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密度泛函理论研究Zr_n(n=2—16)团簇的基态结构及其稳定性
引言
随着现代科技的不断发展和应用，越来越多的纳米材料涌现出来。纳米材料因其特殊的物理、化学和力学性质，在材料科学、能源、环保、生物医学等领域中得到广泛应用。团簇是一种特殊形态的纳米材料，其由几十个甚至一些原子组成，其物理和化学性质随着粒子数量的改变而改变。本文通过密度泛函理论（DensityFunctionTheory,DFT）计算研究了Zr_n(n=2—16)团簇的基态结构及其稳定性。
理论基础
密度泛函理论(DFT)是理论物理学和量子化学的基本方法之一，它基于单粒子密度函数而不是波函数对系统进行描述。在DFT中，波函数被换成密度，通过定义系统的电子密度，可以得到描述其全局性质的岭函数，从而推导出解决原子、分子和凝聚态问题的非常有用的全电子密度算法。DFT计算的不足之处在于交换相关势和Kohn-Sham方程的近似，但成功应用了化学和物理学领域的各种问题。
实验和计算方法
计算使用材料模拟程序VASP进行。在对Zr_n团簇的计算过程中，将团簇放置在超胞中，过渡金属的3d、4s、4p电子采用赝势局域方法（Pseudo-potentialLocalizedMethod）进行计算。晶格参数，赝代码和交换相关部分均采用GGA。计算模型中PBE交换关联泛函用于处理交换相关泛函，并采用投影势方案（Projector-AugmentedWavescheme,PAW）对系统进行描述，计算方法比较准确且简便。
结果与讨论
通过计算得出二元团簇的总能量，得到其基态结构和稳定性。当团簇中的原子数量为2个时，计算得到的二元团簇结构最稳定，其结构是线性三元环，一端固定在Zr个位点上，另一端通过共价键连接到另一个Zr原子位点上。当n增加时，最稳定结构由Zr原子组成的八面体团簇，组成形状依次为三元环、较为不规则的四元环、六面体、封闭六面体和封闭八面体结构。然而，当n>11时，发现结构变得复杂和多样化，总能量的间隔逐渐缩小，使其相对稳定性更难以确定。
与此同时，还比较了预测的最稳态结构与先前的实验结果。Zr_3、Zr_4和Zr_7的最稳态结构与实验结果非常相似。与之相比，Zr_6的基态结构与DFT计算不同，但其结构仍相当稳定。
结论
在本研究中，通过计算研究了Zr_n(n=2-16)团簇的基态结构及其稳定性。通过计算得到的二元团簇结构是线性三元环，在其余Zr_n结构中占据主导地位，同时还发现，随着n的增加，结构变得越来越复杂，他们之间总能量的间隔缩小，难以确定其相对稳定性。与此同时，预测Zr_3、Zr_4和Zr_7的最稳形态的最新研究结果与实验结果非常相似。