張紅美 ,孔德國 ,王玉梅

(1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院,新疆阿拉爾843300;2.周口師范學(xué)院物理系,河南周口466001)

團(tuán)簇是介于氣態(tài)與凝聚態(tài)之間的一種全新的過渡狀態(tài),是由幾個(gè)到幾百個(gè)原子所組成的凝聚體,具有許多特殊的性質(zhì),其中許多新的物理化學(xué)性質(zhì)日益引起人們的廣泛關(guān)注。原子團(tuán)簇的性質(zhì)隨團(tuán)簇尺寸的增加迅速改變,通過該事實(shí)可以恰當(dāng)?shù)剡x擇原子基元來設(shè)計(jì)和合成新材料。因此,在過去的20多年間,有許多理論和實(shí)驗(yàn)工作[1-5]致力于研究原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)、電子、光譜和磁性。與相應(yīng)的體材料相比,過渡金屬團(tuán)簇具有高對稱性、大比表面積、低維數(shù)和低原子配位數(shù)的特點(diǎn),因此在幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性等方面表現(xiàn)出一些新的性質(zhì)。過渡金屬團(tuán)簇引起了固體物理、材料科學(xué)及表面科學(xué)工作者的廣泛興趣[6,7]。近年來,4d過渡金屬元素組成的原子團(tuán)簇開始受到人們的關(guān)注[8,9]。鉬是一種4d過渡金屬元素,通常用作合金及不銹鋼的添加劑。它可增強(qiáng)合金的強(qiáng)度、硬度、可焊性及韌性,還可增強(qiáng)其耐高溫強(qiáng)度及耐腐蝕性能。盡管鉬主要應(yīng)用于鋼鐵領(lǐng)域,但由于鉬本身具有多種特性,它在其他合金領(lǐng)域及化工領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷擴(kuò)大。實(shí)驗(yàn)證明,鉬化合物具有低的毒性,這是鉬區(qū)別于其他重金屬的顯著特征之一。但大量的報(bào)道[10-12]集中在對Mo及其合金方面,對Mo團(tuán)簇的報(bào)道很少。Mo團(tuán)簇的研究對揭示Mo的性質(zhì)有著重要的指導(dǎo)意義?；谝陨显?本文從第一性原理出發(fā),利用密度泛函理論中的廣義梯度近似對Mon(n=2～12)團(tuán)簇進(jìn)行研究,以求找到穩(wěn)定性較高或具有奇異性質(zhì)的團(tuán)簇基元,為今后設(shè)計(jì)和組裝具有特殊功能的大分子納米材料提供理論指導(dǎo)。

1 理論與計(jì)算方法

為了尋找Mon(n=2～12)團(tuán)簇的最低能量結(jié)構(gòu),對每個(gè)尺寸的團(tuán)簇考慮了相當(dāng)多的同分異構(gòu)作為初始構(gòu)型。在計(jì)算過程中,采用密度泛函理論(DFT)下的廣義梯度近似(GGA),用Dmol3軟件包對全部構(gòu)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電子性質(zhì)計(jì)算。在GGA法中,選擇Perdew等[13]提出的PBE廣義梯度近似法。所有的計(jì)算均采用帶極化的雙數(shù)值原子基組(DNP)進(jìn)行全電子計(jì)算,自洽過程以體系的能量和電荷密度分布是否收斂為依據(jù),精度分別優(yōu)于10-5a.u。和10-6a.u。,位移的收斂精度優(yōu)于5 X10-4nm。在拖尾效應(yīng)參數(shù)為0.05a.u。時(shí),對Mon(n=2～12)團(tuán)簇的所有幾何構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)行能量和性質(zhì)計(jì)算。

2 結(jié)果及分析

2.1 團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,得到的Mon(n=2～12)團(tuán)簇的最低能量結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示,能量按照由低到高的順序排列。對于Mo3,優(yōu)化出的基態(tài)構(gòu)型為等邊三角形。一個(gè)Mo戴帽在Mo3的最低能量結(jié)構(gòu)上得到了Mo4最低能量結(jié)構(gòu)菱形(4a)和亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)矩形(4b)兩個(gè)平面結(jié)構(gòu),并且亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)4b比最低能量結(jié)構(gòu)的能量高0.431 7eV。

圖1 Mon(n=2～12)團(tuán)簇的最低能量結(jié)構(gòu)和一些亞穩(wěn)態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)

對于Mo5,孿生四面體(5a)是其穩(wěn)定結(jié)構(gòu),可以看作是在Mo4最低能量結(jié)構(gòu)上戴帽一個(gè)Mo原子生成;亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)5b是由最低能量結(jié)構(gòu)變形得到的,其能量比最低能量結(jié)構(gòu)的能量高0.001 54 eV,它可以通過Mo4亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)戴帽一個(gè)Mo原子生長而成;三角雙錐結(jié)構(gòu)5c和由最低能量結(jié)構(gòu)變形得到的5d結(jié)構(gòu)是其亞穩(wěn)態(tài)。Mo5亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)5c邊戴帽一個(gè)Mo原子得到Mo6的最低能量結(jié)構(gòu)6a,亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)八面體(6b)的能量比最低能量結(jié)構(gòu)的能量低0.427 88eV.Mo7的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)7b是由Mo6的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)八面體(6b)面戴帽一個(gè)Mo原子得到的。而Mo7的最低能量結(jié)構(gòu)7a是由7b變形得到的,其能量比7b結(jié)構(gòu)的能量低0.090 81 eV。另外兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)是五角雙錐結(jié)構(gòu)和由該結(jié)構(gòu)變形得到的7d結(jié)構(gòu)。對于Mo8,面戴帽的五角雙錐結(jié)構(gòu)是其最低能量結(jié)構(gòu),四角棱柱結(jié)構(gòu)8b是其亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),其能量比最低能量結(jié)構(gòu)的能量高0.267 28eV,而四角雙錐雙戴帽結(jié)構(gòu)8d的穩(wěn)定性相對較低?；\狀結(jié)構(gòu)9a是Mo9最低能量結(jié)構(gòu),是在8a結(jié)構(gòu)變形的基礎(chǔ)上戴帽一個(gè)Mo原子生長而成,其他亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)也是在Mo8結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上戴帽一個(gè)原子生成的。孿生四角雙錐結(jié)構(gòu)(10a)是Mo10的最低能量結(jié)構(gòu),亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)10b和10c是由9d結(jié)構(gòu)面戴帽一個(gè)Mo原子生成。對于Mo11,孿生四角雙錐結(jié)構(gòu)(10a)戴帽一個(gè)Mo原子是其能量最低結(jié)構(gòu),五角棱錐結(jié)構(gòu)面戴帽四個(gè)Mo原子結(jié)構(gòu)(11b)和9d結(jié)構(gòu)面戴帽兩個(gè)Mo原子結(jié)構(gòu)(11c)是Mo11團(tuán)簇的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。在11a結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上戴帽一個(gè)Mo原子得到Mo12最低能量結(jié)構(gòu)(12a),而亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)12b和12c可以看成是由三個(gè)4b單元嵌套而成。

2.2 團(tuán)簇的相對穩(wěn)定性

為了研究團(tuán)簇的相對穩(wěn)定性,圖2給出了Mon (n=2～12)團(tuán)簇的平均結(jié)合能Eb隨團(tuán)簇尺寸變化的規(guī)律。團(tuán)簇平均結(jié)合能的計(jì)算公式如下:

其中,E(Mo),E(Mon)分別為最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的Mo、Mon團(tuán)簇總能量。由圖2可以看出,當(dāng)團(tuán)簇的尺寸比較小時(shí),平均結(jié)合能變化較快,隨著原子數(shù)目的增加,平均結(jié)合能的變化幅度相對緩慢,結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

能隙Eg反映了電子從占據(jù)軌道向未占據(jù)軌道發(fā)生躍遷的能力,在一定程度上代表了分子參與化學(xué)反應(yīng)的能力。圖3給出了團(tuán)簇的能隙Eg隨尺寸的變化規(guī)律。從圖3可以看出,與近鄰尺寸的團(tuán)簇相比,Mo3,Mo6,Mo8和Mo10團(tuán)簇的能隙較大,說明n=3,6,8,10時(shí),團(tuán)簇的化學(xué)活性比較弱且結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。

3 結(jié)論

利用密度泛函理論中的廣義梯度近似(GGA)對Mon(n=2～12)團(tuán)簇進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能量分析,得到了Mon團(tuán)簇最低能量結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明 Mon的最低能量結(jié)構(gòu)可以看成是在Mon-1的基礎(chǔ)上戴帽一個(gè)Mo原子生長而成。n≤4時(shí),團(tuán)簇的最低能量結(jié)構(gòu)是平面結(jié)構(gòu),當(dāng)n>4時(shí),團(tuán)簇的最低能量結(jié)構(gòu)是三維結(jié)構(gòu),并且三維結(jié)構(gòu)可以看成是由Mo4單元組成。通過對電子性質(zhì)的分析得出,Mo3,Mo6,Mo8和Mo10團(tuán)簇具有較大的能隙,即n=3,6,8,10是團(tuán)簇的幻數(shù)。

致謝:感謝河南大學(xué)特種功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的計(jì)算軟件。

[1]葛桂賢,閆紅霞,井群,等.用密度泛函理論研究(MgO)nCu團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,24(1):74-78.

[2]Owen C Thom as,Zheng W J,Xu S J,et al.Onset of metallic behavior in magnesium clusters[J].Phys Rev Lett,2002,89(21):213403-213407.

[3]Campbell C T.Ultrathin metal films and particles on oxide surfaces:structural,electronic and chemisorptive properties[J].Surf Sci Rep,1997(27):1-111.

[4]Lee T H,Dickson R M.Two-terminal single nanocluster quantum optoelectronic logic gates[J].Proc Natl Acad Sci,U S A,2003(100):3043-3046.

[5]Guo J J,Yang J X,Die D.Ab initio study of small AunPd2(n=1～4)clusters[J].Physica B,2005,367: 158-164.

[6]Jijun Zhao,Xiaoshuang Chen,Qiang Sun,et al.Tightbinding study of the structural and magnetic properties of vanadium clusters[J].Physica B,1995,215(4):377-382.

[7]Guo GuangHua,Zhang HaiBei.Magnetic properties and magnetic phase diagrams of intermetallic compound [J].Chinese Physics,2003,12(6):655-660.

[8]S H Wei,Z Zeng,J Q You,et al.A density-function study of small titanium clusters[J].Chem.Phys., 2000,113:11127.

[9]Jijun Zhao.Density-functional study of structures and electronic properties of Cd clusters[J].Phys.Rev.A, 2001,64:043204.

[10]羅明洪,林深,張曉鳳,等.[PCu(H2O)Mo11O39]5/ PAMAM多層復(fù)合膜的制備及電化學(xué)性質(zhì)研究[J].化學(xué)學(xué)報(bào),2010,68:2290-2296.

[11]Jie Peng,Xin-zhi Liu,Fu-li Guo,et al.Crystal structure and negative thermal expansion of solid solution Lu2W3-xMoxO12[J].International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials,2010,17:786-790.

[12]R Redal,Nofal,Kh Ibrahiml.Investigation of improving wear performance of hypereutectic 15%Cr-2%Mo white irons[J].CHINA FOUNDRY,2010,7(4):438-446.

[13]Perdew J P,Burke K,Emzerhof M.Generalized gradient approximation made simple[J].Phys.Rev.Lett., 1996,77:3865.