基于Calypso方法预测Tin(n=5-8)团簇分子结构及电子特征

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摘要：本文利用密度泛函理论方法，通过CALYPSO程序和Gaussian程序优化计算和分析了Tin(n=5-8)团簇的分子结构及电子特征。研究结果表明：由不同钛原子构成的团簇，其Ti-Ti平均键长值随着团簇原子个数的增加而增长。电荷分析发现，不同结构的团簇，其原子上电荷分布不同。除Ti7外，其它团簇都有一定的偶极矩值，团簇内存在极化现象，有明显的电荷转移特征。通过电荷分析也可以解释团簇的磁性特征。本文的研究为了解钛小团簇的几何和电子结构提供一定的参考价值。66422

毕业论文关键词：钛团簇，CALYPSO，密度泛函理论，电荷布居分析

Abstract: The geometrical structures and electronic properties of Tin(n=5-8) clusters are optimized by using density functional theory (DFT) with Calypso program and Gaussian program. The results show that with increasing number of the titanium atoms the Ti-Ti bond lengths average value increases. The charge analysis found that clusters with different structures have different atomic charge distribution. In addition, other clusters except Ti7 have the dipole moment. The cluster is polarized with a clear charge transfer characteristics in these clusters. Charge analysis can help to interpret the magnetic properties of clusters. These results provide a valuable view to understand the geometric and electronic structure of the small titanium clusters.

Keywords: Ti Cluster, CALYPSO, Density Functional Theory, Charge population analysis

1 前言 4

2模型和计算模拟参数计算 4

2.1 CALYPSO软件介绍 4

2.2 CALYPSO程序的输入介绍 5

2.3 Gaussian程序介绍和输入文件 6

3 结果与讨论 7

3.1 Ti团簇的几何结构分析 7

3.2电子结构特征 8

3.3 团簇的电荷分布特征 9

结论 11

参考文献 12

致谢 13

1 前言

团簇是材料学研究中的一个新概念，人们把它归结“是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态”。团簇的概念自引入以来，已逐渐形成了一门介于原子分子物理和固体物理之间的新型学科[1]。由于团簇的独特结构和性质特征，特别是不同原子数构成的团簇分子，显示出不同的性质和应用[2]。团簇的物理和化学与其构成的原子个数有直接的关系。因而在理论上，人们对于其几何结构的了解是研究中的重点。在过去几年中，人们对于团簇的几何结构的理论预测一直投以极大的关注。并且，利用理论模拟的方法来预测团簇的结构，有助于人们了解团簇的电子特征，进而预测其性质。这可以为实验设计提供必要的信息和指导。而如何恰当的运用模拟方法来预测团簇的几何结构，是人们研究的第一步。

由于Ti团簇的特殊性质，近年来引起了人们的广泛关注，人们也通过第一性原理方法对Ti团簇的几何结构进行了理论预测[3-6]。但是对于不同原子数构成的团簇几何结构设计时都是基于经验性，一般都是根据分子结构的对称性选取一部分初始结构，进而展开研究。这样的方法具有一定的局限性，特别是在生成结构时，人为的选取和操作，费时费力，不易于全局搜索，易漏掉全局最小点。最近吉林大学的马琰铭教授课题组发展了新的团簇预测方法，也即CALYPSO方法[7-8]。该方法是一种在不知道结构的任何信息的情况下，通过一系列技术最后得到所研究体系的稳定结构的一种结构搜索方法。它采用包括包含有对称性限制的随机产生结构方法、判断结构相似程度的技术，以及结构演化技术等。对团簇的结构采用不偏倚的预测，具有比较准确和全面性[7-9]。本论文通过学习相关的理论模拟软件，尝试学习和掌握运用理论模拟软件来预测和分析Ti簇团簇的电子几何结构，以此介绍基于CALYPSO的方法预测团簇结构方法。总结在理论上预测Ti团簇的经验，为进一步研究打下基础。