SUPERVISOR
Seyed Javad Hashemifar,Mojtaba Alaei
سید جواد هاشمی فر (استاد راهنما) مجتبی اعلائی (استاد مشاور)
STUDENT
Narges Najafvandzadeh
نرگس نجف وندزاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Quantum Mechanical S tudy of the S tructural, E lectronic, M agnetic, V ibrational and T hermal P roperties of Agn and Ag n-m Pd m C lusters (n<9 , m=1, 2)
Silver is the metallic elements, and it has been employed most extensively since ancient times to fight infections and control spoilage. Recently, nanotechnology is employed to increases surface to volume ratio and consequently, increases surface to volume ratio so it will increase the effectiveness and reactivity of matters, by producing nanoparticles. Silver nanocluster are ideal candidates for catalysis and antibacterial applications. Alloying silver with other metals such as palladium will help to increase catalytic properties. In this thesis, we applied the computer program package " Fritz Haber Institute ab initio molecular simulations (FHI-aims) '' , to study structural, electronic, magnetic and vibrational properties of pure silver nanoclusters and silver-palladium alloy (Ag _n-1 Pd and Ag n-2 Pd 2 ) nanoclusters. This computational package is primarily based on the density functional theory , although some many-body corrections such as GW self-energy are also involved. In order to verify the the accuracy of the FHI-aims calculations, structural and electronic properties of dimer and crystal of silver has been reinvestigated by using the computational package WIEN2k. We observed good agreement between the results of two packages. After optimization of input parameters and selection of appropriate exchange-correlation functional, the Two to nine atomic silver clusters investigated and for each cluster more stable structures are determined . The Jahn–Teller effect is observed in structural relaxation of high symmetry structures. Next, the average coordination number and bond length, d issociation energy and electron affinity energy, ionization potential, HOMO-LUMO energy gap, magnetic moment and vibrational properties of the most stable clusters were calculated. Finally, the general trend of the effect size on these properties were investigated. Calculations show that up to size of 6 (heptamer), silver clusters prefer two dimensional (2D) planar structures while larger clusters stabilize in 3D geometries. we observed that by increasing the cluster size, both average coordination number and bond length quantities as well as binding energy smoothly approach the corresponding bulk values. Presence of a pair electron in HOMO level of silver clusters with even number of atoms makes these systems non- magnetic and also more stable than odd clusters. The calculated binding energies and second order energy differences confirm 2 and 8 as the magic numbers of pure silver clusters, in agreement with experiment. After determining the most stable structures of clusters of silver-palladium alloys, it was seen that in the Clusters of silver alloy with one palladium atom (Ag _n-1 Pd ), structural transition from two dimension to three dimension occurs at the seven atoms cluster, similar to the pure silver clusters. Moreover, stable atomic configurations of the the allay clusters having less than seven atoms are similar to the corresponding to the pure silver clusters. On the other hand, the most stable structure of alloy clusters with two palladium atoms ( Ag n-2 Pd 2 ) at least four atoms, are three dimensional structure. Comparing with the literature data, we observed that atomic configuration Ag n-2 Pd 2 clusters are similar to the corresponding pure palladium clusters. our calculations show that the relative stability and consequently magic numbers of silver-palladium alloy clusters, compared with the pure silver clusters, has changed. Keywords: D ensity functional theory , FHI- aims, Ag cluster , AgPd cluster , M agic number, GW correction
نقره از جمله عناصری فلزی است که بهواسطه ی خواص آنتیباکتریال که از خود نشان میدهد ، از زمانهای گذشته مورد استفاده بوده است. امروزه با استفاده از فناوری نانو و باتوجه به اینکه در مقیاس نانومتر نسبت سطح به حجم افزایش و میزان اثرگذاری و واکنشپذیری این ماده نیز فزونی مییابد؛ از نانوخوشههای نقره بهعنوان کاتالیزور و یک ماده ضدعفونیکننده استفاده میشود. آلیاژ کردن این ماده با عناصر دیگر نظیر پالادیم که یک فلز گران قیمت و یک کاتالیزور بسیار خوب در حالت بلوری و در مقیاس نانومتر میباشد علاوهبر افزایش خواص کاتالیزوری باعث صرفهی اقتصادی نیز خواهد شد. در این پایاننامه با استفاده بستهی محاسباتی "شبیهسازی مولکولی ابتدا به ساکن موسسهی فریتز هابر( FHI- aims) `` نانوخوشههای خالص نقره و نانوخوشههای آلیاژی نقره با یک و دو پالادیم بررسی شده است. این بسته محاسباتی در درجه اول متکی بر اصول نظریه تابعی چگالی است ، همچنین تصحیحات بس ذرهای مانند خود انرژیهای GW را نیز در برمیگیر د. در ابتدا به منظور تایید محاسبات انجامشده با این کد ، خواص ساختاری و الکترونی دو تایی و بلور نقره با استفاده از بستهی محاسباتی WIEN2k نیز محاسبه شد و همخوانی بسیار خوبی بین نتایج بهدست آمده از این دو بسته محاسباتی مشاهده شد. پس از بهینهسازی پارامترهای ورودی و انتخاب تابعی تبادلی-همبستگی مناسب ، در مرحلهی بعد ، ساختارهای مختلف نانوخوشههای دو تا نه اتمی نقره بررسی و پایدارترین ساختار برای هر خوشه تعیین شد. دیده شد که اثر یانتلر یک عامل تعیین کننده در هندسهی نانوخوشه های پایدار نقره میباشد. و در نهایت خواص ساختاری ، الکترونی (انرژی واپاشی و الکترونخواهی ، پتانسیل یونش ،گاف انرژی HOMO-LUMO )، مغناطیسی و ارتعاشی این خوشهها محاسبه و روند کلی اثر اندازه بر این خواص بررسی شد. محاسبات انجامشده نشان میدهد که خوشههای کوچکتر از هفت اتم داری ساختارهای دو بعدی و خوشههای بزرگتر دارای هندسههای سه بعدی میباشند. همچنین همگرایی طولپیوند میانگین ، عدد همآرایی میانگین و انرژی بستگی این خوشهها به مقادیر نظیر در حالت انبوهه مشاهده شد. مشاهده کردیم که خوشههای خالص با تعداد اتم زوج نسبت به خوشههای با تعداد اتم فرد پایدارترند. برای خوشههای آلیاژ شدهی نقره با یک و دو اتم پالادیم بعد از تعیین ساختارهای پایدار مشخص شد که در خوشههای آلیاژی نقره با یک پالادیم نیز گذار از ساختار دو بعدی به سه ساختار سهبعدی از نانوخوشهی هفت اتمی آغاز میشود و همچنین ساختار هندسی نانوخوشه آلیاژی کوچکتر از هشت اتم مشابه خوشههای خالص نقره میباشد. در حالی که در مورد خوشههای آلیاژی نقره با دو پالادیم از نانوخوشهی چهار اتمی به بعد ساختارهای سهبعدی پایدار هستند و هندسه این نانوخوشههای آلیاژی و بیشتر به ساختار هندسی خوشههای خالص پالادیم نزدیک میباشد . علاوهبر این تفاوت رفتار ، پایداری نسبی (اندازه جادویی) با آلیاژکردن خوشههای خالص نقره تغییر کرده است. واژه های کلیدی: ا نظریه تابعی چگالی، FHI-aims ، نانو خوشههای نقره، نانو خوشههای آلیاژی نقره-پالادیم ، اندازهی جادویی، خواص الکترونی ، خواص ارتعاشی ، تصحیح بسذرهای