锰、镍原子掺杂硅团簇与硼氮混合团簇的结构和性质

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1、锰、镍原子掺杂硅团簇与硼氮混合团簇的结构和性质作者：李建荣导师：王广厚教授南京大学物理系固体微结构国家重点实验室ElectronicstructuresandpropertiesofMn，NiatomdopedSinclustersandBnN20．nclustersbyJianrongLisupervisedbyProf．GuanghouWangDepartmentofPhysics＆StateKeyLaboratoryofSolidStateMicrostructuresNanjingUniversity南京大学博±论文锰、镍原子掺杂

2、硅团簇与硼氮混合团簇豹结构和性质李建荣鱼垂垒丝堕丝垒当丝型垒当垂童逊I妙III12I13II7II12II5Il必Ul毕业论文题目：堡：堡盈王堡垒壁圉篷鱼塑氢婆全国筮丝缱塑垄：丝巫筮装查堑垄-"t4-'-lk—200—7博士生姓名：奎整苤指导教师(姓名、职称)：至亡星塾撞摘要作为连接微观原子、分子和凝聚态物质问中间桥梁的团簇，其性质随尺寸而变化，这使得以团簇为基元设计新型材料成为可能。因为Si基的半导体材料在微电子工业和基础研究中具有重要地位，因此人们考虑到用Si团簇来构建低维纳米结构材料。但中空的纯Si笼形团簇由于价电子缺少sp2杂化而

3、不稳定，所以不适合作为团簇组装纳米材料的基元，为了得到稳定的Si团簇作为构造基元，采用掺杂一些其它原子的办法来饱和si团簇表面的悬挂键籍以形成价电子的spj杂化而使其稳定。用过渡金属掺杂硅团簇之所以成为一个令人激动的研究热点是因为具有笼型构型的这类团簇可能会成为团簇组装材料的一种可剪裁的结构基元，即过渡金属掺杂硅团簇形成笼形结构团簇的最小尺寸、团簇内的电荷转移、团簇最高占据态与最低未占据态之间的能隙、团簇的磁矩等物理量随掺杂的过渡金属而异．Mn原子被选作掺杂原子是考虑到Mn,,Sil．x是稀磁半导体，而这种稀磁半导体在自旋电子学方面有潜在

4、的应用．因为用团簇来合成新材料，必须搞清楚其性质随尺寸和形貌的变化：所以本论文对Si团簇掺杂过渡金属原子进行了研究，阐明其生长行为和物理性质随尺寸的变化，所得结果为自旋电子学和纳米电子器件的应用提供了有价值的参考。氮化硼(BN)作为一种重要的半导体，它具有能隙宽、高熔点、高机械强度、硬度大、耐腐蚀、抗氧化等非同寻常的力学、热学、电学性能，这些优良的性能隐含着硼氮纳米结构可能会在纳米尺寸的电子器件、高温抗热半导体、绝缘润滑剂等方面有潜在的应用。这就是我们研究硼氮混合团簇的原因。本工作中，利用基于第一性原理的密度泛函理论并采用广义梯度近似方法

5、南京大学博士论文锰、镍原子掺杂硅团簇与硼氮混合团簇的结构和性质李建荣(选用Perdew-Wang形式的交换关联势)，我们系统研究了Si甩Mn(力=卜15)、SinNi(．r／=1-17)、和B烈20．摊(／7=6—18)团簇的结构、稳定性和电磁性质；绝大多数的计算工作借助于DMol软件包完成。1．Si．Mn(刀=l一15)团簇(1)对每一个尺寸的团簇其同分异构体及最低能量结构通过优化源于不同方式建构的大量的初始结构而获得。随着Si原子数从l增至15，在团簇的基态结构中，Mn原子的平衡位置从顶点逐渐移向团簇表面再下移至内部，从刀=10的团簇

6、Si。oMn开始，胁原子完全坠入由Si原子构成的外框架(内空)的中心，最终形成Mn原子被包裹的Si笼。(2)通过计算和比较单位原子的平均结合能和总能的二级能量差分完成了对团簇Si疗IVln相对稳定性的考察，Si6Mn、Si8lVln、SiloIVln和Sil2lVln比在尺寸上与它们临近的其它团簇更为稳定，尤其Sil2M是所研究的Si行Mn体系中最稳定的团簇。除J，7=4，5，7，9，10和14的团簇Si玎Mn外，Si打Mn单位原子的平均结合能比团簇Si一的相应量大，因此Mn原子的掺杂局部地改善了团簇Sk的稳定性。(3)对基态团簇Si—M

7、n的电磁性质进行了讨论。除SillVln、Si3lVln外，Si。Mn(疗=卜15)团簇最高占据态与最低未占据态的能量差比团簇Si蚪的相应量小，其根源在于团簇内Mn原子的4s、3d、4p态和Si原子的3s、3p态之间产生了sp-d杂化。SijⅥn团簇的磁矩主要局域在Mn原子上，Mn原子中的3d电子对其磁矩的贡献居于支配地位。Si．Mn团簇中Mn原子的磁矩随其尺寸J，7的变化呈现为振荡型，除Sil2M外，从n>7的Si胛Mn团簇的局域磁矩(局域在Mn原子或Si原子上的磁矩)和总磁矩(团簇的磁矩)均被淬灭，导致n>7的Sign团簇磁矩淬灭(不

8、包含Sii2M)的主要原因可能是Mn原子的4s、3d、4p态和Si原子的3s、3p态之间大量的电荷转移和强烈的sp—d杂化；此外，Mn原子被包裹的团簇Si瑚n的磁矩与其几何构形之间也存在一些关