copt团簇在ni100表面吸附的密度泛函理论研究-物理学本科毕业论文(编辑修改稿)

copt团簇在ni100表面吸附的密度泛函理论研究-物理学本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

为可靠。 文中所有计算均在 Materials Studio 软件包的 DMol3 模块和 VASP 软件模块中完成，计算采用 DFT( GGA/ PBE) 方法。 利用 DMol3的效率来 确定团簇的最低能量结构，同时利用 VASP 的精度来计算相关磁学性质。 对 CoPt 团簇的几何构型计算中使用了DMol 模块，采用的是密度泛函理论框架下的第一性原理数值方法 [8,9]，并采用了广义梯度近似（ GGA）下的 PerdewWang91 (PW91)交换关联势 [10,11]。 在双数值极化基组（ DNP）的基础上，用了自旋非限制性计算 [12]。 优化过程中收敛标准设置如下：能量梯度为 110−5 eV/197。 ，总能收敛为 110−6eV。 另外计算基于密度泛函理论的第一性原理平面波法，使用的程序包是 Vienna ab initio simulation program (VASP)[13]。 该程序包采用平面波展开，映射缀加波势（ projector augmentedwave potentials， PAW）以及 PBE 梯度近似 [14]交换关联式，同时考虑电子的自旋和轨道磁矩。 使用周期性边界条件，平面波动能截断为 350eV。 电子自洽循环的能量收敛判据是 110−6eV。 同时为了提高自洽 KohnSham 方程的收敛6 性，布里渊区的积分已经通过 MP 方法 [15]被限定在一个 331 展宽为 的 k 网格点中。 当然，在本研究 中，这两种方法都是用来得到我们理想的结果，其中包括 CoPt团簇在 Ni（ 100）面吸附的最稳定结构和一些磁性性质，如自旋磁矩，轨道磁矩和磁各向异性能。 磁各向异性能定义为饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能量。 即沿铁磁体的难、易磁化轴磁化时所需要的磁化能的大小是不同的，在易磁化方向需要的磁化能最小，难磁化方向需要的磁化能最大，这种与磁化方向有关的能量称为磁各向异性能。 由于能量并非取决于自旋磁矩，所以在不考虑自旋轨道耦合（ SOC）的情况下就不去定义磁化轴 [16]。 如果要考虑自旋轨道耦合（ SOC），磁 各向异性能就等于两个独立磁化方向 δ 和 γ之间的能量差，即： △ Eδγ=EδEγ。 对于初始磁化方向的选取遵守下面两个原则 [17]： ，其中的一个方向平行于其中一个基面，另一个方向垂直于该基面，第三个方向沿结构中的一个键长方向。 和平行于支撑面。 表面模型 本文选取 (33)超晶胞的 Ni(100)五层平板模型来研究 CoPt 在 Ni(100)表面的吸附，图 1 给出了金属 Ni( 100) 的晶胞模型。 在能量计算之前，已经将团簇与基底的混合结构进行了结构优化。 对比 初始 Ni（ 100）表面，发现优化后的 Ni（ 100）表面的弛豫只改变了 %，因此为了减少计算量，在结构优化过程中我们将下面两层原子固定。 对于清洁 Ni 表面模型，每一层有 16个 Ni 原子。 Ni(100)表面的吸附位置有 3种：顶位 (top)、桥位 (bridge)和面心立方穴位 (fcc),如图 2 所示。 图中蓝色 (浅灰色 )代表奇数层的 Ni 原子，棕色 (深灰色 )代表偶数层的 Ni 原子。 图 1 Ni(100)表面模型 图 2 Ni(100)表 面各吸附位 Fig 1. Structural Model of Ni (100) surface. Fig 2. Adsorption sites of Ni (100) surface. 7 在对团簇的几何结构优化时我们做了两种测试： (1)对 Co、 Pt 都不设置初始自旋磁矩，然后对整个提醒进行自旋非限制性的全局优化，这种设置一般会获得基态磁矩，除非激发态和基态的磁矩所对应的能量差很小； (2)对 Co、 Pt 原子分别设置 3μB、 1μB的初始自旋磁矩，这种设置一般会在初始设置的磁矩附件进行搜索，从 而获得基态磁矩。 结果显示，两种设置方法输出了几乎相同的自旋磁矩，但设置初始自旋磁矩之后，计算量有一定的减小，因此在接下来的自旋轨道耦合（ SOC）计算中 ,给 Co 原子设置 3μB的初始自旋磁矩，给 Pt 原子设置 1μB的初始自旋磁矩。 3 结果与讨论 团簇与基底结构的几何构型 图 3 Co, Pt, CoPt 在 Ni(100)表面的最低吸附能量结构 (俯视图 ) Fig. 3. The lowest energy sites for Co, Pt and CoPt clusters supported on Ni(100). 8 图 3 给出了 Co， Pt， CoPt 团簇在 Ni(100)表面吸附能量最低结构图（俯视）。 图中黄色小球代表 Ni 原子，浅蓝色小球代表 Co 原子，深蓝色小球代表 Pt 原子。 蓝色数字表示两个相邻吸附原子之间的键长，黑色数字表示吸附原子与基底原子间的键长。 第一排依次表示 Co1,Co2,Co3团簇吸附在 Ni 表面，第二排依次表示 Pt1， Pt2, Pt3团簇吸附在Ni 表面，第三排依次表示 CoPt, Co1Pt2, Co2Pt1团簇吸附在 Ni 表面。 由 Co， Pt 原子的最外层电子轨道排布可知，两种原子都倾向于成多键。 在进行最优结构计算之前，我们也探索了 Co， Pt， CoPt 团簇分子分别在顶位与桥位上的吸附情况，结果跟我们所预测的一样，团簇分子吸附在面心位置时能量最低结构最稳定，很好地表明了它们成多键的倾向。 自旋磁矩 图 4 自旋磁矩分析图 . Local spin magic moments of Co and Pt clusters on Ni surface. 上图表示的是团簇与基底混合结构中各原子的自旋磁矩的大小和方向。 其中白色小球表示 Ni 原子，黄色小球表 示 Co 原子，绿色小球表示 Pt原子， Co、 Pt上面的数字表 9 示各原子的自旋磁矩， Ni 原子上面的数字表示它的诱导磁矩。 通过观察我们发现 Co 吸附在 Ni 表面混合结构和 Pt吸附在 Ni 表面混合结构中 Ni 原子的诱导磁矩有很大的不同。 Con团簇吸附在 Ni 表面时基底 Ni 原子的诱导磁矩大多为负，最大正值也只有。 而 Ptn团簇吸附在 Ni 表面时 Ni 原子的诱导磁矩与 Con团簇吸附相对比，其值要大很多，它们多为正值，而且最高可达。 不仅基底原子的诱导磁矩存在很大差异，吸附原子 Co 和 Pt 的自旋磁矩满足的规律也不相同。 对比第一行， Co Co Co3吸附在 Ni表面混合结构中 Co原子的自旋磁矩依次为 , , ，即 Con吸附在 Ni 表面时，随着吸附 Co 原子个数的增加，其自旋磁矩单调递减。 然而同样的规律对 Ptn吸附在 Ni 表面时却不适用。 对比第二行， Pt Pt Pt3吸附在 Ni 表面混合结构中 Pt 原子的自旋磁矩依次为 ,，呈一定的递增趋势，即 Ptn吸附在 Ni 表面时，随着吸附 Pt 原子个数的增加， Pt 原子的自旋磁矩单调递增。 轨道磁矩 图 5 轨道磁矩分析图 . Local orbital magic moments of Co and Pt clusters on Ni surface. 10 图 5 表示的是团簇与基底混合结构中各原子的轨道磁矩。 其中白色小球表示 Ni 原子，黄色小球表示 Co 原子，绿色小球表示 Pt 原子， Co、 Pt 原子上面的数字表示各自的自旋磁矩， Ni 原子上面的数字表示它的诱导磁矩。 通过对比分析可以发现不管是 Co 吸附在 Ni 表面混合结构还是 Pt吸附在 Ni 表面混合结构它们的基底 Ni 原子的诱导磁矩都有着相同的特点。 Con吸附在 Ni 表面时 Ni 原子的诱导磁矩大多为负值，最大正值不超过。 Ptn吸附在 Ni 表面时 Ni 原子的诱导磁矩也基本为负值，最大正值不超过。 甚至 CoPt 合金团簇吸附在 Ni 表面时 Ni原子的诱导磁矩也大多为负值。 虽然基底原子的诱导磁矩有着相同的规律，但是吸附原子却不是如此。 分析第一行 Co Co Co3吸附在 Ni 表面时 Co 原子的轨道磁矩依次为,，即对 Co 吸附在 Ni 表面混合结构随着吸附Co 原子个 数的增多， Co 原子的轨道磁矩单调递减。 然而 Pt吸附在 Ni 表面混合结构中Pt 的轨道磁矩与吸附原子的个数没有太大的关联， Pt Pt Pt3吸附在 Ni 表面混合结构中 Pt 原子的轨道磁矩依次为 ,。 磁各向异性能 图 6 不同体系的磁各向异性能 Fig. 6. The MAE of different clusters on Ni(100) surface. 团簇 Co， Pt, CoPt吸附之后的磁各向异性能的变化 趋势我们已经在图 6中表示出来，从图中我们可以得出以下规律： Con 团簇在 Ni 表面的吸附， Co Co Co3 的11 MAE 变化趋势没有明确的规律。 这与 Xie 等人对于 Con(n=110)在 Pt(111)表面的研究结果有很大的不同 [18]，在其研究结果中，当 n 从 1 到 1。