組份夸克模型與奇異雙重子態(tài)研究.pdf

1、團(tuán)簇作為連接微觀原子分子和宏觀凝聚態(tài)物質(zhì)間的橋梁,具有許多奇特的性質(zhì),其物理、化學(xué)性質(zhì)隨尺寸發(fā)生顯著變化。人們希望通過對團(tuán)簇的研究,實現(xiàn)以團(tuán)簇作為基元組裝出各種納米功能材料和器件的目標(biāo)。硅基半導(dǎo)體材料在微電子工業(yè)上的重要地位,使得硅團(tuán)簇倍受重視。然而由于硅原子具有sp3雜化性質(zhì),不適合作為穩(wěn)定的組裝單元,為了穩(wěn)定硅團(tuán)簇,人們提出通過摻雜一些其它原子的方法來飽和硅團(tuán)簇表面的懸鍵,而過渡金屬原子以其獨特的電磁特性,成為被研究最多的摻雜原子。

2、由于計算量與結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等因素的制約,以往的研究以摻雜單個過渡金屬原子為主,對于多個金屬原子共同摻雜的情況研究較少。本文通過基于密度泛函的第一性原理方法,對3d過渡金屬雙原子摻雜雙棱柱硅籠MM’Si18(M,M’=Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn)以及過渡金屬鎢原子摻雜硅團(tuán)簇WmSin(m=1,2;n=1-18)的幾何結(jié)構(gòu)、電磁性質(zhì)、穩(wěn)定性與電子數(shù)規(guī)則等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 采用第一性原理計算方法,我們對同

3、種3d金屬雙原子摻雜雙棱柱硅團(tuán)簇M2Si18(M=Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn)進(jìn)行了系統(tǒng)地幾何優(yōu)化、電荷分析和能量計算。從幾何結(jié)構(gòu)來看,只有當(dāng)摻雜金屬原子的3d電子數(shù)在半滿以下時,摻雜后團(tuán)簇能夠形成類雙六棱柱的結(jié)構(gòu)。自旋多重度和對稱性與兩過渡金屬原子間的距離之間相互影響。除Mn外的3d過渡金屬摻雜的M2Si18其金璃原子問的距離都大于金屬二聚物鍵長。結(jié)構(gòu)相似的異構(gòu)體中,自旋多重度較高的構(gòu)型其過渡金屬原子間距離較大

4、。對稱性較高的,特別是類雙六棱柱的結(jié)構(gòu),其過渡金屬原子間距離小于對稱性較低的異構(gòu)體。除Zn原子外,電荷總是從硅原子向過渡金屬原子轉(zhuǎn)移。除Co2Si18和Cr2Si18為自旋三重態(tài)外,其余M2Si18的磁矩均湮滅了,這與摻雜后體系的幾何對稱性下降有關(guān)。過渡金屬原子閉殼層18電子數(shù)規(guī)則不能準(zhǔn)確判定MM’Si18的穩(wěn)定性,而基于電子氣閉殼層模型的電子數(shù)幻數(shù)規(guī)則結(jié)合自旋守恒約束條件則成功預(yù)言了Fe2Si18的特殊穩(wěn)定性。
　　 為了豐富

5、磁性與電子數(shù)樣本,我們又進(jìn)一步對異種3d金屬雙原子混合摻雜MM’Si18進(jìn)行了系統(tǒng)研究。按照幾何結(jié)構(gòu)特點,MM’Si18團(tuán)簇可以分為七類。除了某些Ti和V原子與Cr、Mn、Fe、Co等磁性原子混合摻雜外,其余情況下團(tuán)簇中過渡金屬間的距離均大于相應(yīng)金屬二聚物中的鍵長值。一些磁性較高的二聚物如VMn和CrMn摻雜硅團(tuán)簇MM’Si18后,體系的磁矩都下降到6μB以內(nèi),說明硅籠的存在導(dǎo)致磁性下降。在CrZnSi18以及所有不包含Zn原子的團(tuán)簇中

6、,電荷總是從硅原子向過渡金屬原子轉(zhuǎn)移。磁性方面,過渡金屬原子的組合方式與團(tuán)簇的磁性間存在明顯的周期規(guī)律性,異種原子混合摻雜的團(tuán)簇中只有3種磁性完全湮滅,其余團(tuán)簇都具有一定的磁性,同時硅原子對整體磁性的貢獻(xiàn)宵所增加,特別是出現(xiàn)了硅原子對磁矩貢獻(xiàn)大于金屬原子的情況,這可能主要是由于體系對稱性下降造成的。含有Ti原子的MM’Si18團(tuán)簇往往比較穩(wěn)定,而含有Zn的團(tuán)簇則穩(wěn)定性較差。過渡金屬閉殼層的18電子數(shù)規(guī)則不能正確判定MM’Si18的穩(wěn)定性

7、,而基于電子氣閉殼層的電子數(shù)規(guī)則結(jié)合自旋守恒條件約束,雖然在同種摻雜時成功預(yù)言了滿足幻數(shù)34價電子要求的Fe2Si18的特殊穩(wěn)定性,但是進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在異種金屬混合情況下幻數(shù)價電子的團(tuán)簇穩(wěn)定性明顯低于Fe2Si18,因此這一電子數(shù)規(guī)則的確定性也令人質(zhì)疑。除電子數(shù)規(guī)則外,團(tuán)簇的對稱性、摻雜原子的種類、過渡金屬間距離、平均配位數(shù)、電子轉(zhuǎn)移、磁矩分布都與MM’Si18團(tuán)簇穩(wěn)定性具有密切關(guān)系。
　　 隨后我們對單個鎢原子摻雜的WSin(

8、n=1-12)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。隨著硅原子數(shù)從1增加到12,團(tuán)簇中鎢原子的平衡位置從團(tuán)簇的頂點、表面逐漸向團(tuán)簇內(nèi)部轉(zhuǎn)移,到硅原子數(shù)目n=9時鎢原子完全落入由硅原子構(gòu)成的籠形結(jié)構(gòu)中心位簧,構(gòu)成了包裹鎢原子的硅籠結(jié)構(gòu)。存這一轉(zhuǎn)變臨界尺度前后,WSin團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、電荷密度分布、穩(wěn)定性等都發(fā)生了明顯的變化。電荷總是從硅原子向鎢原子轉(zhuǎn)移,隨著鎢原子內(nèi)嵌,鎢原子上的電子數(shù)目明顯增加。磁性方面,除了WSi和WSi2之外,其余基態(tài)結(jié)構(gòu)均為自旋單重

9、態(tài)無磁矩。摻雜鎢原子后的硅團(tuán)簇穩(wěn)定性高于相應(yīng)尺寸的純硅團(tuán)簇,最穩(wěn)定的是六棱梓結(jié)構(gòu)的WSi12,這與實驗和之前的計算結(jié)果符合。
　　 最后我們還對兩個鎢原子摻雜的W2Sin(n=1—18)進(jìn)行了系統(tǒng)的計算。隨著硅原子數(shù)目從7增加到18,兩個鎢原子依次嵌入硅籠,當(dāng)n=10時一個鎢原子完全嵌入硅籠中而另一個仍位于籠外,當(dāng)n=14時,另一個的鎢原子也開始嵌入硅籠,到n>16后兩個鎢原子完全嵌入硅籠。在鎢原子依次嵌入的兩個臨界點前后,體系

10、的幾何結(jié)構(gòu)、電荷分布和穩(wěn)定性等許多物理量都出現(xiàn)了明顯變化。隨著尺寸的增加,團(tuán)簇中兩個鎢原子的距離總體上呈現(xiàn)增加的趨勢,體系表現(xiàn)出以鎢原子為中心的籠形局域化分布趨勢。雖然雙鎢原子摻雜后體系對稱性較低,但存在著一些棱柱或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)隨硅原子增加而連續(xù)演化的路徑。電荷總是從硅原子向鎢原子轉(zhuǎn)移。內(nèi)嵌的鎢原子上的電荷數(shù)目大于籠外的鎢原子,這一差異隨著籠外鎢原子的逐步內(nèi)嵌而減小。在n=7-18的尺度范圍之內(nèi),W2Sin的基態(tài)結(jié)構(gòu)均為自旋單重態(tài),凈磁矩為