摘要
近些年来，金纳米团簇因为其独特的几何构造和特殊的物理化学特性而备受关注，在催化、生物识别、纳米光子学、环境工程等诸多方面，均展现出了广阔的应用前景。纳米团簇的稳定性、电子和化学性质强烈依赖于其几何结构。本文利用极小跳跃算法结合密度泛函理论(DFT)和高维神经网络势(HDNNP),对金纳米团簇Aun(n=20-60,70,80,90,100,147,309,561,923)的基态结构进行搜索，分析全局极小值的几何结构和电子性质，研究了真空中的金纳米团簇的几何性质和稳定性之间的关系，并且深入研究了不同团簇尺寸与性能之间的相互作用。研究结果表明: (1)Aun(n=20,22,23,26,27,30-35,38,40,45-47,49,51,58,59,90)的全局最小值结构具有较高的对称性，其他均为无定形结构。Aun(n=21-29)纳米团簇具有1个原子的内核，Au24、Au25、Au26和Au27结构基于金字塔Au20片段，Au45、Au46和Au47具有相似的结构，由两个共轭的截角金字塔结构组成。Au40失去了一个角原子，呈现出扭曲的金字塔结构。Au59具有13个原子组成的二十面体内核，Au147的全局最小值构型为9-39-99,9个原子分别与12个原子进行配位，形成扭曲的二十面体结构。 (2)计算了Au20、Au30、Au60和Au100所有异构体的几何结构性质，包括Oblateness/Prolateness、平均配位数和键长，发现这些参数对于粗略评估Au纳米团簇的相对稳定性是具有潜力的。然后分析Au20、Au30、Au60和Au100所有异构体的Oblateness/Prolateness参数，发现较大的纳米团簇更倾向于形成球状结构。此外Au20、Au34、Au40和Au58的平均结合能和二阶能量差分显示出较好的稳定性，可以用jellium模型来解释。 (3)通过对Au309和Au561的团簇结构搜索，分析了全局最小值的几何结构和电子性质，并探究它们的几何结构与稳定性之间的关系，包括平均配位数和键长。研究发现Au309和Au561全局最小值结构比其正二十面体的能量分别低2.55和3.53eV,且具有扭曲的正二十面体对称。它们的内核结构也具有类似的演变趋势，并且原子间结合紧密且排列规则。然后根据Au923不同温度下的分子动力学模拟结果，发现它在常温下可以稳定存在，但是温度升高后结构会发生变化。并且分析了Au923稳定结构的径向分布函数以及内核结构的演变，发现Au923的内核大体都呈现出正二十面体结构。
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