锗基磁性团簇的设计及其组装低维纳米结构的研究

With the miniaturization of industrial components and the increasing magnetic storage density of the spintronic devices, it is expected that eventually magnetic regulation can be realized at the atomic and molecular level. Germanium can be used as an alternative to silicon in some areas of the microelectronics industry and has gained some attentions. Thus, from basic research point of view, we will explore novel properties of germanium-based clusters. Doping transition metal atoms into the germanium clusters can not only improve the stability of the clusters but also introduce magnetism, therefore, it can be used as an ideal building unit for novel spintronic devices or ultra-high density information storage devices. At the same time, through self-assembly of germanium-based magnetic clusters with high stability, we will design one-dimensional nanowires or two-dimensional nanostructures, and then explore their physical properties and expand the application field of clusters. We will use the genetic algorithm combined with first-principles calculations to search the structures of germanium-based alloy clusters globally and to determine the ground state structure of the clusters. In order to elucidate the evolution of germanium-based magnetic clusters with size and composition, we will analyze their growth pattern, elemental occupation, bonding features of the clusters, and the effects of the doped atomic species and number. Furthermore, germanium-based magnetic clusters with novel magnetic characteristics will be obtained for self-assembly low-dimensional materials, which may lead to potential applications in nanoscale devices.

随着工业元器件的微型化，自旋电子器件磁存储密度的不断提高，人们希望终将能实现在原子分子水平的磁性调控。锗在微电子工业的一些领域可以作为硅的替代物，得到人们的重视。从基础研究的角度，我们希望探索基于锗团簇的新奇特性。在锗团簇中掺入过渡金属原子，一方面可以提高团簇稳定性，另一方面还可以引入磁性，因此可以作为新型自旋电子器件和超高密度信息存储器件的理想构造单元。同时，通过对高稳定性的锗基磁性团簇进行自组装，获得一维纳米线或二维纳米结构，探究其物性特征，扩展团簇的应用领域。我们将采用基于第一性原理的遗传算法程序对锗基合金团簇结构进行全局搜索，确定团簇基态结构，并对其生长模式、元素占位、键合方式及掺杂原子种类和数量对结构的影响进行分析，探讨锗基磁性团簇随尺寸和组分的演变规律。在此基础上，寻找出具有新奇磁性特征的锗基团簇进行自组装，设计出新型的低维纳米材料，为实际应用做出理论指导。

锗在微电子工业的一些领域可以作为硅的替代物，这是因为与硅相比，锗具有更大的空穴和电子迁移率，因此有望在未来得到更多的应用。过去的十多年里，国际上对过渡金属原子掺杂锗纳米团簇的研究主要集中在单原子掺杂方面，多个金属原子的掺杂会引起结构及性质的多样性和复杂性，使得相关研究较少。本项目选取过渡金属中d电子达到半满的原子对锗团簇进行掺杂，研究中等尺寸的TMxGen(x=1-3，n=12-30)合金团簇。通过遗传算法结合第一性原理的方法获得团簇的基态结构，进而研究结构演变规律、电子结构和磁性特征。在此基础上探索团簇组装低维纳米材料，并对结构稳定性及磁性特征进一步分析，为设计出有应用价值的团簇组装磁性纳米器件提供理论指导。.取得的主要成果包括：对Ru2Ge1-16中性团簇的研究发现双钌原子掺杂锗团簇体系中部分保留了磁性，不同于同尺寸的单原子掺杂出现的磁性淬灭现象；对于磁性保留的物理机制，我们对其轨道杂化进行了探究，发现Ge-p轨道的贡献决定了团簇保留的磁性。在此基础上，进一步对阴离子Ru2Ge3-20-团簇进行了研究，结果表明团簇结构由多面体向笼状结构转变时，即锗原子个数为9-12，一个额外的电子会影响团簇的基态结构；同时还获得了具有类超原子特性的Ru2Ge14-团簇；此外，计算了各尺寸团簇的垂直电离能以及绝热电离能，为今后实验光电子能谱的获取提供理论依据。我们还设计了Ir2团簇与不同的类石墨烯二维衬底材料的组装，研究发现锗烯是最佳的二维衬底材料，其结构稳定性高且可获得大的磁各向异性能，这项工作对于磁信息存储器件的设计起到理论指导作用。在基金资助下，申请人还对NbO2+(CO2)n团簇、(H2O)6-11–团簇、P20-36团簇、Ca2+(H2O)10–12团簇、单层TaS2以及过渡金属掺杂SnSe2纳米带等进行了研究。

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