Nghiên cứu độ bền và liên kết hóa học của dãy cluster Si2M2 (M=Sc-Zn) bằng phương pháp lý thuyết

Độ bền và liên kết hóa học của hệ cluster Si2 M2 (M=Sc-Zn) đã được nghiên cứu ở mức lý thuyết B3P86/6-311+G(d). Kết quả cho thấy các đồng phân bền nhất của cluster Si2 M2 với M=Sc-Cu có dạng tứ diện, đối xứng C2v, trong khi đó Si2 Zn2 có đồng phân bền nhất dạng thoi phẳng với hai nguyên tử M kề nhau, đối xứng Cs . Trong dãy cluster khảo sát, Si2 Ti2 và Si2 V2 bền nhất và Si2 Zn2 kém bền nhất, do độ bền của các liên kết Si-M và M-M quyết định.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu độ bền và liên kết hóa học của dãy cluster Si2M2 (M=Sc-Zn) bằng phương pháp lý thuyết12, SốTr.5,33-432018Tạp chí Khoa học - Trường ĐH Quy Nhơn, ISSN: 1859-0357, Tập 12, SốTập5, 2018,NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC CỦADÃY CLUSTER Si2M2 (M=Sc-Zn) BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾTPHAN THỊ THU AN, PHẠM NGỌC THẠCH, LÊ THỊ CẨM NHUNG,HỒ QUỐC ĐẠI, VŨ THỊ NGÂN*Phòng Thí nghiệm Hóa học tính toán và Mô phỏng, Trường Đại học Quy NhơnTÓM TẮTĐộ bền và liên kết hóa học của hệ cluster Si2M2 (M=Sc-Zn) đã được nghiên cứu ở mức lý thuyếtB3P86/6-311+G(d). Kết quả cho thấy các đồng phân bền nhất của cluster Si2M2 với M=Sc-Cu có dạng tứdiện, đối xứng C2v, trong khi đó Si2Zn2 có đồng phân bền nhất dạng thoi phẳng với hai nguyên tử M kề nhau,đối xứng Cs. Trong dãy cluster khảo sát, Si2Ti2 và Si2V2 bền nhất và Si2Zn2 kém bền nhất, do độ bền của cácliên kết Si-M và M-M quyết định. Kết quả NBO cho thấy các electron 4s chuyển từ các nguyên tử M sangkhung silic mạnh hơn từ khung silic sang AO-3d của M làm cho nguyên tử kim loại mang điện tích dương.Liên kết hóa học Si-M được tạo thành từ sự xen phủ các AO-3s và 3p của Si với AO-3d của M. Liên kết M-Mmạnh nhất với M=V và yếu nhất với M=Cr, Mn, Cu, Zn. Kết quả nghiên cứu này cung cấp thông tin cơ bảncho việc nghiên cứu các cluster silic pha tạp nhiều nguyên tử kim loại chuyển tiếp.Từ khóa: Lý thuyết phiếm hàm mật độ, cluster silic pha tạp 2 nguyên tử, độ bền cluster, liên kếthóa học.ABSTRACTA theoretical study of stability and chemical bonding of cluster Si2M2 (M = Sc-Zn)Stability and chemical bonding of the Si2M2 cluster series (M=Sc-Zn) were investigated at theB3P86/6-311+G(d) level of theory. The results show that the most stable isomers of the Si2M2 clusters withM=Sc-Cu are tetrehedron in C2v point group while Si2Zn2 has the global minimum of planar rhombic shapein Cs point group. In the whole series, the Si2M2 cluster is the most stable as M=Ti and V while it is theleast stable as M=Zn because their stability is dependent on the strength of Si-M and M-M bonds. The NBOanalysis shows that the 4s electrons have transferred from the M atoms to silicon frame within the clusters,resulting in the positive charges on the metal atoms. The chemical bonds are formed by the overlapping ofthe AO-3s and 3p of the Si atoms with the AO-3d of the M atoms. Regarding the M-M bond in the clusters,the bond between the two metal atoms is the strongest with M=V, whereas it is the weakest with M=Cr, Mn,Cu and Zn. This study provides fundamental information for other studies in silicon clusters doped withtransition metal atoms.Keywords: Density functional theory, doubly doped silicon cluster, cluster stability, chemical bonding.1. Giới thiệuHiện nay, cluster silic đang được chú ý rất nhiều bởi vai trò quan trọng trong vật liệu bándẫn và công nghệ điện tử. Bằng các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm, các nhà khoa học đãEmail: vuthingan@qnu.edu.vnNgày nhận bài: 01/8/2018; Ngày nhận đăng: 4/9/2018*33Phan Thị Thu An, Phạm Ngọc Thạch, Lê Thị Cẩm Nhung, Hồ Quốc Đại, Vũ Thị Ngânthực hiện nhiều nghiên cứu về cluster silic nguyên chất như nghiên cứu cấu trúc của cluster Sin(n= 2-10) [1], Sin (n=12-20) [2], nghiên cứu quang phổ các đồng phân bền của cluster Sin và Sin(n=20-45) [3] và cho thấy chúng có nhiều tính chất mới lạ. Tuy nhiên, cluster silic nguyên chất ítbền về mặt nhiệt động, nên để tăng độ bền và tính đối xứng của cấu trúc, các nguyên tố khác đượcđưa thêm để hình thành cluster silic pha tạp [4]. Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp với obitanhóa trị d trở thành chất pha tạp hấp dẫn nhờ tính đa dạng trong khả năng hình thành liên kết, tạora các kiểu cấu trúc cluster đa dạng với tiềm năng ứng dụng cao, thu hút sự quan tâm của các nhàkhoa học trên thế giới.Cluster silic pha tạp một nguyên tử kim loại chuyển tiếp đã được nghiên cứu khá nhiềunhư nghiên cứu về sự phát triển cấu trúc hình học và từ tính của SinFe [5], nghiên cứu về cấu trúchình học và cấu trúc điện tử của cluster SinTi (n=1-8) dạng trung hòa và anion [6], nghiên cứu phổquang electron của cluster anion VSi3- bằng phương pháp tính hóa học lượng tử đa cấu hình [7]. Sựthay đổi về nguyên tố pha tạp và số lượng nguyên tử pha tạp tạo ra các cấu trúc hình học với độbền, độ hoạt động hóa học và tính chất khác nhau của cluster. Bên cạnh hướng nghiên cứu sự phụthuộc của cấu trúc và tính chất cluster vào nguyên tố pha tạp, gần đây các nghiên cứu về clustersilic pha tạp 2 nguyên tử kim loại được quan tâm nhiều hơn, ví dụ nghiên cứu về cấu trúc và độbền của SinM2 (n=1‑8, T=Cr, Mn) [8], SinM2 (n=1-8, T= Fe, Co, Ni) [9], SinFe2 [10], Si2Cu2 [11],SinBe2 [12], Si20V2 [13], Zr2Sin (n=16-24) [14], SinMo2 [15]. Kết quả thu được cho thấy cấu trúchình học và độ bền của clutser silic pha tạp 2 nguyên tử kim loại biến đổi khá đa dạng, liên kếtgiữa 2 nguyên tử kim loại trong cluster cũng thay đổi theo nguyên tố pha tạp và kích thước cluster.Có thể thấy ...