表面支撑过渡金属掺杂硅团簇几何和电子结构性质的研究

本课题主要利用基于第一性原理的计算模拟方法研究过渡金属掺杂的硅基纳米团簇体系的几何和电子结构性质以及相关物理化学特性。根据不同金属掺杂在硅基体系中会产生不同的功能特性，通过改变掺杂金属原子的种类、数量、结构、电子组态、所处环境及硅团簇体系的大小和形状等修饰裁剪手段设计出不同的结构模型，研究它们的几何结构的稳定性，尺寸依赖性，以及电荷吸附与表面支撑环境对其结构性质的影响。从电子布局、能带结构、电子态密度等方面分析其电子结构性质，并着重研究一些体系的激发态和光电子谱，揭示金属掺杂硅团簇的宏观电、磁、光性质与组分、维度、尺寸和电子组态之间的关联，探索体系在光电功能材料及微电子技术领域的应用，为实现硅基纳米电子器件的组装、性能和微观调控提供理论依据。

团簇是材料设计中一个非常有意义的研究领域，因为材料的性质可以通过改变团簇的组成、尺寸、结构以及所处衬底环境而改变。本项目主要用第一性原理方法研究了表面支撑过渡金属掺杂硅基团簇体系,石墨烯量子点体系及其吸附锂离子体系，以及过渡金属掺杂碱金属团簇体系的几何和电子结构，稳定性，磁性,电子吸收光谱和自旋输运性质。目前项目得到了以下重要结论: . (1) TaSin(n=1-4，12)团簇和 Sin（n=1-7） 团簇在石墨烯表面保持了它们在自由状态下的基态结构,随着团簇尺寸的增大，团簇与表面间距离增大从1.9 到3.4 ，团簇与表面间的吸附多是物理吸附。石墨烯作为衬底催化了硅基团簇由亚稳态结构向基态结构的转化，例如：线形的TaSi2 在石墨烯表面优化后转化成了三角形结构，平面的TaSi3则变成了四面体，而四面体的Si4在石墨烯表面不能稳定存在，它被优化成了平面菱形结构。.（2）Sin（n=1-7） 团簇在BN（001）表面也保持了它们在自由状态下的基态结构。Si、Si2 、Si3的最稳定平衡构型都是Si原子位于N原子上方。Si，Si3 Si5在 BN（001）表面都具有2 的磁矩。随着团簇尺寸的增大，团簇与表面间距离增大从2.2 到3.7 。 Si3 在BN（001）表面吸附稳定,吸附能为1.45eV。.（3）作为最小具有立体结构的硅团簇，Si4在 BN（001）表面， ZnO（001），Cu（111）, Ag（111）,Ni（111） 表面也都保持了自由状态下平面菱形结构为基态的情形，然而在Au（111）表面上，Si4的四面体结构比它的平面菱形结构更稳定，进一步的分析正在进行中。.（4）过渡金属硅笼TMSi16中发现了CoSi16具有5 的高磁矩。.（5）石墨烯量子点的结构、磁性和光谱特性很好地解释了实验。.（6） 研究了B/N/S/Si掺杂的石墨烯的电子结构，得到了锂离子在石墨烯表面，以及B掺杂石墨烯上的吸附和扩散特点。.（7）基于石墨烯层间滑动特性，设计出了一种具有应力传感器功能的双层石墨烯纳米分子结. .（8）利用磁性超原子理论系统分析、解释了TMNa8 (TM=3d, 4d and 5d过渡金属) 团簇的稳定性和磁性，并给出了这些团簇的超原子电子壳层结构。.（9）探索了不同尺度VCs8超原子链的电子自旋输运性质。