SUPERVISOR
Seyed Javad Hashemifar,Hadi Akbar zadeh
سید جواد هاشمی فر (استاد راهنما) هادی اکبرزاده (استاد مشاور)
STUDENT
Hamideh Kahnouji
حمیده کهنوجی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
First– P rinciples S tudy o f S tructural , E lectronic , M agnetic and V ibrational P roperties of Copper N anocluster and I ts A lloys W ith P alladium B y u sing F ull P otential S oftware FHI-aims
Of the most prominent properties of Nanoparticles is the high ratio of surface to volume which causes the domination of the surface properties and results in novel properties comparing with the corresponding bulk material. One of the consequences of surface properties is the enhancement in the chemical activity of the system that may improve the efficiency of the chemical catalyses in an effective manner. Copper nanoparticles have various applications in catalyses and industries; therefore, in this thesis, the properties of pure and alloyed copper nanoclusters are studied via ab-initio calculations by using the computational packet of ' Frite Habber Institue-ab initio molecular simulation' (FHI-aims). This all electron and full potential calculation packet is used to explain the molecules and materials properties efficiently and precisely. In the software FHI-aims, one may obtain almost the precise position of the Highest Occupied Molecular Orbital( HOMO) and Lowest Uno ccupied Molecular Orbital ( LUMO) and consequently the electronic properties of the system via implying the many body GW correction . At first, in order to verify validity of the FHI-aims calculations, C opper dimer were calculated by using FHI-aims and Wien2k packets . The correspondence of the two sets of results ensured us in continuing the calculation by the FHI-aims software. Then, the input parameter optimization and choosing the proper exchange-correlation functional were performed and the structural, magnetic, vibrational and electronic properties of the pure nanoclusters of copper including dimer through nine atomic clusters were studied. A structural transition from two dimension to three dimension was observed between the six and seven atomic nanoclusters and accordingly a peak is seen in the values of average coordination number of atoms and the average bond length. N anoclusters with even number of atoms are more stable because of their closed electronic shell and among even clusters, two and eight atomic systems were found as magic numbers of pure Cu Copper . On the other hand, Although bulk Copper is a non-magnetic material, we observe that clusters with odd number of atoms have a finite magnetic moment. It is a kind of atomic like magnetism which is originated from the uncompensated spin moment of a single unpaired electron of Copper . T he calcaluted electronic properties including ionization potential, electron affinities and chemical hardness confirm the more stability of the even nanoclusters. In order to improve the catalyses properties of the Copper nanoclusters, these nanoclusters are alloyed with palladium. Hence, the effect of substituting one or two Palladium atoms in the two through nine atomic pure nanoclusters, and then the structural, electronic, vibrational and magnetic properties of the alloy nanoclusters were studied. It was observed that average bond length of nanoclusters of Cu n- 1 Pd and Cu n- 2 Pd 2 are more than the corresponding values in the pure copper nanoclusters .The theoretical magic numbers of Cu n- 1 Pd and Cu n- 2 Pd 2 were found to be (3,7) and (3,4,8). , more over, we observ ed that s table Cu n- 2Pd 2 clusters are made of Cu 2Pd 2 pyramid and consequently Pd atoms in Cu n- 2 Pd 2 tends to bond together . Keywords: Density functional theory, Cu cluster, Cu n- 1 Pd and Cun- 2 Pd 2 clusters , N umerical atom centred orbitals, FHI- aims
ازمهمترین خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است، که باعث غالب شدن آثار سطحی و در نتیجه ایجاد ویژگیهای جدید و متفاوت با انبوهه در آنها میشود. یکی از تبعات آثار سطحی ، افزایش فعالیت شیمیایی سیستم است که بدین وسیله میتوان کارآیی کاتالیزورهای شیمیایی را بهنحو موثری بهبود بخشید. نانوذرات مس از جمله نانوذرات فلزی هستند که دارای کاربردهای فراوان در کاتالیزورها و صنایع گوناگون هستند از این رو در این پایاننامه ویژگیهای نانوخوشههای مس، با استفاده از محاسبات ابتدا به ساکن مورد بررسی قرار گرفته است.در این پروژه از بستهی محاسباتی "شبیه سازی مولکولی ابتدا به ساکن موسسه فریتز هابر ( (FHI- aims استفاده کردهایم. این بستهی محاسباتی تمامالکترونی و پتانسیل کامل برای توصیف دقیق و کارآمد ویژگیهای مواد و مولکولها به کار میرود. در نرمافزار FHI- aimsبا اعمال تصحیح بسذرهای GW بر ترازهای مجازی کوهن-شم میتوان محل نسبتاً دقیق ترازهای HOMOو LUMO را بهدست آورد و در نتیجه خواص الکترونی سیستم را محاسبه کرد. در ابتدا به منظور اطمینان از صحت محاسبات خواص بلور و دوتایی مس با دو نرمافزار FHI- aims و Wien2k محاسبه و با هم مقایسه کردیم. تطابق نتایج بهدست آمده با این دو نرمافزار ، ما را از ادامهی محاسبات با نرمافزار FHI- aims س پس بهینهسازی پارامترهای ورودی و انتخاب تابعی تبادلی-همبستگی مناسب مورد بررسی قراز گرفت و با استفاده از پارامترهای بهینه، خواص ساختاری ، مغناطیسی ، ارتعاشی و الکترونی نانوخوشههای خالص دو تا نه اتمی مس مورد محاسبه قرار گرفت. یک گذار ساختاری از دو بعد به سه بعد بین نانوخوشههای شش و هفتاتمی مشاهده شد. بهصورت یک جهش مشهود در مقادیر عدد هم آرایی و طول پیوند میانگین مشهود است. نانوخوشههای با تعداد زوج اتم به دلیل بسته بودن پوسته الکترونیشان از نانوخوشههای فرد پایدارتر میباشند؛ همچنین خواص الکترونی از جمله پتانسیل یونش ، الکترونخواهی و سختی شیمیایی نیز پایداری نانوخوشههای زوج را تایید میکند. به منظور بهبود خاصیت کاتالیزوری نانوخوشه های مس، این نانوخوشهها را با پالادیم آلیاژ می کنند. از این رو اثر جایگزینی یک و دو اتم پالادیم را در نانوخوشههای خالص دو تا نه اتمی مس مورد بررسی قرار داده و سپس خواص ساختاری، الکترونی، ارتعاشی و مغناطیسی نانوخوشههای آلیاژی را محاسبه کردیم. مشاهده شد که آلیاژ کردن نانوخوشههای خالص مس با پالادیم منجر به تغییراتی در پایداری نسبی و همچنین خواص ساختاری ، مغناطیسی و الکترونی این نانوخوشهها میشود واژه های کلیدی: نظریهی تابعی چگالی ، نانوخوشههای خالص مس ، نانوخوشههای آلیاژی مس-پالادیم ، بستهمحاسباتی ، FHI-,aimsتوابع پایهی عددی اتم مرکز ، خواص ساختاری و الکترونی