内嵌金属富勒烯的力—磁—光耦合动力学研究

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1、摘要内嵌富勒烯是微纳尺度器件中具有重要应用前景的新型功能分子材料。已有研究表明，在应力应变作用下，内嵌富勒烯外部笼状结构和内嵌体系的构型均会发生变化，这种构型的微小变化可导致其基本电子结构、自旋密度分布等发生显著改变，进而影响整个体系的基态和激发态特性。然而，应变调控有限体系中磁光动力学行为的机理目前尚不清楚。本文采用第一性原理计算方法，首先系统研究[Co@C60]、Co@C以及[Co@B]+-三种内嵌富勒烯体系的结构稳定性和电子26040稳定性；在此基础上增加应变调控作用，从力学角度深入探索应变对其磁光动力学特性的影响程度和规律

2、。文章的主要研究内容包括以下几个方面：(1)利用Hartree-Fork近似方法方法，对[Co@C60]、Co@C以及[Co@B]+-三26040种内嵌金属富勒烯体系进行结构优化和频率计算，获得三种体系的稳定几何构型，其中[Co@B40]有三种稳定构型。并应用对称性匹配簇-组态相互作用-（SAC-CI）方法对各体系稳定结构的精确电子结构及激发态特性进行了计算。(2)在获得体系稳定结构和电子结构的基础上，对体系的自旋密度分布情况进行分析，发现在基态状态下，三种体系的自旋密度几乎都局域化于内嵌的磁性结构上。特别的，对于[Co@B40]

3、内嵌富勒烯体系，高能状态下内嵌Co原子-的自旋密度局域化程度将会显著下降。(3)基于Λ进程理论模型，选取[Co@C60]、H-H型Co@C以及Hep型[Co@B]+-26040为研究对象，探究三种内嵌金属富勒烯体系中由激光诱导的自旋动力学行为。结果发现，在设置合适的激光参数后，三种体系中都能够实现在内嵌磁性金属结构上的自旋翻转过程，且时间尺度都在亚皮秒范围内。值得注意的是，Hep型[Co@B40]-体系可以实现两种不同的自旋翻转过程，对应两套激光参数，二者用时分别为400fs和1400fs。(4)对H-H型Co@C和Hep型[Co

4、@B]施加单轴应变，探究应变对于体系结-40260构对称性、结构稳定性以及自旋密度分布情况的影响。结果发现，应变状态下，这两种内嵌富勒烯体系的结构与未受应变时的体系结构相比只有微小的变化，但仍保持原有的对称性。另外，外加单轴应变将会造成Hep型[Co@B40]-体系自旋密度的重新分布，但对H-H型Co@C体系的自旋密度分布没有260太大的影响。I(5)在得到H-H型Co@C和Hep型[Co@B]单轴应变结构及其自旋密度分布-40260的基础上，基于Λ进程理论模型，研究了单轴应变对其超快自旋动力学行为的调制作用。结果表明，对于H-H

5、型Co@C，应变越大自旋翻转过程耗时260越短，且会明显降低翻转过程中电子占据和自旋角动量出现的拉比振荡过程；对于Hep型[Co@B40]，应变同样会对其自旋翻转速度和效率产生影响，其-中当压应变为0.5%时自旋翻转用时最少，而其他应变状态都会延长自旋翻转的时间，另外，0.5%压应变和1.0%拉应变也能够显著降低自旋翻转过程中的拉比振荡行为。(6)利用密度泛函理论（DFT）对硼富勒烯B的结构特性和力学性质进行了探40究。通过对体系施加单轴应变，对比形变结构总能和应变大小之间的关系，建立起了B在单轴拉压状态下的力学相应模型。40通过

6、本文的研究内容，可望从理论上揭示应变调控内嵌富勒烯力-磁-光动力学特性的机制与器件原理，并为基于内嵌富勒烯的功能器件设计奠定理论基础并提供新的设计思路。关键词：内嵌金属富勒烯，应变调控，自旋动力学，第一性原理，Λ进程IIAbstractEndohedralfullerenesareafamilyofnovelfunctionalizedmolecularmaterials,whichhavepromisingapplicationsinfuturemicro-andnanoscaledevices.Previousinvestig

7、ationsshowthattheconfigurationsofboththeouterfullerenecageandtheendohedralsystemwillbechangedundertheinfluencesofstressandstrain.Andsuchminorvariationscouldresultinthechangesofthebasicelectronicstructuresandspindensitydistributionoftheendohedralfullerene,whichinturnwi

8、llaffecttheground-stateandexcited-statepropertiesoftheentiresystem.However,themechanismofstrainmodulationonthemagneto-opticd