原子序數(shù)的增加,鎵團(tuán)簇越來(lái)越趨于緊湊結(jié)構(gòu).團(tuán)簇單原子結(jié)合能隨團(tuán)簇尺寸的增大而增大,但是Ga8、Ga14和Ga20表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性.所有偶數(shù)的鎵團(tuán)簇是閉殼單重態(tài),但Ga2和Ga4團(tuán)簇基態(tài)出現(xiàn)自旋極化現(xiàn)象.對(duì)于Ga2,Albe[12]計(jì)算得到它的半徑r0=2.3235,結(jié)合能D0=1.4eV,頻率ω0=162cm-1,而在實(shí)驗(yàn)上,Huber K.和Herzberg G.

      [19]得到Ga2的結(jié)合能D0=1.4eV,頻率ω0=162 cm-1,計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值幾乎一致.在實(shí)驗(yàn)上,對(duì)鎵團(tuán)簇其他性質(zhì)的研究也比較多,比如Cha ChiaYen[20]等研究了Ga2團(tuán)簇的光電子質(zhì)譜,Tan和Dagdigian[13]測(cè)量了Ga2團(tuán)簇的電子譜,F(xiàn)roben[14]研究了Ga2團(tuán)簇的拉曼譜.

      上面列舉了對(duì)鎵純團(tuán)簇的研究,隨著鎵團(tuán)簇在材料學(xué)中的廣泛應(yīng)用,對(duì)摻雜鎵團(tuán)簇的研究也進(jìn)行了大量研究[21-24].Neal[21]研究了Al摻雜到Ga+n(n=17,19,20,30-33,43,46,47)團(tuán)簇的熱量測(cè)定,研究表明代替一個(gè)鋁原子對(duì)整個(gè)團(tuán)簇的熔化性能影響很小.李恩玲等利用密度泛函理論對(duì)GanP和GanP2(n=1~7)團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)、電子態(tài)和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,研究表明,當(dāng)n≤5時(shí),團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)基本上為平面結(jié)構(gòu),當(dāng)n>5時(shí),團(tuán)簇均為立體結(jié)構(gòu).可以看出,當(dāng)對(duì)鎵團(tuán)簇?fù)诫s不同的原子時(shí),得到的新團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)、電子態(tài)及穩(wěn)定性與純鎵團(tuán)簇相比,都發(fā)生了很大的變化.鋅由于具有優(yōu)良的物理特性,而被廣泛用在發(fā)光二極管、激光器、壓電材料、化學(xué)傳感器和太陽(yáng)能電池等方面.Tanaka 等[25]研究了Au5Zn+團(tuán)簇的芳香性.Koyasu等[26]研究了AunZn-(n=2-7)團(tuán)簇的光電子譜,研究表明,由于金團(tuán)簇和摻雜的鋅原子之間的相互作用,團(tuán)簇的電子親和勢(shì)和特征光譜隨著n的變化而呈現(xiàn)一種奇偶交替的現(xiàn)象.在本文,我們用DFT 中的B3LYP 方法,在LANL2DZ基組水平上,對(duì)GanZn(n=1~7)團(tuán)簇的各種可能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,得到團(tuán)簇的一系列穩(wěn)定結(jié)構(gòu),分析團(tuán)簇的生長(zhǎng)規(guī)律、穩(wěn)定性和磁性隨團(tuán)簇尺寸的變化規(guī)律.

      2 計(jì)算方法

      采用Gaussian 03程序密度泛函進(jìn)行計(jì)算,用含有電子相關(guān)效應(yīng)校正的DFT 中的B3LYP 方法,該方法是由Becke 建議的雜化函數(shù)和Lee-Yang-Parr相關(guān)函數(shù)組成,選擇LANL2DZ 基組.為了確定所選方法的可靠性,我們首先計(jì)算了Ga2,Zn2和GaZn團(tuán)簇的鍵長(zhǎng),頻率和結(jié)合能,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和其他理論計(jì)算進(jìn)行了比較,其比較結(jié)果列于表1中.本文計(jì)算得到的Ga2團(tuán)簇的鍵長(zhǎng)為2.8626?,頻率為143.1299cm-1,離解能為1.165 eV.從表中可以看到,與其他理論計(jì)算得到的Ga2團(tuán) 簇 的 鍵 長(zhǎng) Re=2.746 ?[27],頻 率ωe=162cm-1[27],離解能De=1.13eV[28]的結(jié)果非常接近,并且從表中可以看到,本文計(jì)算Ga2團(tuán)簇的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的結(jié)果也非常接近(實(shí)驗(yàn)結(jié)果為ωe=165cm-1,De=1.4eV)[19].對(duì)于Zn2團(tuán)簇,本文計(jì)算得到的鍵長(zhǎng)為4.3602?,頻率為184.9711 cm-1,離解能為0.0027eV,對(duì)GaZn團(tuán)簇,本文計(jì)算得到的鍵長(zhǎng)為3.0434?,頻率為75.9816cm-1,離解能為0.1412eV.對(duì)于Zn2團(tuán)簇和GaZn團(tuán)簇,本文沒(méi)有查找到其他文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果.可見(jiàn),本文選擇的方法比較適合計(jì)算Zn摻雜到Ga團(tuán)簇中.

      在優(yōu)化GanZn(n=1~7)團(tuán)簇的過(guò)程中,我們參考了許多已研究過(guò)的過(guò)渡金屬團(tuán)簇的結(jié)構(gòu),特別是研究了純的Gan團(tuán)簇,并且每一種結(jié)構(gòu)我們考慮了不同的自旋多重度.使用同樣的方法和基組,對(duì)每一種結(jié)構(gòu)作了頻率計(jì)算,以確保所給出的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的,所計(jì)算的結(jié)構(gòu)中不含虛頻.

      3 結(jié)果和討論

      3.1 幾何結(jié)構(gòu)

      采 用DFT 中 的B3LYP/LANL2DZ 方 法 對(duì)GanZn(n=1~7)團(tuán)簇所有可能的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行鍵長(zhǎng)和鍵角的全面優(yōu)化,根據(jù)能量最低原理得到了GanZn(n=1~7)團(tuán)簇的基態(tài)穩(wěn)定結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.圖中n 表示Ga原子的個(gè)數(shù),a,b,c……等表示原子數(shù)相同時(shí),不同的結(jié)構(gòu).對(duì)所有的這些結(jié)構(gòu),它們的點(diǎn)群、自旋多重度、鍵長(zhǎng)(Ga原子和Ga原子之間的最小鍵長(zhǎng)和Ga原子與Zn原子之間的最小鍵長(zhǎng))、頻率和平均鍵能列于表2中.

      表1 團(tuán)簇Ga2,Zn2 和GaZn的多重度(M),鍵長(zhǎng)(Re,?),頻率(ωe,cm-1)和離解能(Dissociation Energies)(包括本工作,實(shí)驗(yàn)值和其他理論計(jì)算)Table 1 The computed bond lengths(Re),vibrational frequencies(ωe),and dissociation energies(De)of dimers(Ga2,Zn2and GaZn)and available experimental and previous theoretical data

      圖1 穩(wěn)定的GanZn(n=1~7)團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 The stable geometries of GanZn(n=1~7)clusters

      從圖1中可以看到,對(duì)于Ga1Zn團(tuán)簇,它是線性分子,屬于Cv群,優(yōu)化平衡結(jié)構(gòu)的鍵長(zhǎng)為3.043?,振動(dòng)頻率為75.982cm-1,它的離解能為0.071eV.Ga2Zn團(tuán)簇的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是三角形構(gòu)型(C2v),Ga-Zn之間的鍵長(zhǎng)為2.769?,Ga-Ga之間的鍵長(zhǎng)為2.960?,離解能為0.508eV.同時(shí)Ga2Zn團(tuán)簇還有兩個(gè)線性結(jié)構(gòu),分別為Zn原子在兩個(gè)Ga原子一側(cè)和在兩個(gè)Ga原子之間,這兩個(gè)線性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都比三角結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性差.Ga3Zn團(tuán)簇的最穩(wěn)定的構(gòu)型不是正四面體,而是發(fā)生了形變的Cs的四面體,它的自旋多重度為2,離解能為0.672eV,Ga2Zn團(tuán)簇中其鏟形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最差,而另一個(gè)四面體結(jié)構(gòu)(3-a)的穩(wěn)定性居中.Ga4Zn團(tuán)簇的各種構(gòu)型,我們共計(jì)算得到了6種構(gòu)型,其中4-f是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),其能量比4-a,4-b,4-c,4-d和4-e分別高出0.782eV,1.324eV,2.884eV,0.002eV 和0.104eV,它的自旋多重度為1,最小的Ga-Zn鍵長(zhǎng)和Ga-Ga鍵長(zhǎng)相等,是2.745?,其離解能為0.931eV.優(yōu)化得到的Ga5Zn團(tuán)簇的構(gòu)型有三種,最穩(wěn)定的構(gòu)型是具有C1對(duì)稱(chēng)性的面心戴帽四方錐結(jié)構(gòu)(5-b),它的自旋多重度為2,離解能為1.046eV,Ga-Zn鍵長(zhǎng)為2.671?,Ga-Ga鍵長(zhǎng)為2.674?.另兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)為自旋六重態(tài)的5-a和自旋多重態(tài)的5-c,它們的離解能分別為0.911eV 和0.826 eV.通過(guò)對(duì)Ga6Zn團(tuán)簇的各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,我們總共得到了8種Ga6Zn團(tuán)簇,其中最穩(wěn)定的是6-h,它的自旋多重態(tài)是1,屬于C2群,其他七種結(jié)構(gòu)均為亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu).6-h的離解能為1.277eV,6-a,6-b,6-c,6-d,6-e,6-f和6-g的離解能分別為0.849 eV,1.230 eV,1.084 eV,0.948 eV,0.986eV,1.101eV 和1.261eV.對(duì) 于Ga7Zn 團(tuán)簇,我們得到的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為7-a,它具有C1對(duì)稱(chēng)性的一個(gè)自旋二重態(tài),最小的Ga-Zn 鍵長(zhǎng)為2.726?,最小的Ga-Ga鍵長(zhǎng)為2.573?,離解能為1.240eV.另外得到了三中亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),分別為7-b,7-c 和7-d,其 能 量 比7-a 分 別 高 了0.237eV,0.474eV 和0.373eV.

      表2 團(tuán)簇GanZn(1-7)的點(diǎn)群、自旋多重度、鍵長(zhǎng)(Ga原子和Zn原子之間的最小鍵長(zhǎng)和Ga原子與Ga原子之間的最小鍵長(zhǎng))、頻率(最低的振動(dòng)頻率)和平均鍵能Table 2 The point group symmetries(PG),spin multiplicity,bond lengths,vibrational frequencies,and average binding energies of GanZn(1-7)clusters.R and R1denote the shortest Ga-Zn and Ga-Ga bond length,respectively;Freq denotes the lowest vibrational frequency of GanZn equilibrium geometry

      3.2 GanZn(n=1~7)團(tuán)簇的穩(wěn)定性分析

      在團(tuán)簇的研究中,最基本也是最重要的是找出團(tuán)簇的基態(tài)結(jié)構(gòu)和相對(duì)穩(wěn)定性,前面,我們確定了GanZn(n=1~7)團(tuán)簇的基態(tài)結(jié)構(gòu),為了分析團(tuán)簇的穩(wěn)定性隨團(tuán)簇尺寸的關(guān)系,我們分析了GanZn(n=1~7)團(tuán)簇的平均鍵能(Eb),能量的二階差分能(Δ2E)和分裂能(Ef).平均鍵能、二階差分能和分裂能的計(jì)算公式分別是:

      以上三個(gè)式中,E(Ga)和E(Zn)分別代表自由Ga原 子 和 自 由Zn 原 子 的 能 量,E(Gan-1Zn)、E(GanZn)和E(Gan+1Zn)分別代表最穩(wěn)定團(tuán)簇的總能.通過(guò)計(jì)算團(tuán)簇的平均鍵能可以了解團(tuán)簇間的相對(duì)穩(wěn)定性,圖2給出了團(tuán)簇GanZn(n=1~7)的平均鍵能隨團(tuán)簇原子個(gè)數(shù)的變化曲線.從圖2中可以看出,團(tuán)簇GanZn(n=1~7)的平均鍵能隨原子個(gè)數(shù)的增加而單調(diào)增大,這表明團(tuán)簇在生長(zhǎng)過(guò)程中不斷得到能量,但增幅隨著原子個(gè)數(shù)的增大在逐漸減小,原因是隨著團(tuán)簇原子個(gè)數(shù)的增大平均鍵長(zhǎng)增加,穩(wěn)定性會(huì)降低,為了維持整個(gè)團(tuán)簇的穩(wěn)定性,使每個(gè)原子盡可能多的與其他原子成鍵,從而導(dǎo)致了團(tuán)簇配位數(shù)的增加,團(tuán)簇的穩(wěn)定是在鍵長(zhǎng)和配位數(shù)共同作用下達(dá)到平衡的結(jié)果.特別地,原子數(shù)從n=1變化到n=6的過(guò)程中,平均鍵能的增長(zhǎng)率是較大的,從n=6到n=7曲線變得平緩,在n=2和n=6 時(shí),曲線有個(gè)小突起.從平均鍵能的變化曲線,我們可以粗略地說(shuō),團(tuán)簇Ga2Zn和團(tuán)簇Ga6Zn相對(duì)于各自相鄰的團(tuán)簇更穩(wěn)定.

      圖2 GanZn(n=1~7)團(tuán)簇的平均鍵能Eb 隨n的變化Fig.2 Binding energy Ebof GanZn(n=1~7)clusters with n=1~7

      接著我們又分析了團(tuán)簇GanZn(n=1~7)的二階差分能,團(tuán)簇的二階差分能是衡量基態(tài)團(tuán)簇的相對(duì)穩(wěn)定最直觀有效的分析方法,二階差分能的值越大,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定.圖3顯示了團(tuán)簇GanZn(n=1~7)的二階差分能隨著原子個(gè)數(shù)的增加的變化曲線,從圖中可以看出,二階差分能隨著Ga原子數(shù)的變化,出現(xiàn)奇偶交替的現(xiàn)象,當(dāng)n=1,3,5等奇數(shù)時(shí),二階差分能為谷值,當(dāng)n=2,4,6等偶數(shù)時(shí),二階差分能為峰值,表明n為偶數(shù)比奇數(shù)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定,在所有計(jì)算的團(tuán)簇中,Ga6Zn團(tuán)簇的二階差分值最大,表明它的穩(wěn)定性最高.

      圖3 GanZn(n=1-6)團(tuán)簇的二階差分能Δ2E隨n的變化Fig.3 Second-order difference of total energiesΔ2Eof GanZn(n=1~7)clusters with n=1-6

      為了更進(jìn)一步確定團(tuán)簇GanZn(n=1~7)的穩(wěn)定性,我們計(jì)算了分裂能(Ef),圖4給出團(tuán)簇GanZn(n=1~7)的分裂能隨原子個(gè)數(shù)的變化情況.分裂能表示團(tuán)簇的熱學(xué)穩(wěn)定性,分裂能越大表示該團(tuán)簇的熱學(xué)性質(zhì)越穩(wěn)定.從圖中可以看出,團(tuán)簇Ga2Zn,Ga4Zn和Ga6Zn具有更高的分裂能,再一次說(shuō)明它們具有更高的穩(wěn)定性,團(tuán)簇GaZn,Ga3Zn,Ga5Zn和Ga7Zn具有較低的分裂能,再一次說(shuō)明它們具有較差的穩(wěn)定性.這個(gè)結(jié)論與前面得到的二階差分能的變化趨勢(shì)相同,即當(dāng)n=1,3,5,7等奇數(shù)時(shí),團(tuán)簇的穩(wěn)定性差,而n=2,4,6等偶數(shù)時(shí),團(tuán)簇的穩(wěn)定較好,同樣表現(xiàn)出奇偶交替的現(xiàn)象.

      4 結(jié) 論

      采用密度泛函理論中的B3LYP/LANL2DZ泛函研究了團(tuán)簇GanZn(n=1~7)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性.對(duì)團(tuán)簇所有可能的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鍵長(zhǎng)和鍵角的全面優(yōu)化,對(duì)每一種結(jié)構(gòu)都考慮了自旋多重態(tài),最終得到每一種團(tuán)簇的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu).通過(guò)計(jì)算團(tuán)簇GanZn(n=1~7)的平均鍵能(Eb)、二階差分能(Δ2E)和分裂能(Ef)來(lái)衡量穩(wěn)定性.計(jì)算結(jié)構(gòu)表明:

      圖4 GanZn(n=1~7)團(tuán)簇的分裂能(Ef)隨n的變化Fig.4 Fragmentation energies(Ef)of GanZn(n=1~7)clusters with n=1~7

      (1)優(yōu)化了大量的GanZn(n=1~7)團(tuán)簇的初始結(jié)構(gòu),得到了每一種團(tuán)簇的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu).

      (2)研究了GanZn(n=1~7)團(tuán)簇中最穩(wěn)定團(tuán)簇的平均鍵能(Eb)、二階差分能(Δ2E)和分裂能(Ef),計(jì)算結(jié)果表明,團(tuán)簇GanZn(n=1~7)的平均鍵能隨原子個(gè)數(shù)的增加而單調(diào)增大;當(dāng)n=1,3,5等奇數(shù)時(shí),二階差分能為谷值,當(dāng)n=2,4,6等偶數(shù)時(shí),二階差分能為峰值;團(tuán)簇Ga2Zn,Ga4Zn 和Ga6Zn具有更高的分裂能,說(shuō)明它們具有更高的穩(wěn)定性,團(tuán)簇Ga1Zn,Ga3Zn,Ga5Zn 和Ga7Zn 具有較低的分裂能,說(shuō)明它們具有較差的穩(wěn)定性.

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