二元过渡金属团簇的结构与磁序

【摘要】： 磁性过渡金属(Mn、Fe、Co、Ni)团簇以其奇异的电子结构和磁特性吸引着众多研究者的目光。研究过渡金属混合团簇,可以实现对团簇磁特性的人工剪裁和设计,获取单质过渡金属团簇所不具备的新奇磁特性,有利于生产出新型磁性纳米材料,对高密度磁存储器的制备具有重要的意义。因此,过渡金属混合团簇磁性研究成为近年来研究的焦点。 本文利用密度泛函理论,采用BLYP交换关联函数和DNP基组,对二元过渡金属团簇MnnX (X =Fe, Co, Ni, La)和XnMn (X =Fe, Co, Ni) (n=1-12)可能的低能态同分异构体进行了广泛搜索,并分析了它们的电子结构和磁性。计算结果表明: (1) MnFe中的Mn-Fe间耦合为铁磁(FM)磁序;Mn2Fe基态结构中的Mn-Mn间耦合属于FM磁序,Mn-Fe间耦合属于反铁磁(AFM)磁序;Mn3Fe结构中的Mn-Mn间耦合都属于AFM磁序;Mn4Fe基态结构中的Mn-Mn间耦合属于AFM磁序。当n≥5时,MnnFe团簇中的Mn-Mn间耦合均属于AFM磁序。 (2)当n≤4时,MnnCo团簇基态结构中的Mn-Mn和Mn-Co间耦合均为FM磁序;当n≥5时,团簇中的Mn-Mn间耦合均为AFM磁序。 (3) MnNi中的Mn-Ni间耦合为FM磁序,Mn2Ni和Mn3Ni团簇基态结构中的Mn-Mn间耦合属于AFM磁序;当n≥4时,MnnNi团簇中的Mn-Mn间耦合均为AFM磁序。 (4)类似于单质Mn团簇,MnnFe、MnnCo、MnnNi团簇也存在由FM向AFM的磁序转变,且磁序转变范围趋向小团簇;MnnLa团簇中不存在由FM向AFM的磁序转变。Mn团簇中掺杂Fe、Co和Ni原子时,存在着从Mn原子向Fe、Co和Ni原子的电子转移;而Mn团簇中掺杂La原子时,存在着电子从La原子向Mn原子的转移。 (5) FenMn (n=1-12)团簇基态结构中的Fe-Mn间耦合存在着FM和AFM磁序的竞争。当n=1-2时,Fe-Mn间耦合为FM磁序;当n=3-6,Fe-Mn间耦合属于AFM磁序;当n≥7时,FM磁序的Fe-Mn间耦合完全占据优势。Mn原子低配位数时有明显的磁矩增强,展示出了表面增强效应。 (6) Mn原子占据ConMn (n=1-9)团簇基态结构的表面位置,与相同原子数的单质Co团簇相比,团簇的自旋磁矩增强,且增强的磁矩(2μB)与团簇尺寸无关。对于Co_(10)Mn, Co_(11)Mn和Co_(12)Mn团簇,Mn原子占据基态结构的中心位置,团簇的自旋磁矩没有增强。 (7) NinMn (n=1-9, 11-12)团簇的自旋磁矩比相同原子数的单质Ni团簇有明显增强。对于Ni10Mn团簇,Mn原子占据中心位置的基态结构,总自旋磁矩只有5μB,但Mn原子占据表面位置的C4v对称结构总自旋磁矩为11μB。