IVB和VB过渡族金属碳化物及其表面的结构和电子态的第一原理研究
凝聚态物理简介
可以预见，随着团簇研究的深入发展，新现象 和新规律不断揭示，必然出现更加广阔的应用前景。 通过几十年对团簇的研究，人们对团簇已经有了基 本的认识，积累了大量的实验和理论知识。但是， 由于团簇自身的多样性和复杂性，团簇还有许多值 研究探索的内容，团簇研究正不断取得新的进展 。
2 .团簇物理学研究内容 团簇物理学是研究团簇的原子组态、电子结构、 物理和化学性质向大块物质演变过程中呈现出来的特 征和规律 。首先，团簇的基态构型一直扮演着很重 要的角色。团簇正确基态结构的寻找一直是团簇研究 的基础，一般对团簇相关性质的研究一直建立在理论 方面正确预测的几何结构的基础之上。
鉴于国际上团簇研究仍处于发展初期，这个领 域还有待于我们去积极而严谨的探索：一方面向小 尺寸发展，深入到团簇内部原子和电子的结构和性 质，弄清物质由单个原子、分子向大块材料过渡的 基本规律和转变关节点；另一方面向大尺度发展， 研究由团簇构成各种材料包括超激粒子的结构和性 质，同时促进团簇基础研究成果向应用方面转化。
团簇研究的基本问题是弄清团簇如何由原子、 分子一步步发展而成，以及随着这种发展，团簇的结 构和性质如何变化，当尺寸多大时，发展成为宏观物 体 。尽管团簇结构对其独特的性质起着关键作用， 但决定团簇结构是非常困难的，仍没有能够确定自由 团簇几何构型的直接的实验方法。因为纳米团簇使用 衍射技术探测显得太小，而用光谱技术探测又显得过 大,从而该尺度的团簇结构只能用间接的实验方法或 理论计算决定。
密度泛函理论描述所有基态性质都是电荷密度 的 函数，由Hohenberg-Kohn定理，根据薛定愕方程，能 量的泛函包括三部分：动能、外势场的作用及电子间 的相互作用。这里所处理的基态是非简并的，不计自 旋的全同费米子（这里指电子）系统的哈密顿量为: H=T+U+V （4） 其中T为动能项；U为库仑排斥项；为对所有粒子 都相同的局域势，V表示外场的影响。
CeCuGa3电子结构的第一性原理计算研究
CeCuGa3电子结构的第一性原理计算研究【摘要】我们采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算研究了CeCuGa3材料的电子结构。
我们计算确定了其基态磁结构，解释了其形成的原因。
【关键词】稀土金属Ce化合物磁结构费米面电子结构1 引言稀土金属Ce化合物由于具有重费米子行为，不同类型的磁有序等独特的物理性质而引起了科学研究的极大兴趣。
其中晶体结构为BaAl4的CeCuxGa4-x化合物最为代表。
最早报道CeCuGa3在3.5K温度下，其基态为铁磁态[1]。
另外Mentink 等人报道直到温度低到0.4K，CeCuGa3基态为顺磁态[2]。
而Martin等人通过对多晶CeCuGa3样品的研究，发现材料显示近藤晶格行为并且基态为反铁磁态[3]。
最近，Joshi等人再次通过实验对单晶CeCuGa3样品进行了晶体结构和磁学性质的研究，发现材料为4K以下的铁磁态[4]。
面对以上对于样品CeCuGa3相互矛盾的磁基态的报道，本文就采用基于密度泛函理论的vasp软件包对该材料的电子结构和磁学性质进行了计算并讨论了其磁基态性质。
2 模型构建和计算方法CeCuGa3晶体属于四方晶系结构，实验报道空间群为I4/mmm，No.139，如图1所示。
晶格常数a=b=4.273，c=10.44，α=β=γ=90°。
本文计算采用基于密度泛函理论（density functional theory，DFT）的V ASP（Vienna ab-initio simulation package）软件包进行计算。
计算步骤可以概括为三步：（1）对晶胞模型内部原子位置进行结构优化；（2）对材料进行磁构型计算，确定材料磁性基态。
（3）用广义梯度近似法（generalized gradient approximation，GGA）对优化后的理论模型进行单电子能量计算，对单电子能量计算结果进行总态密度（total density of states，TDOS）和分波态密度（partial density of states，PDOS）分析。
过渡元素的结构特点与基本性质
过渡元素的结构特点与基本性质元素周期表中第四、五、六七周期元素中，第ⅢB~ⅤⅢ族，共25种元素，统称为过渡元素。
过渡元素的单质都是金属，所以也称为过渡金属元素。
见表16.1.5s0，是一种例外的电子排布)。
镧系、锕系的元素的电子排布，增加的电子填入(n-2)f亚层，例如：57La 4f 05d1 6s 2，在结构上，它们最外层二个电子层都是未充满的，因此在元素周期表的划分上不属于过渡金属元素，而属于内过渡元素。
也称之为镧系、锕系元素。
镧系57La ~ 71Lu （15种元素） 4f 0~145d0-1 6s2锕系89Ac~103Lr铹（15种元素）5f 0~146d0~1 7s216.1.1 价电子构型过渡金属价电子构型的通式为：(n-1)d1~9 ns1~2。
原子核外电子排布遵循能量最低原理、保里不相容原理和洪特规则。
L. Pauling 原子轨道近似能级图如下：1s; 2s 2p ; 3s 3p; 4s 3d 4p; 5s 4d 5p; 6s 4f 5d 6p ; 7s 5f 6d也有一些电子排布例外的情况，例如：Z = 24，41 ~ 46：Nb 铌4d45s1不是4d35s241W 钨 5d46s2不是4d55s142Ru 钌4d75s1不是4d65s244Rh 铑4d85s1不是4d75s245Pd 钯4d105s0 不是4d85s24616.1.2 氧化态的规律过渡金属元素常表现为多种氧化态，其根本原因在于内层电子的排布，过渡金属外层电子排布为：(n-1)d1~9 ns1~2 ，(n-1)d轨道与ns轨道能量相近，部分(n-1)d电子参与成键。
例：Mn：+2 ~ +7均出现，主要+2，+3，+4，+6，+7.Fe：+2 ~ +6均出现，主要+2，+3，+6.过渡金属元素的最高氧化态与所在的族相等，最高氧化态= 所处的族数例：Sc +3 Ⅲ3d14s2Cr +6 Ⅵ3d54s1Mn +7 Ⅶ3d54s1但Ⅷ族：多数最高氧化态小于其族数，是因为随着有效核电荷的增加（Z *↑），不是所有(n-1)d 电子都参与成键。
Ag-La系二元化合物结构与电子性能的第一性原理研究
Ag-La系二元化合物结构与电子性能的第一性原理研究高恩强;张照超;阮海光;黄福祥;陈志谦;王兰兰【摘要】通过第一性原理方法系统地研究了Ag-La系四种二元化合物的相结构稳定性和电子结构，包括B2-LaAg、LaAg2、La14Ag51和α-LaAg5。
结构优化后的平衡态晶体参数及质量密度与实验值相符。
结合能表明，随La浓度的增加，化合物的键合强度和稳定性提高。
Ag-La系4种二元化合物的生成焓分别为-21．7，-26．8，-22．9，-18．1kJ／mol，与实验值或CALPHAD的理论值相符。
电子结构表明这些化合物是导体，其原子间的价键性质是由金属键、离子键和共价键构成，其中：离子键是由Ag原子从La原子中得到电子形成的，共价键是由Ags-p及Agp-Lad杂化构成的。
并且这些化合物的共价键和离子键随着La浓度的增加而增强，使得Ag-La化合物稳定性提高。
【期刊名称】《重庆理工大学学报》【年(卷),期】2016(030)008【总页数】8页(P45-51,68)【关键词】Ag-La系稀土相电子结构第一性原理【作者】高恩强;张照超;阮海光;黄福祥;陈志谦;王兰兰【作者单位】[1]重庆理工大学材料科学与工程学院,重庆400054;[2]西南大学材料与能源学部,重庆400715【正文语种】中文【中图分类】O641由稀土与银构成的金属间化合物或者合金系化合物在工业应用和固态理论研究上受到广泛关注[1-10]。
在早期的研究中，Ag-La系二元化合物中存在LaAg、LaAg2和。
McMasters等[11]证实了LaAg3事实上是La14Ag51，并且存在LaAg5相，其中LaAg5具有两种存在形式：低温六方MgZn2类型结构和高温不确定的结构，但确定其结构同CeAg5、PrAg5及YbAg5。
低温相α-LaAg5与高温相β-LaAg5间的转变温度还未被确定，大概在770 K[13]。
LaAg2(CeCu2型)和La14Ag51(Gd14Ag51型)的晶体结构由文献[14-15]确定，F.Tambornino详细研究Gd14Ag51型化合物的晶体结构[7]。
配位场理论
2E(eg)＋3E(t2g)＝0 E(eg)－E(t2g)＝△o
由此解得
E(eg)＝0.6△o = 6Dq E(t2g)＝－0.4△o =－4Dq
2 正四面体场 在正四面体场中, 过渡金属离子的五条d轨道同样分裂为两 组, 一组包括dxy、dxz、dyz三条轨道, 用t2表示, 这三条轨道的极 大值分别指向立方体棱边的中点。距配体较近, 受到的排斥作 用较强, 能级升高, 另一组包括dz2和dx2－y2, 以e表示, 这两条轨道 的极大值分别指向立方体的面心, 距配体较远, 受到的排斥作用 较弱, 能级下降。 由于在四面体场中 , 这两组轨道都 在一定程度下避开了配体、没有像八 面体中d轨道与配体迎头相撞的情况,可 以预料分裂能△t将小于△o,计算表明 △t＝(4/9)△o 同样, 根据重心守恒原理可以求出 t2及e轨道的相对能量： △t＝E(t2)－E(e)＝(4/9)△o 3E(t2)＋2 E(e)＝0 四面体场中的d轨道 解得： E(t2)＝1.78Dq E(e)＝－2.67Dq
sp3d2, d2sp3
正八面体
根据配合物的磁矩可以计算配合物中成单的电子数并由此 确定杂化轨道的类型：
＝
n(n 2)
其中n为配合物中的成单电子数, 为配合物的磁矩。
例, 实验测得Co(CN)63－和CoF63－均有正八面体的结构且磁 矩分别为0和4.9 B.M.
Co 3d74s2: Co3＋ 3d6： 在配位后, CoF63－：
(2) 金属离子d轨道的主量子数
在同一副族不同过渡系的金属的对应配合物中, 分裂能值随着d轨道主量 子数的增加而增大。当由第一过渡系到第二过渡系再到第三过渡系、分裂能 依次递增40～50%和20～25%。这是由于4d轨道在空间的伸展较3d轨道远, 5d 轨道在空间的伸展又比4d轨道远, 因而易受到配体场的强烈作用之故。
大学无机化学第六章试题及答案
大学无机化学第六章试题及答案第六章化学键理论本章总目标：1：掌握离子键、共价键和金属键的基本特征以及它们的区别；2：了解物质的性质与分子结构和键参数的关系；3：重点掌握路易斯理论、价电子对互斥理论、杂化轨道理论以及分子轨道理论。
4：熟悉几种分子间作用力。
各小节目标：第一节：离子键理论1:掌握离子键的形成、性质和强度，学会从离子的电荷、电子构型和半径三个方面案例讨论离子的特征。
2:了解离子晶体的特征及几种简单离子晶体的晶体结构，初步学习从离子的电荷、电子构象和半径三个方面来分析离子晶体的空间构型。
第二节：共价键理论1;掌握路易斯理论。
2：理解共价键的形成和本质。
掌握价键理论的三个基本要点和共价键的类型。
3：理解并掌握价层电子对互斥理论要点并学会用此理论来判断共价分子的结构，并会用杂化轨道理论和分子轨道理论来解释分子的构型。
第三节：金属键理论了解金属键的能带理论和三种常见的金属晶格。
第四节：分子间作用力1：了解分子极性的判断和分子间作用力（范德华力）以及氢键这种次级键的形成原因。
2;初步掌握离子极化作用及其强度影响因素以及此作用对化合物结构及性质的影响。
习题一选择题1.下列化合物含有极性共价键的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.KClO3B.Na2O2C.Na2OD.KI2.下列分子或离子中键能最大的是（）A.O2B.O2-C.O22+D.O22-3.下列化合物共价性最强的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.LiIB.CIC.BeI2D.MgI24.极化能力最强的离子应具有的特性是（）A.离子电荷高，离子半径大B.离子电荷高，离子半径小C.离子电荷低，离子半径小D.离子电荷低，离子半径大5.下列化合物中，键的极性最弱的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.FeCl3B.AlCl3C.SiCl4D.PCl56.对下列各组稳定性大小判断正确的是（）A.O2+＞O22-B.O2-＞O2C.NO+＞NOD.OF-＞OF7.下列化合物中，含有非极性共价键的离子化合物是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.H2O2B.NaCO3C.Na2O2D.KO38.下列各对物质中，是等电子体的为（）A.O22-和O3B.C和B+C.He和LiD.N2和CO9.中心原子采取p2杂化的分子是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.NH3B.BCl3C.PCl3D.H2O10.下列分子中含有两个不同键长的是（）A.CO2B.SO3C.SF4D.某eF411.下列分子或离子中，不含有孤电子对的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.H2OB.H3O+C.NH3D.NH4+12.氨比甲烷易溶于水，其原因是（）A.相对分子质量的差别B.密度的差别C.氢键D.熔点的差别13.下列分子属于极性分子的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)l4B.CH3OCH3C.BCl3D.PCl514.下列哪一种物质只需克服色散力就能使之沸腾()A.HClB.CH3Cll4D.NH315.下列分子中，中心原子采取等性杂化的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.NCl3B.SF4C.CHCl3D.H2O16.下列哪一种物质既有离子键又有共价键()2A.NaOHB.H2OC.CH3ClD.SiO217.下列离子中，中心原子采取不等性杂化的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.H3O+B.NH4+C.PCl6-D.BI4-18.下列哪一种分子的偶极矩最大()A.HFB.HClC.HBrD.HI19.下列分子中，属于非极性分子的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.SO2B.CO2C.NO2D.ClO220.下列分子或离子中，中心原子的杂化轨道与NH3分子的中心原子轨道最相似的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.H2OB.H3O+C.NH4+D.BCl321.下列分子或离子中，构型不为直线形的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.I3+B.I3-C.CS2D.BeCl222.下列分子不存在Ⅱ键的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.COCl2B.O3C.SOCl2D.SO323.下列分子中含有不同长度共价键的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.NH3B.SO3C.KI3D.SF424.下列化合物肯定不存在的是（）(《无机化学例题与习题》吉大版)A.BNB.N2H4C.C2H5OHD.HCHO二填空题1.比较大小(《无机化学例题与习题》吉大版)(1)晶格能AlF3AlCl3NaClKCl(2)溶解度CuF2CuCl2Ca(HCO3)NaHCO32.NO+、NO2、NO2-的几何构型分别是、、、其中键角最小的是3.给出晶宝包中离子总数：立方ZnS；NaCl；CCl(《无机化学例题与习题》吉大版)4.CO2是分子；SO2是分子；BF3是分子；NF3是分子；PF5是分子。
金属有机化学2过渡金属络合物的性质
化合物
CH2＝CH2 K[Pt(CH2＝CH2)Cl3] [Pt(CH2＝CH2)Cl2]2 反式[Pt(C2H4)(NH3)Cl2] 反式[Pt(C2H4)(NH3)Br2] [Pd(C2H4)Cl2]2 K[Pd(C2H4)Cl3] [Ag(C2H4)]+ [(C2H4)Mn(CO)3]+AlCl4[(C2H4)Fe(C5H5)(CO)2]+ [(C2H4)Mo(C5H5)(CO)3]+ [(C2H4)W(C5H5)(CO)3]+
很早以前，N.V.Sidgwick提出了一个经验规则： 稳定的过渡金属有机络合物中，金属的电子数与配位体提供的 电子数总和与本周期中的惰性气体的电子数相同。 例如： Ni(CO)4
Ni 原子序数 28，外围28个电子。 4 个CO 2×4＝8 个电子 EAN＝36，与惰性气体Kr的电子构型相同。 [Ag(NH3)4]+ Ag 原子序数 47，外围46个电子。 4 个NH3 2×4＝8 个电子 EAN＝54，与惰性气体Xe的电子构型相同。
这种成键的结果，使烯烃的π轨道中电子云密度 降低，而烯烃的反键轨道π*中电子云密度增加， 意味着烯烃键的削弱，或活化。这可从键长数据 看出，正常的C－C双键键长为1.34Å ，而在烯烃 的过渡金属络合物中，烯烃的键长为1.40－1.47 Å ，说明此双键已具有某些单键的性质，即被活 化了。
烯烃－过渡金属络合物红外光谱数据
M
CO
❖ 实验表明这些络合物C－O键比CO中的C－O键长，红外光谱伸 缩振动频率变小，说明被配位的CO中C－O键被削弱，M－C键 键长要比正常单键短。
V(CO)6－ Cr(CO)6 Mn(CO)6＋ Fe(CO)5
IR(cm－1)
物理硕士专业及研究方向
物理所硕士招生专业及研究方向理论物理主要研究方向1、高温超导体机理、BEC理论及自旋电子学相关理论研究。
2、凝聚态理论；3、原子分子物理、量子光学和量子信息理论；4、统计物理和数学物理。
5、凝聚态物理理论、计算材料、纳米物理理论6、自旋电子学，Kondo效应。
7、凝聚态理论、第一原理计算、材料物性的大规模量子模拟。
8、玻色-爱因斯坦凝聚, 分子磁体, 表面物理，量子混沌。
凝聚态物理主要研究方向1、非常规超导电性机理，混合态特性和磁通动力学。
（1）高温超导体输运性质，超导对称性和基态特性研究。
（2）超导体单电子隧道谱和Andreev反射研究。
（3）新型Mott绝缘体金属－绝缘基态相变和可能超导电性探索。
（4）超导体磁通动力学和涡旋态相图研究。
（5）新型超导体的合成方法、晶体结构和超导电性研究。
2、高温超导体电子态和异质结物理性质研究（1）高温超导体和相关氧化物功能材料薄膜和异质结的生长的研究。
（2）铁电体极化场对高温超导体输运性质和超导电性的影响的研究。
（3）高温超导体和超大磁电阻材料异质结界面自旋极化电子隧道效应的研究。
（4）强关联电子体系远红外物性的研究。
3、新型超导材料和机制探索（1）铜氧化合物超导机理的实验研究（2）探索电子―激子相互作用超导体的可能性（3）高温超导单晶的红外浮区法制备与物理性质研究4、氧化物超导和新型功能薄膜的物理及应用研究（1）超导/介电异质薄膜的制备及物性应用研究（2）超导及氧化物薄膜生长和实时RHEED观察（3）超导量子器件的研究和应用（4）用于超导微波器件的大面积超导薄膜的研制5、超导体微波电动力学性质，超导微波器件及应用。
6、原子尺度上表面纳米结构的形成机理及其输运性质（1）表面生长的动力学理论；（2）表面吸附小系统(生物分子，水和金属团簇)原子和电子结构的第一性原理计算；（3）低维体系的电子结构和量子输运特性(如自旋调控、新型量子尺寸效应等)。
.7、III-V族化合物半导体材料及其低维量子结构制备和新型器件探索（1）宽禁带化合物（In/Ga/AlN，ZnMgO）半导体及其低维量子结构生长、物性、微结构以及相互关系的研究，宽禁带化合物半导体新型微电子、光电子器件探索；（2）砷化镓基、磷化铟基新型低维异质结材料的设计、生长、物性研究及其新型微电子/光电子器件探索；（3）SiGe/Si应变层异质结材料的制备及物性研究。
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Table 1
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FIRST{PRINCIPLES STUDY OF THE STRUCTURES AND ELECTRON STATES OF IVB AND VB TRANSITION METAL CARBIDES AND THEIR SURFACES
Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016 Correspondent: ZHANG Huaizheng, Tel: (024)23971846, E-mail: hzzhang@ Supported by National Key Basic Research and Development Program of China (No.G2000067104) Manuscript received 2005{08{24, in revised form 2005{11{24
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ZHANG Huaizheng, LIU Limin, WANG Shaoqing
ABSTRACT The structures and electronic properties of IVB and VB transition metal carbides and their surfaces are systematically investigated by the rst{principles method. Some important questions are discussed, such as, the common characteristics and distinctions of the surface ripples on the (001) surfaces of the carbides, the e ects of the surface ripple on the surface energy and the sur cial charge distribution, the change trends of the cohesive energy and surface energy of the carbides and their surfaces, and the correlation between the surface energy and the cohesive energy. A new viewpoint is suggested that the cohesive energy of the bulk carbides and the ripple ratio of the (001) surface a ect and determine the surface energy of (001) surface of IVB and VB transition metal carbides together. KEY WORDS rst{principles, density functional theory, carbide, cohesive energy, surface energy