mn摻雜(znse)12團(tuán)簇物性研究

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1、Mn摻雜(ZnSe)12團(tuán)簇物性研究謝建明陳紅霞莊國(guó)策鹽城師范學(xué)院新能源與電子工程學(xué)院木文采用密度泛函理論研宄了Mn原子單摻雜和雙摻雜(ZnSe)12團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和磁性質(zhì)。我們考慮了三種摻雜方式:替代摻雜，外摻雜和內(nèi)摻雜。首先比較丫各種摻雜團(tuán)簇的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，無(wú)論是單摻雜還是雙摻雜，替代摻雜團(tuán)簇都是最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的棊礎(chǔ)上，我們對(duì)摻雜團(tuán)簇又進(jìn)行了磁性計(jì)算。團(tuán)簇磁矩主要來(lái)自Mn原子3d態(tài)的貢獻(xiàn)，4s和4p態(tài)也貢獻(xiàn)了一小部分磁矩。由于軌道雜化，相鄰的Zn和Se原子上也產(chǎn)生少量自旋。最重要的是，我們指出內(nèi)雙摻雜團(tuán)簇是鐵磁耦合，在納米量子器件領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：密度泛函理

2、論;團(tuán)簇;摻也穩(wěn)定性;它具有較高的發(fā)光效率和低的吸收系數(shù)，是一種用途廣、性能優(yōu)的光電子材料［2-3］。前人對(duì)ZnSe的研究主要集屮在體材料，關(guān)于閉簇的研宂工作相對(duì)較少。對(duì)（ZnSe）。團(tuán)簇的理論研宂表明，當(dāng)n〈6時(shí)，二維平而結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定;但當(dāng)n>6時(shí)，三維空心籠狀結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定以1。我們課題組研宄了（ZnSe）12團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)具有Th對(duì)稱性的空心籠狀的（ZnSe）12團(tuán)簇是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，它包含了12個(gè)Zn原子和12個(gè)Se原子，和其它II-VI族團(tuán)簇最低能量結(jié)構(gòu)完全相同［5-7］。它的最高占據(jù)態(tài)（II0M0）-最低未占據(jù)態(tài)（LUM0）能隙是3.16eV，顯示了它的半導(dǎo)體特性；自旋極化計(jì)算

3、表明純（ZnSe）12團(tuán)簇沒(méi)有磁性。大量的研宄表明摻雜能夠顯著改善基體材料的物理性能mi。理論上開(kāi)展了關(guān)于過(guò)渡金屬摻雜TT-VT族閉簇的研究工作［5,15-16］。Mn摻雜（Zn0）12、（ZnS）12團(tuán)簇的研究表明，Mn原子間磁性耦合是短程的反鐵磁耦合［15,16］。目前還沒(méi)有關(guān)于Mn摻雜ZnSe團(tuán)簇的相關(guān)研宄工作。為此，本文采用第一性原理方法系統(tǒng)研宄了Mn原子單摻雜和雙摻雜（ZnSe）12團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)及磁性質(zhì)。結(jié)果表明，內(nèi)雙摻雜團(tuán)簇是鐵磁耦合，在納米量子器件領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。1計(jì)算方法我們的計(jì)算采用了Dmol軟件包中自旋極化的密度泛函理論UZJM。我們選擇了全電子和DND基矢

4、。交換關(guān)聯(lián)勢(shì)我們選擇了GGA/PBE皿。Mulliken布局分析被用來(lái)分析原子磁矩［20］。自洽場(chǎng)計(jì)算時(shí)，總能量的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10Ha，力的收斂標(biāo)準(zhǔn)0.002Ha/A,位置移動(dòng)收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.005A。PBE/DND的準(zhǔn)確性在前面關(guān)于Zn0團(tuán)簇以及ZnS納米管摻雜磁性質(zhì)研宂工作屮己經(jīng)得到檢驗(yàn)［21-23］。因此，相信我們的計(jì)算方案對(duì)描述Mn原子摻雜（ZnSe）12團(tuán)簇是可信的。2結(jié)果和討論2.1單摻雜團(tuán)簇2.1.1幾何結(jié)構(gòu)根據(jù)摻雜位置的不同，我們考慮了五種摻雜構(gòu)型:A1:用一個(gè)Mn原子替代一個(gè)Zn原子;A2:在空心籠的中心放置一個(gè)Mn原子;A3:在表面四原子環(huán)的中心放置一個(gè)Mn原子;A4:在連接

5、兩個(gè)四原子環(huán)的Zn-Se鍵中間放罝一個(gè)Mn原子;A5:在連接網(wǎng)個(gè)六原子環(huán)的Zn-Se鍵中間放置-個(gè)Mn原子。圖1畫(huà)出了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖。為了便于比較，我們也畫(huà)出了純(ZnSe)12團(tuán)簇。由于摻雜進(jìn)Mn原子，純閉簇的某些鍵發(fā)生丫斷裂，各原子間重新成鍵。由于Mn原子和Zn原子的半徑差異很小，除了新形成的鍵的鍵長(zhǎng)微小變化之外，A1構(gòu)型和純團(tuán)簇結(jié)構(gòu)非常類似。圖1單摻雜團(tuán)簇結(jié)構(gòu)圖。大球代表Mn原子，中等球代表So原子，小球代表Zn原子。Fig.1Theoptimizedstructuresofmonodoped(ZnSe)12clusters.Bigball,Mnatom;middleball,Seat

6、om;smallball,Znatom.2.2.2能量穩(wěn)定性團(tuán)簇的熱力學(xué)穩(wěn)定性可以通過(guò)形成能來(lái)表征。形成能定義為摻雜閉簇的能量減去所有孤立原子的能量之和，再除以總原子數(shù)。為了比較這些團(tuán)簇的穩(wěn)定性，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，我們計(jì)算了摻雜團(tuán)簇的形成能和HOMO-LUMO能隙。結(jié)果列在表1中。表1單摻雜團(tuán)簇的形成能(Ef),HOMO-LUMO能隙(Gap),分裂能(AEl,AE2),團(tuán)簇的總磁矩(Utot),Mn原子磁矩(u)以及相鄰Zn原子和Se原子的磁矩(Mlandm2)。Table1Theformationenergies(Ef,incV/atom),HOMO-LUMOgaps(Gap,ineV

7、),andfragmentationenergies(AElandAE2,ineV)ofvariousmonodoped(ZnSe)12clusters.Thetotalmagneticmoments(utot,inuB),magneticmoments(u,inuB)ofMnatomandthebondingZn,Seatoms(ulandu2,inuB)intheseclustersarealsoshow