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团簇物理研究王丽丽摘要：团簇物理在发展过程中，从原子核物理、凝聚态物理和原子分子物理等学科引入了许多概念和方法，构成团簇研究的中心议题，逐渐形成一门介于原子分子物理与凝聚态物理之间的交叉学科。
文章对团簇物理作了简单介绍，从团簇的概念、发展史、研究范畴到它的性质、研究方法。
作为一个初学者，利用gussian03程序包对二、三小原子团簇的结构进行了计算，算出了键长与键角并分析了它们的结构。
关键词：团簇，gussian03，团簇结构，密度泛函理论（DFT）模型STUDY ON CLUSTER PHYSICSAbstract: In the development of claster physics many concepts and methods have been introduced from atomic and molecular physics ,nuclear physics and matter physics , forming an interdisciplinary field between atomic and molecular physics on the one hand and condensed matter physics on the other .Key words: claster ,gaussian03, structure of claster, DFT1、引言团簇的研究开始于上个世纪七十年代，到了八十年代有了较大的发展。
由于团簇的知识构成的特殊性，即它是从原子分子物理、凝聚态物理、表面科学、量子化学、材料科学，甚至核物理学引入了概念和方法，构成其知识框架。
所以团簇物理是一门交叉学科，它的研究需要掌握原子分子、量子化学、凝聚态、电子计算机技术等一系列的知识。
在前一阶段的调研中我阅读了王广厚的《团簇物理学》，这本书较全面的介绍了团簇的合成、结构、性质等，还有四川大学毛华平的博士学位论文《金、铜、钇小团簇的几何结构、势能函数、能级分布和电子特性研究》等一些文章涉及到团簇的性质的研究，对于结构的计算只是简单介绍而没有具体阐述。
MaterialsStudio软件一、Materials Studio软件的主要应用领域包括：金属材料研究无机非金属材料研纳米材料研究高分子及其复合材料研究表界面研究化学反应研究含能材料研究生物、医药研究在晶体结构、形貌研究中的应用QSAR 的应用Perl 语言的应用Accelrys(美国)公司是世界领先的计算科学公司，是一系列用于科学数据的挖掘、整合、分析、模建与模拟、管理和提交交互式报告的智能软件的开发者，是目前全球范围内唯一能够提供分子模拟、材料设计、化学信息学和生物信息学全面解决方案和相关服务的软件供应商，所提供的全面解决方案和科技服务满足了当今全球领先的研究和开发机构的要求。
Materials Studio多尺度分子模拟平台是Accelrys公司（美国）在材料设计领域的核心产品。
它融合多种模拟方法，整合多达23 个功能模块，实现从电子结构解析到宏观性能预测的全尺度科学研究。
在国内拥有近400家用户，分布在石油、化工、环境、能源、制药、电子、食品、航空航天和汽车等工业领域和教育科研部门；相关的研究工作在Nature、Science等各类权威期刊上发表论文过万篇。
Materials Studio分子模拟软件采用了先进的模拟计算思想和方法，如量子力学（QM）、线性标度量子力学(Linear Scaling QM)、分子力学(MM)、分子动力学(MD)、蒙特卡洛(MC)、介观动力学(MesoDyn)和耗散粒子动力学（DPD）、统计方法QSAR(Quantitative Structure - Activity Relationship )等多种先进算法和X射线衍射分析等仪器分析方法；同时产品提供了界面友好的的模拟环境，研究者能方便地建立三维结构模型，并对各种小分子、纳米团簇、晶体、非晶体以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究，得到切实可靠的数据。
Materials Studio分子模拟软件支持Windows和Linux操作平台，用户可以自由定制、购买自己的模拟方法和模块，以满足特定领域研究需求。
fe团簇的穆斯堡尔谱
穆斯堡尔谱是一种研究原子核与电子之间相互作用的谱学技术。
对于fe团簇的穆斯堡尔谱，可以提供关于其原子核的信息，例如原子核的电荷状态、磁性以及与周围电子的相互作用等。
穆斯堡尔谱的实验通常通过测量样品辐射出的γ射线频率和能量分布来获得。
对于fe团簇的穆斯堡尔谱，可以观察到不同的峰，每个峰对应于不同的穆斯堡尔参数。
穆斯堡尔参数可以提供关于样品中铁原子的信息。
其中，最重要的参数是穆斯堡尔位移，它表示了γ射线相对于无磁场时的频率偏移。
穆斯堡尔位移可以反映铁原子的电子云密度以及与周围电子的相互作用。
正的穆斯堡尔位移通常表示电子云密度较大，而负的穆斯堡尔位移则表示电子云密度较小。
另一个重要的参数是穆斯堡尔宽度，它表示了穆斯堡尔峰的宽度。
穆斯堡尔宽度可以提供关于铁原子的磁性信息。
对于磁性样品，穆斯堡尔宽度通常较大，而对于非磁性样品，穆斯堡尔宽度较小。
此外，穆斯堡尔谱还可以提供关于铁原子与周围晶格的相互作用以及样品中可能存在的其他相的信息。
需要注意的是，fe团簇的穆斯堡尔谱可能会受到多种因素的影响，例如样品的制备方法、温度、压力等。
因此，在
进行穆斯堡尔谱实验和解析时，需要综合考虑这些因素，以获得准确的结果。
Materials Studio的模块Materials Studio是一个全尺度材料模拟平台。
平台以可视化视窗界面Materials visualizer为核心，在其上共整合了24个功能模块，囊括了量子力学方法、经典模拟方法、介观模拟方法、有限元模拟等各种常见分子模拟方法，以及晶体结构解析、晶体形貌预测、定量构效关系分析等实用工具，实现了从电子结构解析到宏观性能预测的跨尺度研究。
Materials visualizerMaterials visualizer是Materials Studio的图形化界面，也是整个平台的核心。
Materials visualizer的功能包括：●搭建、调整各类三维可视的结构模型，包括晶体、小分子、聚合物、纳米材料、团簇、表界面以及各种缺陷结构；●提供模块参数设置、结果分析的视窗界面；提供结构文件、参数文件以及结果文件的管理界面；提供计算进程的监控界面；●对模拟结果进行各种分析，可与结构模型相结合进行数据的二维、三维显示，可以给出数据的图表，可以对特定的结果进行动画演示或给出矢量图；Materials visualizer的特性包括：●支持多种结构、图形、文本文件格式的输入和输出；●支持不同功能模块间结构数据的共享；●提供Perl语言环境，以及脚本编译工具；●提供不规则多面体表面积、体积的计算工具。
量子力学方法量子力学方法（Quantum Mechanics）是一种能够对材料体系电子结构特点进行解析的方法，精度高且几乎不依赖于任何经验参数，因此被广泛应用在各类材料的模拟研究中。
半经验量子力学方法（Semi-empirical Quantum Mechanics）同样能够对材料体系电子结构特点进行解析，但是包含有更多的经验参数以及数学、物理近似，因此，计算效率相比于纯粹的量子力学更高，但是精度会略低。
量子力学以及半经验量子力学方法均以定态薛定谔方程为核心，计算原子核满足特定排列、堆积时，核外电子的空间、能量分布，并由此进一步得到体系的电学性质、磁学性质、光学性质、热力学性质、力学性质，所能研究的材料体系类型包括：各类晶体材料及可能的各种缺陷结构，各种维度的纳米材料，各种分子及团簇材料。
量子力学方法：是一种能够对材料体系电子结构特点进行解析的方法，精度高且几乎不依赖于任何经验参数，因此被广泛应用在各类材料的模拟研究中。
CASTEP（平面波赝势方法）Cambridge Sequential Total Energy Package)是由剑桥凝聚态理论研究组开发的一款基于密度泛函理论的先进量子力学程序。
程序采用平面波函数描述价电子状态，利用赝势替代内层电子，因此也被称为平面波赝势方法。
研究对象主要有半导体、陶瓷、金属、分子筛等各类晶体材料，以及掺杂、位错、界面、表面等各种缺陷结构。
CASTEP的主要功能：能量计算--吸附热，缺陷形成能，内聚能，表面能等结构优化--优化原子坐标和晶胞参数，支持原子分数坐标、晶胞参数、键长、键角、二面角限定，支持外加应力过渡态--过渡态搜索（Synchronous Transit方法）电子结构解析--能带结构，电子态密度（局域态密度、分波态密度），电荷密度差分电荷密度，电子局域函数，电子轨道，扫描隧道显微镜(STM)图像模拟，共价键级，静电荷（Mulliken、Hirshfeld），静电势，功函数，自旋磁矩，费米面介电性质 --波恩有效电荷，静态介电常数张量，极化率张量力学性质计算 --弹性力常数张量，体模量，剪切模量，杨氏模量，泊松比热力学性质计算 --声子态密度、色散谱（linear response的方法扩展至金属体系6.0）；熵，焓，自由能，零点能，德拜温度，等容热容随温度的变化曲线光学性质计算 --红外光谱，拉曼光谱5.0（计算指定频率范围的拉曼活性模强度6.1），核磁共振谱a（化学位移、电场梯度张量），电子能量损失谱4.4（旋轨耦合效应5.5），X射线吸收（发射）谱4.4（旋轨耦合效应5.5），光频介电常数虚（实）部，吸收系数，折射率，光导率虚（实）部，能量损失函数动力学计算（结果分析采用Forcite plus的分析工具，具体内容参考Forcite plus介绍）---支持NVE，NVT，NPT以及NPH等系综，以及多种控温控压函数D Mol3（原子轨道线性组合方法）；DMol3是由Bernard Delley教授发布的一款基于密度泛函理论的先进量子力学程序，它采用原子轨道线性组合的方法描述体系的电子状态，因此也被称为原子轨道线性组合方法。
