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硅是现代工业最为重要的材料之一,但纯硅团簇的化学性质不稳定,很难作为自组装材料的基元。稀土金属原子（REM）掺杂硅团簇（REMSin）不但使其稳定,而且作为一种新的功能材料的基元,在新材料的设计领域中有着极为重要的价值。该项目主要以REMSin为研究对象,利用计算化学方法确定它们的基态结构、探寻计算它们物理化学性质的可靠方案。获得一些有价值的科学结论如下： 1、双杂合的mPW2PLYP或B2PLYP密度泛函结合aug-SEG/ECP基组对REM和aug-cc-pVTZ基组对Si方法即可以准确预测它们中性分子及其阴离子的基态结构,又可以精确预测它们的一些性质。 2、计算了REMSin （REM=Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Ho,Yb,Lu,Sc,n≤10）和它们阴离子的基态结构以及PrSin和HoSin （n=12-20）的基态结构。对中性分子来说它们的基态结构主要是取代结构,即REM取代Sin+1团簇中的一个硅原子而获得。当中性分子获得一个电子时,这个额外的电子作用是很强的,尤其对REM的4f电子参与成键的阴离子,从n=6开始其阴离子的基态结构不同于其中性分子。 3、REMSin可分成两类,一类是REM的4f电子不参与成键,一类是REM的4f电子参与成键,参与成键的方式是4f电子首先跃迁到5d轨道,然后5d轨道与硅簇作用。知道了成键的本质,也就能很好地解释为什么REM掺杂硅团簇的光电子能谱分成两类的原因。 4、预测的40个有可靠实验值团簇的电子亲合能的平均误差在0.05 eV之内。模拟光谱和实验光谱很好地吻合。根据理论计算值和模拟光谱重新分配了REMSi4 （REM=Pr、Gd、Ho）的实验值。预测了NdSin、PmSin（n＜10） 等团簇的电子亲合能。 5、计算了REMSin磁性,它们的磁性主要是由REM提供,并不存在磁性淬灭。前稀土金属掺杂硅簇的磁性和REM相差不大,后REM掺杂硅簇的磁性有的大于REM。 6、REM掺杂硅簇明显改善其光敏感性,除了GdSin和HoSin,提高光敏感性的次序为EuSin ≈ SmSin ＞ PmSin ≈ NdSin ＞ PrSin ＞ TbSin。 7、计算了它们的相对稳定性,REMSin的相对稳定性次序为GdSin ＞ TbSin ＞ PrSin ＞ NdSin ＞ PmSin ＞ HoSin ≈SmSin ≈ EuSin。
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