Al3团簇及其表面锂原子吸附的理论研究

基于密度泛函理论（DFT）,分别对Al3和Al3Li团簇可能的几种结构进行优化和频率分析,随后对所获得的结构分别采用 Becke三参数混合泛函（B3LYP）方法和耦合簇理论CCSD（T）方法计算单点能。计算结果表明：Li原子位于Al3团簇表面桥位时,能量最高;位于顶位时,能量次之;位于洞位时团簇最稳定。结合频率分析,进一步对Li原子在Al3团簇表面的扩散行为进行了研究。研究表明,位于桥位的Li原子可能通过顶位这一过渡态向Al3团簇中心位置扩散,从而形成稳定的结构。与Al3团簇相比,Al3Li（Li原子位于洞位时）团簇中,Li原子的吸附使得Al-Al原子之间的键长增加了;铝原子也由原来的电中性转变为带负电了。     

Al3团簇及其表面锂原子吸附的理论研究

基于密度泛函理论（DFT）,分别对Al3和Al3Li团簇可能的几种结构进行优化和频率分析,随后对所获得的结构分别采用 Becke三参数混合泛函（B3LYP）方法和耦合簇理论CCSD（T）方法计算单点能。计算结果表明：Li原子位于Al3团簇表面桥位时,能量最高;位于顶位时,能量次之;位于洞位时团簇最稳定。结合频率分析,进一步对Li原子在Al3团簇表面的扩散行为进行了研究。研究表明,位于桥位的Li原子可能通过顶位这一过渡态向Al3团簇中心位置扩散,从而形成稳定的结构。与Al3团簇相比,Al3Li（Li原子位于洞位时）团簇中,Li原子的吸附使得Al-Al原子之间的键长增加了;铝原子也由原来的电中性转变为带负电了。     

碳团簇与硅单晶表面重构的蒙特卡罗模拟探索

利用基于经验势(Tersoff势)的蒙特卡罗方法研究碳团簇稳定结构和硅片(100)表面重构这两个物理过程.模拟结果是含有偶数个原子的小团簇是主要由六圆环平铺而成,像石墨片似的平面结构.而含有奇数个原子的小团簇,会在团簇中心生成碳五圆环,团簇的会围绕五圆环卷曲.得到的结论是碳团簇的结构与团簇的幻数有关.模拟硅片表面重构的结果显示硅单晶表面有五种不同的重构模式,并且在不同的温度条件下,这几种重构模式所占的比重也不一样.低温时,硅单晶表面是以无重构的1×1二聚体为主.随温度升高,硅单晶表面出现2×1、c(2× 2)、c(4×2)等重构模式.而在高温时,单晶硅(100)表面将出现的一种新的重构方式--吸附二聚体,它很可能是硅片的外沿生长、成核过程的关键.     

Au19团簇热力学特性的微观分析

利用经典微正则系综分子动力学,采用Gupta原子间作用势,对非晶结构的19个金原子团簇的热力学特性进行了研究.通过计算团簇内原子时间平均势能的特性以及对团簇瞬时结构的分析发现,团簇的融化过程较对称团簇具有一些新的特征,团簇的融化过程可以分为多个过程.第1阶段的融化涉及团簇表面多个原子(14个原子),其余(4个)原子则处于准固态;第2阶段涉及表面全部原子,但此时有2个位置原子逗留时间较长;第3阶段表面的原子全部开始了快速的换位;第4阶段产生了包括团簇内部原子在内的结构异构化过程.由此,导致了团簇的卡路里曲线、相对均方根键长涨落和热容量的一些新的变化.     

ZrNi金属玻璃中ZrxNin-x(n≤6)团簇形成的量子化学研究

根据化学键理论与拓扑原理,设计了ＮｉｘＺｒ６－ｘ团簇的可能几何结构,并用从头算方法进行了构型优化,结果表明,小团簇Ｎｉ,Ｚｒｎ－ｘ（ｎ≤５）倾向于生成平面结构,而６原子团簇则是八面体或三棱柱构型更,在大部分情况下Ｚｒ原子把电荷转移ｉ原子。     

液态金属Cu凝固过程中晶体形核与生长及纳米团簇结构的演变特性

采用分子动力学方法和Quantum Sutton-Chen（Q-SC）多体势,对含有5万个液态金属铜（Cu）原子系统在凝固过程中的晶体成核与生长规律及纳米团簇微观结构转变特性进行了模拟跟踪研究.运用Honeycutt-Andersen（HA）键型指数法和新的原子团类型指数法（CTIM-2）分析了金属Cu原子的成键类型和原子团簇微观结构演变特性.结果发现：在以1.0×1013K/s速度冷却时,体系最终形成晶态与非晶态结构共存的混合结构,非晶转化温度约为673K,结晶起始温度为373K.在以4.0×1012K/s速度冷却时,结晶起始温度为673K,系统形成以1421和1422二种键型或由其构成的面心立方（fcc）（12000120）和六角密集（hcp）（1200066）基本原子团为主体的晶态结构,尤其是由1421键型构成的面心立方基本原子团在晶核生长和纳米团簇结构形成过程中占主导地位.形核和生长过程对凝固微观结构演变特性有重要的影响.     

MSn_（10）（M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）团簇的稳定性和磁性研究

采用密度泛函理论（density functional theory,DFT）中的广义梯度近似（generalized gradient approximation,GGA）对Sn11团簇的4种同分异构体（对称性分别为D5h,D5d,D4h,D4d）的几何结构、电子结构计算研究,得出对称性为D5d的团簇最稳定.将Sn11团簇的中心原子替换成过渡金属原子成为MSn10（M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）团簇,对其稳定性和磁性进行了分析.在Sn11团簇中将中心原子替换成过渡金属原子后,束缚能都变小了,说明过渡金属原子的替换提高了原锡团簇的稳定性,其中NiSn10团簇的束缚能最小,稳定性最强.过渡金属原子都具有一定的磁性,当把这些原子掺入锡团簇后,过渡金属原子的磁性都有所减弱,其中MSn10（M=Sc,Ti,V,Ni）团簇的磁性完全消失,其原因在于掺杂后,团簇中各原子的电荷分布发生了变化.     

Fen(n=2～20)团簇的结构、电子和磁性对大小的依赖

使用紧束缚（TB）多体势和遗传算法（GA），计算了Fen（m=2～20）团簇的基态结构．从优化结构出发，使用自洽的紧束缚3d、4s、4p模型哈密顿，计算了每原子平均磁矩风和向上与向下自旋电子态密度DOS．对小（n≤6）的团簇，Fen的平衡结构非常类似于惰性气体团簇，与硬球堆积相一致．7～12个原子团簇的结构由二十面体的骨架——五角环组成．14～19个原子团簇形成六角环形结构．所计算的所有团簇的风都大于块体值，并随着团簇增大缓慢地非单调性地减小．平均配位数、团簇中局域配位数的分布和spd杂化都是影响电子和磁学特性的重要因素．     

非晶金团簇单个原子运动特性的简要分析

通过计算团簇内原子时间平均势能的特性以及对团簇瞬时结构的分析,发现团簇的融化过程较对称团簇而言具有一些新的特征,团簇的融化过程可以分为多个过程。第1阶段的融化涉及团簇表面多个原子（14个原子）,其余4个原子则处于准固态;第2阶段涉及表面全部原子,但此时有2个位置上原子逗留时间较长;第3阶段表面的原子全部开始了快速的换位;最后一个阶段中,产生了包括团簇内部原子在内的结构异构化过程。     

金属钨中氦团簇扩散与形核特性的分子动力学研究

本文应用分子动力学方法模拟研究了氦团簇在金属钨中的扩散特性,得到了不同大小团簇的扩散系数,结果表明氦团簇越大,扩散越慢.氦团簇越大越容易激发出自间隙钨原子,且大的氦团簇只需要很低的钨基体温度即可激发.在金属钨中加入125个氦原子（氦浓度低于0.1%）,研究了氦团簇的形核特性.通过比较氦团簇、自间隙团簇和空位团簇3种缺陷的尺寸分布发现,氦团簇的尺寸在800 K达到最大值,其它两种缺陷尺寸随温度的增加而逐渐增大.     

经激光束处理的金属Fe的分子动力学研究

采用分子动力学和EAM势函数,建立了金属Fe固液两相模型,实现了液态金属Fe在两种不同冷却速率下的凝固过程,用以模拟激光束对金属Fe的处理。通过原子势能、径向分布函数、共同近邻分析和原子构型演化等计算方法,研究了体系演化过程和终态结构特性,得到了在冷却速率为2 K/ps和5 K/ps时固液分界面稳定传播速度分别为1.74 m/(s·K)和0.89m/(s·K);在终态时由于无序原子的存在,原固液分界面处存在能量起伏,同时在原液态部分发现了高能态的原子团簇,为研究经激光束处理后的金属Fe的力学性能提供了微观结构基础。     

马氏体钢中铬原子对空位-氦团簇作用的第一性原理研究

利用第一性原理计算方法研究了Cr原子对纯Fe和Fe9Cr合金中空位-氦(VacHe_n)团簇类型缺陷的影响.研究发现小的He_n团簇也会引起强烈的晶格畸变,尤其是He_n团簇周围的自间隙Fe原子倾向于产生自发射现象,即：Fe原子仍然倾向于从He_n团簇附近转移到无穷远,但当n>2时Fe9Cr的空位形成能低于纯Fe,这表明Cr原子可以在一定程度上提高Fe原子在He_n团簇周围的稳定性.另外,VacHe_n在纯Fe中比在Fe9Cr合金中更稳定,并且Fe9Cr合金中的空位团簇对He原子的俘获能的明显小于纯Fe中的俘获能,这表明溶解Cr原子的斥力会削弱He原子的聚集.研究结果有助于阐释He泡马氏体钢的生长机理及其对其稳定性和机械性能的影响.     

液态金属Al凝固过程中大团簇结构的形成与演变机理

采用分子动力学方法, 对含有400000个Al原子的液态金属大系统在凝固过程中纳米级大团簇结构的形成、演变特性进行了模拟研究, 并采用中心原子法、键对分析技术与原子团类型指数法(CTIM)相结合, 描述了各种类型的基本原子团结构组态. 结果表明: 在所有的键型与原子团类型中, 以1551键型以及由1551键型所构成的二十面体原子团(12 0 12 0)的数量最多, 它们在液态金属Al的微观结构转变中起着决定性的作用; 纳米级大团簇(含有多达150个原子)是由一些大小尺寸相差较大的中、小团簇通过拉锯式(得而复失、失而复得)的相互竞争形式不断兼并、演变后, 相互连接而成, 而不是以某一个原子为中心按一定规则堆积为多个壳层而成, 这正是与由气相沉积、离子溅射等方法所获得的团簇结构的本质差别所在; 虽然纳米级大团簇结构的形状和大小各不相同, 但都具有突出的角隅, 正好成为液态金属凝固过程中形成各种支晶结构的起点.     

王广厚 科研自信源自创新

<正>2011年12月9日,南京大学物理学院原子分子与团簇物理教授王广厚当选中国科学院院士,其因在"原子团簇"领域的贡献而增选。坚持走自主创新的路"原子团簇"对很多人来说是一个神秘的领域。团簇是比纳米还要小的物质。20世纪70年代,原子团簇的发现、研究和发     

AunCu2(n=1～4)团簇的量子化学研究

在相对论有效势近似下,用密度泛函方法B3LYP和LANL2DZ基组,系统计算了金掺杂铜原子团簇AunCu2(n＝1～4)的可能稳定结构,确定了低能量异构体的稳定结构.比较研究AunCu2和Aun的稳定性,结果表明:掺入两个Cu原子改变了纯金团簇的稳定性趋势.计算结果还再现了封闭结构稳定性的振荡性.     

MSn10(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)团簇的稳定性和磁性研究

采用密度泛函理论(density functional theory,DFT)中的广义梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)对Sn11团簇的4种同分异构体(对称性分别为D5h,D5d,D4h,D4d)的几何结构、电子结构计算研究,得出对称性为D5d的团簇最稳定.将Sn11团簇的中心原子替换成过渡金属原子成为MSn10(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)团簇,对其稳定性和磁性进行了分析.在Sn11团簇中将中心原子替换成过渡金属原子后,束缚能都变小了,说明过渡金属原子的替换提高了原锡团簇的稳定性,其中NiSn10团簇的束缚能最小,稳定性最强.过渡金属原子都具有一定的磁性,当把这些原子掺入锡团簇后,过渡金属原子的磁性都有所减弱,其中MSn10(M=Sc,Ti,V,Ni)团簇的磁性完全消失,其原因在于掺杂后,团簇中各原子的电荷分布发生了变化.     

用三维原子探针研究压力容器模拟钢中富铜原子团簇的析出

用三维原子探针（3DAP）和热时效处理方法研究压力容器模拟钢中富铜原子团簇的析出过程.提高了Cu含量的压力容器模拟钢样品经过880 ℃加热淬火后,在400和500 ℃进行了不同时间的时效处理,显微硬度测试结果表明,在400和500 ℃时效的过程中硬度峰值分别出现在100和5 h.3DAP分析结果显示,样品在400 ℃分别时效100,150和300 h后,富铜原子团簇的数量密度是递增的,从1.5×10²³ m^-3增加到6.2×10²³m^-3,但富铜原子团簇的长大非常缓慢,团簇的最大等效直径只从2 nm增大到了3.5 nm,团簇中的Cu原子数分数 x 为20%,还含有Mn和Ni,并且观察到Mn和Ni在团簇和基体金属的界面处发生明显的富集.     

团簇Fe4P的催化析氢反应

为研究团簇Fe₄P催化水分子析出氢气的反应活性,以团簇Fe₄P催化析氢的反应机理为依据,运用密度泛函理论并基于前线轨道理论,对优化后得出的8种优化构型,通过讨论其前线轨道图、各构型的HOMO能级与水分子的LUMO能级的差值,发现在吸附反应中构型2^（4）与水分子进行同号轨道重叠的可能性最大,且水中氢原子均吸附于团簇Fe₄P的Fe原子上,即表明Fe原子为团簇Fe₄P潜在的催化活性位点.此外,综合团簇Fe₄P两步催化反应的分析结果,发现构型2^（2）、3^（2）无论是在吸附反应中还是解吸反应中均表现出良好的反应活性,说明构型2^（2）、3^（2）为团簇Fe₄P催化水析出氢气的最优结构模型.     

（Ga）12N,（Ga）12B荷电团簇的电子结构与磁性

基于第一性原理,在密度泛函理论框架下,用广义梯度近似（GGA）研究20面体（Ga）12B,（Ga）12N荷电团簇的电子结构与磁性,系统计算了束缚能BE、中心原子到表面原子的间距、最高占据轨道（HOMO）、最低未占据轨道（LUMO）及其能隙,分析了（Ga）12B,（Ga）12N荷电团簇表面到中心原子间距、束缚能和HOMO与LUMO间的能隙随掺杂原子掺杂位置、带电情况不同的变化.研究表明,具有Ih对称性结构的荷电团簇更稳定,统除Ih对称性结构（Ga）12B1＋荷电团簇有磁性外,其它均无磁性.     

预测Au_（13-75）团簇基态结构的启发式算法

针对具有NP难度的团簇结构预测问题,提出启发式求解算法——TP-ISDO作算法.该算法包括两阶段局部搜索、内部操作、表面操作和扰动操作.利用TP-ISDO算法预测了Aun（13≤n≤75）团簇的基态结构,其中Au团簇采用Sutton-Chen势能函数模型描述.实验结果表明,该算法能快速地得到Aun（13≤n≤75）团簇的当前已知最低能量结构.特别是对于Au58团簇,得到了两种新构型,这两种构型都是10面体结构,它们的势能值分别为-15648.5689和-15648.8754能量单位,小于当前已知的最低势能值.