Nghiên cứu lý thuyết cấu trúc và độ bền của cluster germani pha tạp mangan ở dạng trung hòa, cation và anion, GenMn-/0/+ (n=1-10)

Nghiên cứu này chỉ ra rằng các cluster có cấu trúc hở đều ưu tiên trạng thái spin cao ở cả 3 trạng thái điện tích, kết luận này hoàn toàn khác biệt với các nghiên cứu trước đây về cluster trung hòa GenMn, nên chúng tôi cho rằng cluster GenMn kích thước nhỏ và trung bình rất có tiềm năng tạo thành vật liệu từ.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu lý thuyết cấu trúc và độ bền của cluster germani pha tạp mangan ở dạng trung hòa, cation và anion, GenMn-/0/+ (n=1-10)Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CẤU TRÚC VÀ ĐỘ BỀN CỦA CLUSTER GERMANI PHA TẠP MANGAN Ở DẠNG TRUNG HÒA, CATION VÀ ANION, GenMn-/0/+ (n=1-10) Nguyễn Đức Minh1,2, Ứng Thị Lý3, Nguyễn Tiến Trung, Dương Tuấn Quang2, Vũ Thị Ngân3* Tóm tắt: Cấu trúc và độ bền của cluster germani pha tạp mangan ở trạng thái trung hòa, cation và anion, GenMn-/0/+, đã được nghiên cứu bằng phương pháp phiếm hàm mật độ B3P86 kết hợp với bộ hàm cơ sở 6-311+G(d). Kết quả cho thấy cấu trúc lồng bắt đầu hình thành khi n=10 đối với cluster trung hòa và anion nhưng chưa xảy ra với cluster cation. Cluster pha tạp có ít hơn 4 nguyên tử Ge có cấu trúc và độ bền tương tự nhau ở cả ba trạng thái điện tích. Cluster có kích thước trung bình (n=4-9) có cấu trúc khác nhau nhiều hơn và độ bền giảm dần từ dạng anion đến cation và đến trung hòa. Đặc biệt, nghiên cứu này chỉ ra rằng các cluster có cấu trúc hở đều ưu tiên trạng thái spin cao ở cả 3 trạng thái điện tích, kết luận này hoàn toàn khác biệt với các nghiên cứu trước đây về cluster trung hòa GenMn, nên chúng tôi cho rằng cluster GenMn kích thước nhỏ và trung bình rất có tiềm năng tạo thành vật liệu từ. Phân tích các thông số về biến thiên năng lượng bậc hai cho thấy cluster Ge5Mn0/+ và Ge6Mn- bền hơn các kích thước khác cùng dãy nên khả năng sẽ tìm thấy nhiều hơn trong thực nghiệm.Từ khóa: Hóa học tính toán; B3P86; Cluster germanipha tạp mangan; Cluster anion; Cluster cation. 1. MỞ ĐẦU Cluster được xem như là vật liệu tiềm năng cho khoa học và công nghệ nano bởi nhữngtính chất vật lý và hóa học đặc biệt phụ thuộc chặt chẽ vào kích thước, thành phần nguyêntử cũng như số lượng electron. Vì vậy, lĩnh vực cluster đang được nghiên cứu rộng rãinhằm khám phá những tính chất mới, nổi trội của vật liệu [1-5]. Germani là nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp bán dẫnvà đã được ứngdụng khá phổ biến trong các thiết bị cảm biến, quang điện tử. Vì thế, cluster germani tinhkhiết và pha tạp đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học lý thuyết và thựcnghiệm [6-10]. Sự pha tạp các kim loại vào cluster được nghiên cứu tập trung hơn bởi sựpha tạp làm thay đổi nhiều tính chất của cluster như momen từ, điện tích, năng lượng vùngcấm. Sự pha tạp kim loại chuyển tiếp được hi vọng sẽ tạo nên những cluster có cấu trúchình học và cấu trúc electron khác biệt nhờ khả năng tạo liên kết đa dạng của chúng.Trong các nguyên tố dãy 3d, mangan (Mn) được cho là nguyên tố đặc biệt với cấu hìnhelectron lớp ngoài cùng 3d54s2 (phân lớp 3d bán bão hòa và phân lớp 4s bão hòa), nên đãcó một số công trình công bố về cấu trúc hình học của cluster germani pha tạp Mn ở dạngtrung hòa [7,10]. Thực vậy, năm 2010 Kapila và cộng sự [10] dùng phương pháp phiếm hàm mật độPW91 cùng với sóng phẳng giả thế đã đề xuất rằng cluser GenMn (n=1-13) có sự thay đổikiểu cấu trúc ở giá trị n=9: khi n < 9 cluster pha tạp này có kiểu cấu trúc tương tự clustergermani tinh khiết với nguyên tử Mn nằm trên bề mặt cấu trúc, nhưng khi n ≥ 9 kiểu cấutrúc lồng với các nguyên tử Ge bao quanh nguyên tử Mn được tạo thành. Đặc biệt, nhómnghiên cứu này dự đoán những cluster GenMn trung hòa có momen từ thấp trong khoảng1,0 – 3,0 µB. Trước đó, năm 2008, Wang và cộng sự [7] cũng cho rằng momen từ củacluster GenMn (n=2-15) khoảng 1,0µB ngoại trừ Ge6Mn và Ge11Mn là 3,0 µB. Tuy nhiên,nghiên cứu gần đây của nhóm chúng tôi [3,4] và một nhóm khác [11] về cluster germanipha tạp crom ở dạng trung hòa và ion nhận thấy rằng ở kích thước nhỏ chúng có khả năngTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CBES2, 04 - 2018 19 Hóa học & Môi trườngduy trì momen từ cao. Nếu thực sự cluster germani pha tạp nguyên tử Mn cũng có thể duytrì momen từ cao thì chúng sẽ là những vật liệu từ tiềm năng không thể bỏ qua được. Mặtkhác cũng chưa có công trình nào công bố về cấu trúc và tính chất của cluster GenMnmang điện, dạng anion và cation. Vì vậy, mục đích của chúng tôi trong công trình này là xác định cấu trúc hình học vàcấu trúc electron của cluster germani pha tạp mangan ở dạng trung hòa, anion, và cation,GenMn-/0/+. Từ đó hướng đến so sánh cấu trúc hình học và độ bền của chúng khi thay đổisố electron. 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH Phương pháp phiếm hàm mật độ hỗn hợp B3P86 và bộ hàm cơ sở 6-311+G(d) được sửdụng để tối ưu hóa hình học và tính tần số dao động điều hòa của các đồng phân cluster.Mức lý thuyết này đã cho kết quả phù hợp đối với các cluster germani pha tạp kim loạichuyển tiếp dãy 3d [3,4]. Các cấu trúc của ban đầu của cluster GenMn được xây dựng bằng c ...