过渡金属co团簇的实验与理论研究进展.docx

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过渡金属co团簇的实验与理论研究进展

山西师范大学本科毕业论文

过渡金属Co团簇的实验与理论研究进展

姓名

高娟娟

院系

化材学院

专业

化学与材料科学

班级

0901

学号

0953010145

指导教师

吕瑾

答辩日期

成绩

过渡金属Co团簇的实验与理论研究进展

内容摘要

过渡金属团簇因为具有高磁性和高反应活性，在开发新磁性材料和新催化剂领域具有广阔的应用前景。

实验上采用Stern-Gerlach技术【1-4】对Con团簇的平均磁距进行检测，从而对团簇的磁性特征进一步展开研究，研究表明温度、团簇的尺寸大小以及磁场强度这些因素都对Con团簇的磁性有重要的影响，并且研究表明团簇的磁性与温度以及磁场强度成正相关。

而磁性随着团簇的尺寸大小的增大先减小后不变，最后稳定到体材料的磁矩。

理论上先预测Con团簇的基态结构，然后再对团簇的磁性进行探讨，研究表明影响Con团簇的磁性的主要因素有对称性、平均配位数、平均键长。

平均键长和对称性与磁性呈正相关，而平均配位数的大小却与磁性呈负相关。

实验和理论都证明在一定数目的原子范围内团簇的磁性远大于体材料的磁性，而超过一定原子数目以后，团簇的磁性逐渐向体材料靠近最后与体材料的磁性相同，这时团簇转变为体材料，发生了质的变化。

【关键词】：

　钴团簇Stern-Gerlach技术几何结构电子结构磁性

ExperimentalandtheoreticalstudiesoftransitionmetalCocluster

Abstract

Transitionmetalclustersbecauseofthehighmagneticpropertiesandhighreactivity,inthedevelopmentofnewmagneticmaterialandnewcatalysthaswideapplicationprospect.Prominentinrecentyearswereintroducedinthispapertheexperimentandtheorycalculation,theresearchprogressoftransitionmetalCoclusters,experimentsontheStern-GerlanchdeflectiontechnologyforecastConclustersaveragemagneticspacing,thusfurtherstudyonthemagneticcharacteristicsofclusters,studieshaveshownthatthetemperature,thesizeoftheclusters,andmagneticfieldstrengthofthesefactorstoConmagnetichaveimportantinfluence,Andstudieshaveshownthatclustersofmagneticandtemperature,andpositivelyrelatedtotheintensityofmagneticfield.Andmagneticfirstdecreaseswithincreasethesizeoftheclustersofunchanged,andafterthelaststabletothematerialofmagneticmoment.IntheorytopredictthegroundstateofConstructure,andthendiscussesthemagneticofclusters,studieshaveshownthatthemainfactorsinfluencingthemagneticofConhavesymmetry,theaveragecoordinationnumber,theaveragebondlength.Averagebondlengthandsymmetryandmagneticwerepositivelycorrelated,whilethesizeoftheaveragecoordinationnumberandnegativelycorrelatedwithmagnetic.Experimentsandtheoryprovedthatinacertainnumberofatomicclusterswithinthescopeofmagneticfaroutweighmaterialofmagneticbody,andaftermorethanacertainnumberofatoms,magneticclustersgraduallytothematerialneartheendwiththesamematerialofmagneticbody,thenclustersintomaterial,qualitativechangeshavetakenplace.

【Keywords】CoclustersStern-Gerlachtechnologygeometricconstructionelectronicstructuremagnetic

目录

一、引言5

二、Con团簇的实验研究进展5

三、Con团簇的理论研究进展9

（一）Coｎ团簇的几何结构特征9

（二）Coｎ团簇的电子结构特征11

（三）Con团簇的磁性特征以及影响磁性的主要因素14

四、结论与展望15

五、参考文献16

六、致谢16

过渡金属Co团簇的实验与理论研究进展

学生姓名：

高娟娟指导老师：

吕瑾

一、引言

团簇是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体【5】，它是一种由微观微粒向宏观的大块物质转变的一种过渡态，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。

团簇科学研究的主要内容是几何结构、电子结构、物理性质、化学性质以及由小的团簇向大快物质演化过程中关于尺寸的关联，以及同外界环境的相互作用规律。

过渡金属具有未充满电子的d壳层，由洪特规则可知，它们应该具有磁性行为，然而，在体相，除了铁、钴、镍体被认为是铁磁性的材料外，别的金属都没有磁性。

但在团簇领域，过渡金属簇尤为重要，许多理论和实验已经对过渡金属的几何结构，电子结构以及磁性进行了大量的研究，结果发现，不但Fe、Co和Ni团簇具有比体材料更大的磁性，而且非铁磁的许多金属如V和Gd在形成团簇后，理论预测也有一定的磁性。

它们表现出来既不同于单个原子或分子，又不同于大块固体材料的奇异物理、化学性质，使得它们在许多纳米技术领域扮演着很重要的角色，例如：

高密度磁性存储、多相非均匀催化、微电子、光电子通讯和生物医疗等等。

其中，Co团簇是一个很好的例证，因为它的磁性和在磁性储存设备中的重要性，使得对钴团簇的研究有更为实用的现实意义。

鉴于此，本文主要介绍近些年来比较突出的实验及理论计算中，过渡金属Co团簇的研究进展，在对前人工作进行总结的同时，也希望能为以后的研究提供思路和启发。

二、Con团簇的实验研究进展

目前，实验上主要采用Stern-Gerlach磁偏转分子束技术【1-4】对团簇的平均磁矩进行检测，它主要是通过检测团簇在不同磁场中的平均磁偏转距离来获得的。

检测磁性实验装置如图1-1，图1-2是团簇产生的激光蒸发源。

图1-1检测磁性实验装置示意图

图1-2团簇产生的激光蒸发源

Bloomfield【6】和Heer【7】等通过Stern-Gerlachdeflection技术【1-4】对不同大小的Co团簇的磁性进行了实验研究，结果均表明在77-300K的温度范围内，Con团簇表现出了大范围的偏转，这表现出的是超顺磁行为的特征。

对于自由团簇的超顺磁性模型，他们建议绝热磁性同时避免塞曼能级的偏离，因为这样可以导致相同的大范围的射束偏转反射行为，正如在超顺磁自旋弛豫中研究的那样。

然而，自由团簇的超顺磁性模型和居里定律【8】都预测出高温可以限制磁性，在居里定律

=µ2B/3KT

（1）

中µ是表征团簇磁性的磁矩，B是磁场强度，T是温度。

每个原子的固有磁矩对于小Con团簇有相当大的起伏，Con（n=2~8）的块状团簇较为符合，并且一般随着Con中n的增大，磁矩减小，即团簇尺寸增大，磁性减小。

这种规律最终可以持续到n=500的团簇，小团簇磁性的增加是由于表面原子的低配位导致一个d电子带变窄，同时产生更大的自旋极化。

DeHeer【8】对Con（n=50~500）团簇运用Stern-Grelachprofile【1-4】计算过钴团簇的平均磁矩，研究再次表明团簇尺寸增加，磁性减小，另外平均有效磁矩随磁场强度的增强而增加；Beallas【9】等在99~999K的温度范围内对钴团簇运用S-G磁偏转分子束的实验方法对钴团簇的磁性进行了检测，实验表现出钴团簇的固有磁矩随温度的升高而升高，对于n=120,在600K以上磁性为一常数，n=550,在500K以上就为常数。

Knickelbein【10】等利用Stern-Gerlachdeflection【1、2、3、4】技术，在25-100K的温度范围内对钴的原子数目是12-200个的钴团簇的磁化强度和固有磁矩进行了检测，研究结果表明钴团簇在磁场中的转动和振动的绝热过程引起了钴团簇的平均磁化强度，然而这个过程并没有引起团簇的自旋弛豫。

这说明团簇分子束偏转实验完全可以应用到纳米磁性体系的检验，VijarKumar【11】等使用同样的实验方法对钴团簇的磁性再次验证了Knickelbein【10】的研究结

果，研究指出Con（n=200~300）团簇的磁学行为表现为完全的超顺磁性，而非绝热磁化。

前人已经运用Stern-Gerlach【1、2、3、4】磁偏转分子束技术进行过大量详细的研究。

实验研究表明影响磁性的主要因素有团簇尺寸、温度和磁场强度，团簇的磁矩随着团簇尺寸的增大趋向于减小，随着温度以及磁场强度的增大而增大，最后会趋于一个定值即体材料的磁矩1.7μB。

但是不同的温度下磁矩趋于稳定所对应的的团簇尺寸大小不同，且磁矩随团簇尺寸增大而减小的过程并不是一个单调递减的的过程，如图1-3和1-4所示

图1-3在78K的温度下团簇的固有磁矩随原子数的变化曲线

图1-4在40K的温度下团簇的固有磁矩随原子数的变化曲线

由图可以清楚地看出在一定温度下，团簇的磁性随着团簇尺寸的增大而增大，且由图1-3和1-4对比，对于相同尺寸的团簇如N=200的钴团簇，在温度为40K时磁矩已经达到稳定，及已达到体材料的磁矩，但是在温度为78K时，它的磁矩大约是1.97μB，还远远大于体材料的磁矩。

这一点可以证明不同的温度下磁矩达到稳定时对应的团簇大小不同或者同一尺寸大小的团簇在不同温度下，磁性不同。

三、Con团簇的理论研究进展

（一）Con团簇的几何结构特征

钴团簇作为一种新的材料备受科研学者们的关注，要使钴团簇发挥其优良性

能作