《一维环多烯过渡金属三明治分子线的电子结构和磁性研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一维环多烯过渡金属三明治分子线的电子结构和磁性研究（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学 硕士学位论文 一维环多烯-过渡金属三明治分子线的电子结构和磁性研究 姓名：黄扬波 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：姚凯伦 2011-01-12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 有机金属化合物是重要的分子自旋电子学材料，具有很大的潜在应用价值，它 们的研究对自旋电子学及自旋电子器件的发展具有重要意义。 本文运用基于密度泛函理论 （DFT） 的第一性原理的材料性质计算软件 Materials Studio 4.3 里面的 Dmol3软件包，系统地研究了一维环多烯（CnHn，n=5,6,7,
2、8）-过 渡金属（Mt, Mt= ScZn）三明治分子线的几何结构、电子结构及磁性。 通过几何结构的优化计算，本文发现当 n=5 或者 6 时，几乎所有的 CnHn-Mt （ScZn）三明治分子线结构都是稳定的（除了 C6H6Cu、C6H6Zn） ，不存在亚稳态， 其中配位体碳环上所有的原子都处在一个平面上；当 n=7(n=8)时，只有过渡金属前 几号 C7H7Sc、C7H7Ti、C7H7V、C7H7Co(C8H8Sc、C8H8Ti、C8H8V、C8H8Cr)的分子线 的几何结构是碳环原子保持在一个平面内，不存在畸变，实验上相对比较容易合成。 随着过渡金属原子序数的增加， （a）一维环多烯-过
3、渡金属三明治结构越来越不稳定 （Eb的绝对值越来越小） ； （b）结构稳定时环多烯-过渡金属三明治分子线的晶格常 数 c 先减小再增加。 接下来本文研究了那些稳定的一维环多烯-过渡金属分子线的电子结构及磁性， 发现 C6H6V， C6H6Mn， C5H5V， C5H5Cr， C5H5Fe 分子线的能带为半金属性， 与 Lei Shen 等人40的计算结果一致。首次发现了一种新的具有半金属性的分子线结构：C8H8V， 其自旋向上（两个电子多占据）的通道为金属性，自旋向下（一个电子少占据）的 通道为半导体性；然后通过态密度（DOS）与分态密度（PDOS）分析，认为 V 原子 的 3d 轨道与配位体
4、 C8H8碳环的 2p 轨道的强相互作用在费米面附近对半金属性的贡 献最大。随后为了进一步验证其半金属性，本文计算了 C6H6V，C6H6Mn，C5H5V， C5H5Cr，C5H5Fe，C8H8V 等分子线的自旋总磁矩，发现除了 C5H5Cr 分子线磁矩的计 算结果为 0.71B，其他的都是整数值。按照这些半金属性分子线可能的化合价电子 排布分析了其能带以及磁性来源，与计算结果一致。 关键词：关键词：密度泛函理论、三明治分子线、半金属性、电子结构、磁性。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I Abstract Organic tra
5、nsition metal compounds is an important molecular spintronics materials with great potential application value, which are very significant in spintronic and spin-electronic devices. In this thesis, first-principle calculations have been performed to study the stability of geometry, electronic struct
6、ure and magnetic properties of Polyenes ring(CnHn, n = 5,6,7,8 )-transition metal (Mt, Mt = Sc Zn) sandwich molecular wires (SMWs). Our calculations used Dmol3 package of Materials Studio 4.3 software, which was based on the density functional theory (DFT). By geometry optimization, we find that whe
7、n n = 5 or 6, almost all of the CnHn-Mt (Sc Zn) structure of the sandwich molecular wires(SMWs) are stable (except C6H6Cu, C6H6Zn), which all atoms of the ligand carbon ring are in one plane and have no metastability structure.While when n = 7 (n = 8), only very few numbers of transition metal SMWs
8、such as C7H7Sc, C7H7Ti, C7H7V, C7H7Co (C8H8Sc, C8H8Ti, C8H8V, C8H8Cr) , would have stably structure that all atoms of carbon ring remain in one plane. And with the increasing of the transition metal atomic number, (a) the structure of the Polyenes ring- transition metal SMWs become more and more uns
9、table (absolute value of Eb became smaller and smaller); (b)the lattice constant c of the stable polyenes ring- transition metal SMWs decreases at first and then increases. Next, we study the electronic structure and magnetic properties of the stably Polyenes ring- transition metal SMWs, and discove
10、r that C6H6V, C6H6Mn, C5H5V, C5H5Cr, C5H5Fe SMWs have a half-metallic band structure, which are agreed with the calculation results by Lei Shen et al. Meanwhile, it unveils for the first time that C8H8V SMWs is a half- metallic materials, which the spin-up channel (two-electron) is metallic and spin
11、-down channel (one-electron) is semiconducting.Then we analysis the density of states and partial density of states of C8H8V SMWs, which imply the half-metallic behavior mainly contributes by V 3d orbital and the C8H8 ring 2p orbital. To further verify the sources of the half-metal behavior, we also
12、 calculate the total spin magnetic moments of the C6H6V, C6H6Mn, C5H5V, C5H5Cr, C5H5Fe, C8H8V SMWs. The results show that the total spin magnetic moments of SMWs are an integer value, except that of C5H5Cr is 0.71B.We analysis band structure and magnetic properties of valence electron configurations
13、 for polyenes ring- transition metal SMWs are consistent with the Dmol3s calculation results. Keywords: Density functional theory (DFT), Sandwich molecular wires (SMWs), Half-metal, Electronic structure, Magnetic properties 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任
14、何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对于本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日
15、期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 分子自旋电子学简介分子自旋电子学简介 众所周知，根据摩尔定律（moore law）1，基于硅基的传统半导体晶体管的集 成度大约以每 18 个月增长一倍的速度，飞速逼近物理和制造工艺的极限，导致其发 展与应用面临着难以逾越的障碍。如何能够突破这个障碍呢？传统硅基半导体晶体 管的设计与制造都是自上而下的模式，能不能从自下而上地设计呢？从单个分子甚 至原子开始进行器件设计，从而突破量子效应的障碍，提
16、高电路集成度与计算机运 行速度呢？早在上世纪 50 年代， 物理学家 Richard Feynman 就在著名的演讲“There is plenty of room at the botton”里面提出来了这一思想， 这一概念后来慢慢发展成了分子 电子学这门有着远大前景的，横跨材料科学、物理、化学等交叉学科。在 2001 年 12 月 21 日在science杂志将分子电子学所取得的一系列成果评为 2001 年十大科技 进步之首2。 标志现代分子电子学诞生的研究是1974年Aviram和Ratner3提出的具有分子二 极管（分子整流器）性质的施主-隔离体-受主(donor-spacer-accepter)结构。随着理论 与实验技术的逐渐成熟，分子电子学的发展十分迅速。1988 年，A.Aviram 更进一步 从理论上详细介绍了怎么用分子做场效应管。1996 年，Bumm 等人4利用 STM 技术 第一次测量了分子电导，1997 年，Reed 等人5直接测量到了单分子
