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广西大学 硕士学位论文 Al基合金团簇结构和性能研究 姓名：徐海龙 申请学位级别：硕士 专业：理论物理 指导教师：欧阳义芳 20090628 A l 基合金团簇结构和性能研究 摘要 近年来，对于原子团簇的研究已经逐步发展成为一个重要的学科领域， 对它的深入研究有助于揭示从微观的单个原子、分子到宏观凝聚态的演变 规律，为微观尺度材料的合理设计和改性提供科学依据铝基非晶合金一 直以其优异的力学性能、较高的热稳定性、抗腐蚀性能、质轻、延展性好 等特点，在航空、建筑等领域得到了广泛的应用一般认为，非晶结构中 存在合金团簇，所以对铝团簇以及铝基掺杂团簇的研究对更进一步理解非 晶态铝基合金的结构有重要的意义 本文采用基于密度泛函( D F T ) 的D M O L 3 程序优化了铝团簇及其掺杂团 簇的几何结构对A l 3 团簇，优化了五种典型的中性及带电团簇的几何结 构，并计算了其结合能、电子态密度等性质对A l l 3 、A l l 3 一和A 1 1 3 + 团簇来 说，其稳定结构都为高对称性的正二十面体，而不是其它对称性的十面体、 类面心立方等异构体另外比较A l l 3 团簇的结合能可以发现，C 。

异构体的 结合能最低，因而解释了在大块材料中变形的二十面体结构普遍存在的原 因 对于铝基掺杂团簇，研究了A l l 3 ．n F e n ( n = l ，2 ) 和A 1 1 3 ．n Z r ．( n - - 1 ，2 ) 掺杂团簇的几何结构计算结果发现，对于掺杂团簇，团簇稳定的结构随 着掺杂原子的个数和替代位置的变化而变化并且对于A l 3 掺杂团簇，少 量铁、锆掺杂对团簇结构的影响类似n = 1 时，掺杂原子代替正二十面体 表面的铝原子时得到最稳定的结构而n = 2 时，掺杂团簇最稳定的构型则 为掺杂原子占据正十面体中心和表面原子时的结构 关键字：铝团簇掺杂团簇几何优化 T H ES T R U C T U R EA N DP R O P E R T I E S O FA L U M I N U MA N D D O P E DA L U M I N I U MC L U S T E R S A BS T R A C T A t o m i cc l u s t e r sa r et h ea g g r e g a t e so ff i n i t en u m b e ro fm o m sw i t hr e l a t i v e s t a b i l i t y ．C l u s t e r sf i l lt h eg a pb e t w e e nm i c r o s c o p i ca t o m so rm o l e c u l e sa n d m a c r o s c o p i cc o n d e n s e dm a t t e r sa n de x h i b i t n o v e lp h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e sd e p e n d e n t o ns i z e ．T h es t u d i e so fc l u s t e r s h e l pt od e s i g nn e w m a t e r i a l su s i n gc l u s t e r sa st h eb u i l d i n gb l o c k s ．A l u m i n u mb a s ea m o r p h o u s a l l o y sh a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si na v i a t i o na n ds p a c ef l i g h td u et oi t se x c e l l e n t p r o p e r t i e s ，s u c ha sh i g hs t r e n g t h ，h i g ht h e r m a ls t a b i l i t y , c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n d e x c e l l e n tb e n d i n ga b i l i t y ．S oi ti si m p o r t a n tt os t u d ya l u m i n u mc l u s t e r sa n d d o p e dc l u s t e r s o fa l u m i n u mb a s e dt ou n d e r s t a n dt h es t r u c t u r eo fa l u m i n u m a m o r p h o u sa l l o y s ． D M O L 3 p r o g r a mb a s e do nd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( D F T ) w a su s e di nt h i s w o r k ．T h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fs e v e r a lt y p i c a li s o m e r sw i t hh i g h s y m m e t r y ( I h ，D 3 h ，D s h ，O h ，C s ) f o rA l l3w e r es t u d i e d ，a n dt h el o w e s t —e n e r g y c o n f i g u r a t i o n sw e r eo b t a i n e df o r13 - a t o mA 1c l u s t e r sw i t hd i f f e r e n tc h a r g es t a t e s ( A I l 3 ，A I l 3 一a n dA 1 1 3 + ) ．W ef o u n dt h a tt h em o s ts t a b l es t r u c t u r e so f A l l 3 ，A 1 1 3 一， A 11 3 + c l u s t e ra r ea l li c o s a h e d r o n ，r a t h e rt h a nd e c a h e d r o n ，d i s t o r t e di c o s a h e d r o n o ro t h e ri s o m e r s ．F o rA l l3c l u s t e r , t h eC si s o m e rh a st h el o w e s tb i n d i n ge n e r g y , w h i c he x p l a i n e dt h ep h e n o m e n o nt h a tt h ed i s t o r t e di c o s a h e d r o nc a nb ef o u n di n b u l km a t e r i a l sv e r ye a s i l y ． T h ed o p e dc l u s t e r so f A l l 3 ．n F e n ( n = 1 ，2 ) a n d A l l 3 ．n Z r n ( n = 1 ，2 ) w e r ea l l s t u d i e di nt h i sw o r k ．W i t ht h ed o p e da t o m si n c r e a s i n g ，t h em o s ts t a b l es t r u c t u r e s w o u l dc h a n g ef o rt h ed o p e dc l u s t e r s ．A n df o rA 1 1 3 ．n F e n ( n = 1 ，2 ) a n dA l l 3 - n Z r n ( n = 1 ，2 ) d o p e dc l u s t e r se x h i b i tt h es i m i l a rp h e n o m e n o n ．T h es t r u c t u r ew i t h t h e d o p e da t o mo c c u p i e st h e s i t eo fo n eA 1a t o ma tt h es u r f a c eo ft h e i c o s a h e d r o nb e c o m e st h em o s ts t a b l e ．F o rt h ed o p e dA l ll X 2 ( X = F eo rZ r ) c l u s t e r s ，t h em o s ts t a b l es t r u c t u r ei st h ed e c a h e d r o nw i t ho n ed o p e da t o ml o c a t e d a tt h ec l u s t e rc e n t e ra n dt h eo t h e rl o c a t e da tt h es u r f a c eo fc l u s t e r ． K E YW O R D S ：A l u m i n u m c l u s t e r ；D o p e dc l u s t e r ；I s o m e ro p t i m i z a t i o n I V 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。

除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢 论文作者签名：待掰7 0 2 9 年／月／矿同 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容 请选择发布时间： 酿I 】时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：{ f 孑通范导师签名： 山一年 占其，·甚 广西大学硕士学位论文^ l 基合金团簇结构和性能的研究 第一章、绪论 §1 ．1 团簇的物理意义和基本性质 §1 ．1 ．1 团簇的物理意义 原子分子团簇，简称团簇( c l u s t e r ) ，是由几个到几千个原子、分子或者离子通过一 定的键合方式构成的相对稳定的聚集体，直径大约从零点几个到几十个纳米。

团簇的物 理和化学性质随着所包含的原子数目而变化，是介于微观原子分子与宏观凝聚态物质之 间物质结构的新层次l l 】 作为介于微观原子、分子与大块物质之间物质结构新层次的团簇，拥有很多既不能 归结为单个原子分子又不能归结为大块物质的特性【2 1 A 、团簇和同是原子组成的分子相比：分子一般具有确定的原子组成成分，并且大 多数的分子都有自己的固定结构但是团簇没有确定的原子组分，它可以由几个到几千 个原子组成而且团簇的性质和结构与所包含的原子的种类和数目密切相关【3 】，即使包 含一定数目原子的团簇的构型也不确定，它有很多可能的构型，尽管在这些构型当中有 一个“最稳定”的。