Skip to main content
SUPERVISOR
Hadi Akbar zadeh,Seyed Javad Hashemifar
هادی اکبرزاده (استاد راهنما) سید جواد هاشمی فر (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mahdieh Aghajani
مهدیه آقاجانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Quantum Mechanical Calculation of Structural, Electronic, Magnetic and Dynamical Properties of Con and Con-1Au (n <= 6) Nanoclusters
Magnetic nanoparticles such as Cobalt nanoclusters exhibit superparamagnetic and ferromagnetic behaviors controlled by the particle size and interaction. Superparamagnetic nanoparticles have widespread biomedical applications such as drug delivery, hyperthermia and magnetic resonance imaging (MRI). The high surface area to volume ratio of nanoparticles results in oxidation in the air. Ferromagnetic nanoparticles with their antiferromagnetic oxidized shell (e.g. Co/CoO) have shown an exchange bias effect. Although this effect is useful for magnetic recording and Spintronics application, it prevents superparamagnetism. Hence for biomedical application, Co nanoparticles are coated with Gold (Au) shell to prevent surface oxidation. Therefore accurate theoretical understanding of Au-Co nanoparticle interaction would be helpful for improving their biomedical application. In this thesis, absorption of one Au atom on Co nanoclusters is investigated in the framework of density functional theory (DFT) calculations by using the all electron full potential code FHI-aims (Fritz Haber institute ab initio molecular simulations). FHI-aims employs atom-centered numerical orbitals basis set that is both computationally efficient and accurate. First, we report the calculated structural, electronic and magnetic properties of bulk Co.. Comparing the obtained Co dimer results within five different exchange correlation functionals (such as PW-LDA, BLYP, RPBE, PBE and PBEsol), we observed better performance of BLYP functional for Co nanoclusters, hence rest of calculations were carried out with this functional. Stable geometries, binding and dissociation energies, ionization potentials, electron affinities, HOMO-LUMO gaps, magnetic properties, vibrational frequencies and infrared absorption spectrums of Co n and Co n-1 Au (n ? 6) nanoclusters are calculated in the scalar relativistic collinear magnetic level. The stable structures of Co nanoclusters mainly are obtained to be three dimensional. It is explained that the Jahn-Teller effect plays an important role in the stable structure of cobalt nanoclusters. Magnetic moments of Co atoms are aligned ferromagnetically and are enhanced with respect to the bulk value. It is observed that the magnetic moments are more sensitive to the average coordination number relative to the average bond length. Absorption of one Au atom decreases magnetization because of deduction of symmetry and average coordination number of nanoclusters. Considering electronic, chemical and dynamical stability, magic number of Co nanoclusters is concluded to be six and somewhat four, while the most stable Co n-1 Au nanoclusters was found to be Co 3 Au. We showed that the GW correction significantly improves the ionization potentials, electron affinities and HOMO-LUMO gaps toward experimental values.
نانوخوشه‌های کبالت از جمله نانوذرات مغناطیسی هستند که ویژگی‌های مغناطیسی جالب توجهی دارند. بروز رفتار ابرپارامغناطیسی در اندازه‌های کوچکتر از ابعاد تک حوزه‌ی مغناطیسی، منجر به کاربرد این نانوذرات در بیوپزشکی می‌شود. به علت بالا بودن نسبت سطح به حجم، واکنش پذیری نانوذرات بسیار بالا بوده و به راحتی در معرض هوا اکسید می‌شوند. برای جلوگیری از اکسید شدن نانوذرات به منظور کاربردهای بیوپزشکی، معمولاً نانوذرات را با پوسته‌ای از فلزات معدنی نجیب از قبیل طلا می‌پوشانند. در این پایان نامه اولین گام برای پوشش نانوذرات کبالت یعنی جذب یک اتم طلا مورد بررسی قرار گرفته شده است. بسته‌ی محاسباتی مورد استفاده، نرم‌افزار "شبیه‌سازی مولکولی ابتدا به ساکن موسسه‌ی فریتز هابر (FHI-aims)"است که بر اساس نظریه‌ی تابعی چگالی به توصیف دقیق و کارآمد تمام‌الکترونی و پتانسیل کامل ویژگی‌های اتم‌ها، مولکول‌ها، نانوذرات و جامدات می‌پردازد. در این بسته از توابع اتم-مرکز عددی به عنوان توابع پایه استفاده می‌شود که عامل سرعت و دقت این بسته‌ی محاسباتی محسوب می‌شود. در حال حاضر FHI-aims برای هندسه‌های غیرتناوبی (خوشه‌گونه) قابلیت اعمال تصحیحات بس‌ذره‌ای مانند تصحیح GW را دارد که در این پایان‌ نامه از آن استفاده شده است. ابتدا خواص ساختاری، الکترونی و مغناطیسی بلور کبالت به عنوان مقادیر حدی خواص نظیر در نانوخوشه‌های کبالت محاسبه شده است. صحت نتایج حاصله، با تکرار محاسبات توسط بسته‌ی WIEN2k تأیید شد. با مقایسه‌ی نتایج بدست آمده از تابعی‌های تبادلی همبستگی مختلف، تابعی BLYP برای توصیف مناسب نانوخوشه‌های کبالت انتخاب شد و محاسبات با استفاده از آن انجام شد. خواص ساختاری (هندسه‌ پایدار)، الکترونی (انرژی پیوند، انرژی واپاشی، پتانسیل یونش، الکترون‌خواهی، گاف HOMO-LUMO و غیره)، مغناطیسی و دینامیکی (بسامدهای ارتعاشی و طیف جذبی فروسرخ) نانوخوشه‌های Co n و Co n-1 Au (6 n ?) به صورت نسبیتی اسکالر و اسپین-قطبیده‌ی هم‌خط محاسبه شد. هندسه‌های پایدار خوشه‌‌های کبالت، عمدتاً سه بعدی بدست آمدند که در آن‌ها واپیچش یان‌-تلر عاملی مهم در تعیین هندسه‌‌ی پایدار است. جذب یک اتم طلا به خوشه‌های دو ‌تا چهارتایی کبالت، به دلیل هیبریدشدگی قوی sd در پیوند طلا-کبالت، باعث پایداری ساختارهای یک یا دوبعدی می‌شود. اتم‌های کبالت در نانوخوشه‌های Co n به طور فرومغناطیسی نظم یافته‌اند و مغناطش آن‌ها بیشتر از مغناطش بلور hcp کبالت بدست آمده است. عدد هم‌آرایی میانگین نسبت به طول پیوند میانگین نقش بیشتری در مغناطش دارد و جذب اتم طلا به دلیل کم‌کردن تقارن سیستم و در نتیجه کاهش عدد هم‌آرایی، به کاهش مغناطش نانوخوشه منجر می‌شود. عدد جادویی نانوخوشه‌های Co n ، با احتساب پایداری الکترونی، شیمیایی و دینامیکی، برابر با 6 بدست آمد، هرچند خوشه‌ی چهارتایی نیز تا حدودی پایدار بدست آمد. پایدارترین نانوخوشه‌ی Co n-1 Au، خوشه‌ی چهارتایی (4n = ) بدست آمد. اثر تصحیح GW بر پتانسیل یونش و الکترون‌خواهی بسیار چشمگیر است و نتایج بدست آمده پس از اعمال تصحیح GW به مقادیر نظیر تجربی نزدیک هستند. این تصحیح متعاقباً به بهبود چشمگیری در گاف HOMO-LUMO سیستم نیز منجر می‌شود.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی